新型极低频信号遥测系统的研制

殷科生，张志刚，刘文彦，冯 婉

（长沙学院 电子与通信工程系，长沙 410003）

新型极低频信号遥测系统的研制

殷科生，张志刚，刘文彦，冯 婉

（长沙学院 电子与通信工程系，长沙 410003）

针对钻井勘探系统自身特点和极低频理论的要求，设计了一种基于极低频信号技术的遥测系统，并重点介绍了其中接收机部分的结构与实现方法。试验表明，所研制的新型极低频信号遥测系统性能好、可靠性高，具有良好的工程应用价值。

极低频信号；遥测系统；信号处理

0 引言

极低频信号具有很强的穿透能力，因此不受地表水体、其他物体和地下特殊岩层的屏蔽，这可以弥补钻井勘探对这些地质体以下反射弱的缺陷。基于极低频信号遥测技术的钻井勘探设备，具有便携、易操作、采集数据快、探测深度大、机动性强和野外探测成本低等优点[1]。同时，在钻井系统中具备一个先天条件，即钻杆作为动力设备之外，也是一段很长的金属导体，它的尺寸符合极低频理论对天线的要求[2]。本文将介绍基于极低频信号遥测技术的以钻杆为天线的遥测系统及其接收机的研制。

1 新型遥测系统及其接收机的设计方案

如图1所示，系统由两部分组成：发射机和接收机。发射机随钻杆放至钻孔内，发射机前端的传感器把被测多路参数分别转换成电信号，经一次调制转换成数字编码信号，经井下单片机将数据码和控制码转换为串行码，再进行频率调制，二次调制后的信号送到发射机的功率放大器，然后通过天线发射出去。发射天线由钻杆和井上钻架组成，钻杆和发射机之间用绝缘杆隔开。从钻杆发射出的信号，经地层传至地面，接收系统将钻井架和离钻井架30米左右的两点电位差作为输入信号。接收机把收到的信号放大，去干扰、解调，在同步脉冲的作用下分离出测量数据码，经数据综合处理后，存储和显示测量结果[2]。

图1 钻井遥测系统结构

如图2所示，接收机采用单片机为核心的硬件构架。接收机各部分的功能主要包括：信号放大及整形处理、对2FSK信号的滤波、2FSK信号的位同步提取和解调、测量数据码的提取与数据综合处理、线性参数设置、数据分析结果显示与系统抗干扰措施。

2 信号放大、滤波、位同步与解调

图2 接收机硬件结构

输入信号来源于微弱的地信号，其中既有调制信号又夹杂着很强的噪声，并且随着钻头钻进的深度变化，信号的输入动态范围很大，因此需要把有用信号从噪声中分离出来放大，便于后续电路检出基带信号并捕捉到位同步信息。系统选用的精密数据放大器AD524的芯片内部就集成了输入保护电路，并具备阻隔直流、高输入阻抗和高共模抑制比、能完成动态范围大的输入信号的放大的功能，从AD524输出的脉冲串的形状不一定规则，经光电耦合再送至整形电路处理。

为了保证滤波效果，采用了两级数字滤波法，它是去极值平均滤波与低通滤波法的结合。它的算法为，用放大、整形处理过的每个2FSK矩形脉冲的下降沿去申请中断，在每相邻的两次中断之间，计数终值即为采样值，连续采样n次，将其累加求和，同时找出其中最大值与最小值，再从累加和中减去最大值与最小值，按n-2个采样值求平均即得有效采样值。数字滤波在频率较低时，可非常有效地实现模拟滤波器的特性。

2FSK信号的位同步提取由监控程序进行控制和管理，它完成初始化、自检、更改状态、现场保护、中断服务及参数选择等多项任务。2FSK信号的解调用软件实现，设置了同步跟踪和失步强行跳转功能，在测频过程中，可通过对所测结果实行单一方向移动跟踪搜索，并在自动诊断严重失步后，强行跳转到位同步软件中去，从而实现位同步的智能化。

3 测量数据码的提取与数据综合处理

主要包括数据分离数据串变并、数据判错、数据锁存、数据变换与处理等几个方面。数据分离软件功能模块，完成从连续不断的基带脉冲序列中，识别出每一帧的帧头，并将两路测量数据与奇偶校验位从中分离出来。为了进一步提高系统的测量精度，在测量数据作转换和锁存之前，调用滤波功能中的去极植滤波处理子程序进行处理，从而剔除因奇校验未能判错的错误码值。为适应发射机前端两路传感器测量到井下压力和温度的数字量值，接收机端要分别进行线性参数标度变换和参数设置，使得测量精度尽可能地得到提高，使接收机的实用性与灵活性增强，可适用于测量范围更广的工程测量。

4 系统试验

本系统分别在实验室与模拟工程条件下进行了全面的试验。直通式实验，用另一台单片机系统产生标准的2FSK信号，信号的幅值经过一个可调衰减网络后，直接接入到接收仪的信号输入端，比如压力值从0Mpa到100Mpa按大约0.3Mpa的递增量依次逐增，经过长时间的监测，从没发现过去数据或错数据的现象，其他数据测试亦正常。现场测试时，接收仪的输入信号来源于两个地电位差，用一组电缆耦合线圈去耦合接收发射机输出负载线圈上的2FSK信号，并以此作为接收机的输入信号，为了更真实地模拟工程条件，人为地在周围施加多种干扰源，两耦合线圈在50cm范围内，接收机工作一切正常。

5 结论

以上分析与试验结果表明，基于极低频信号遥测技术的以钻杆为天线的遥测系统及其接收机，具备良好的技术优势和工程应用价值。其中对极低频遥测技术中位同步码与帧同步码的提取，2FSK信号的解调及数据分离等技术均采用软件实现，其性能好、可靠性高。作为一台新型智能仪器，可望在石油、煤炭、地质勘探中得以推广应用。

[1] 侯贵廷, 衣学磊, 等. 超长电磁波遥测技术在渤海深部油气勘探中的应用[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2001,37(1)： 81-86.

[2] 殷科生, 盛旺, 等. 以钻杆为天线的钻井遥测系统的研究[J]. 长沙大学学报, 2005, 19(5)： 60-61.

Development of a new telemetry system for extrem-low frequency signal

YIN Ke-sheng, ZHANG Zhi-gang, LIU Wen-yan, FENG Wan

TP873

A

1009-0134(2011)5(下)-0152-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).48

2010-11-22

湖南省教育厅科研基金资助项目（09C121）

殷科生（1975－），男，湖南邵阳人，副教授，研究方向为检测技术与自动化装置。