基于开关切换混频的随钻电阻率信号处理系统

摘   要： 针对随钻电阻率测井仪器中电路系统工作温度高、电路板安装空间狭小、信号灵敏度低等现状，基于开关切换混频原理，设计一种随钻电阻率信号处理系统。依据原有随钻电阻率测井仪器电路系统基本结构和特点，进行优化和改进：通过FPGA对16 MHz信号进行8分频实现，生成2 MHz信号;设计开关切换混频电路，实现信号由2 MHz向2 kHz的转换。FPGA的引进，降低了对温度的敏感性，压缩了电路板面积，使得随钻电阻率测井仪器可靠性得到提高，能够更加适应井下狭小空间和高温高压的恶劣环境。测试验证表明，幅度比和相位差的测量相对误差都在1%以内，完全满足随钻电阻率测量精度要求。

关键词： 随钻电阻率;测井仪器;开关切换混频;FPGA;幅度比;相位差

中图分类号：TH816    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 01-023-05

工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.005

引言

随钻测井技术是近年来迅速崛起的先进测井技术[1]。与传统的电缆测井仪器不同，随钻测井仪器的测量结果克服了钻井液对地层渗透的影响，更加有利于精确地获得地层的工程和地质参数，更为真实客观地反映地层的特性，从而实现对地层的快速准确评价[2]。随钻电阻率测井仪器是随钻测井仪器家族中应用最为广泛的仪器，也一直是行业研究的热点[3-5]。

随钻电阻率测井仪器中关于信号采集以及幅度比与相位差检测计算的研究已经起步。刘升虎等[6]、潘光玮等[7]的研究聚焦于通过直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术实现信号发射。

本文针对随钻电阻率测井仪器中电路系统工作温度高、电路板安装空间狭小、信号灵敏度低等现状，意图从发射和接收一体化的角度，基于数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）和开关切换混频等技术，设计一种随钻电阻率信号处理系统，实现高性能、高精度的幅度与相位检测，并通过测试加以验证。

1  随钻电阻率测井仪器电路系统基本结构和特点

随钻电阻率测井仪器通过测量电磁波在地层中传播前后幅度与相位的变化量（即幅度比与相位差）来计算地层电阻率。该仪器电路系统的基本结构如图1所示。系统由1个发射天線和2个接收天线组成，2个接收天线分别接收发射天线发射出的电磁波信号。通过电路采集处理模块对2个接收天线分别接收的信号进行幅度和相位的测量，可以反演出电磁波信号经过的地层的电阻率[8]。国内外已经在仪器工作频率选择方面经过充分论证和试验，表明100 kHz～10 MHz这个频率段的电磁波信号作为工作频率对地层电阻率的响应最为敏感，一般选择2 MHz或者400 kHz，后续随钻电阻率测井仪器电路系统的研制以2 MHz作为工作频率。

考虑到随钻电阻率测井仪器工作环境比较恶劣，特别是易受到高温（150℃以上）和振动等影响，为了保证电路系统工作的可靠性，在实际电路系统设计当中使用的微处理器、模拟数字转换器等关键芯片的工作频率都相对较低，不能满足对2 MHz信号进行直接采集和处理的需求。因此在信号处理设计当中需要对2 MHz信号进行乘法混频和滤波，将采集和处理的信号频率降到kHz级别。实际电路中一般将信号频率降到2 kHz，实现该功能的关键往往是使用直接数字频率合成器和乘法混频器等[9-11]，但该类芯片涉及复杂的模拟电路或者数模混合电路，其功耗较大、温度适应性较差。对于信号采集和处理来说，混频输出应只与接收信号的幅度比和相位差有关，而与本振信号的参数无关。因此乘法混频器并不是最佳选择，而通过数字开关实现接收信号混频的技术，即开关切换混频技术，可以有效克服上述不足。

2  开关切换混频原理

图2所示为开关切换混频电路的基本结构。混频中的输入模拟信号。该信号的幅度A和相位ω0被分成两路：一路与原信号一致;另外一路对原信号进行反向，即-?1（t）。为了保持信号相位的一致性，在原信号链路中插入了缓冲级。混频中的开关切换信号使用数字方波信号?2实现，该信号控制开关的导通和截止。

数字方波信号?2的表达式为

（1）

输出?3（t）=?1（t）×?2（t），其中?2（t）由傅里叶变换展开，表达式为

（2）

从式（2）可以看出，数字方波信号?2（t）由基本频率的1、3、5、…倍的各次谐波之和构成。因此

（3）

如果?1（t）和?2（t）的频率ω1和ω2比较接近，那么ω1-ω2将是一个相对于ω1和ω2比较低的频率，此时式（3）中部分的频率将远低于其它部分，进行合适的低通滤波后，可只此部分。例如在本设计中ω1取2.002 MHz，ω2取2 MHz，则经过图2所示电路进行混频，生成的信号经过略高于2 kHz的低通滤波以后，只剩下部分，其频率为ω1-ω2=2 kHz。该部分还包含了?1（t）的幅度A和相位ω0，符合通过电磁波在地层中传播后幅度与相位的变化量来计算该地层电阻率的要求。通过上述方法对2 kHz的信号进行采样和处理，信号处理硬件设计难度将降低很多。

3  系统硬件结构设计

3.1  整体方案设计

根据第1～2章的分析，对随钻电阻率信号处理电路系统结构进行优化设计，整体原理框图如图3所示，该框图是在图1的基础上进行改进和优化的。相比于图1中传统的随钻电阻率测井仪器电路系统结构，优化后的电路采用了数字并行能力更强的FPGA作为处理器。由于目前FPGA的数字资源非常丰富，有各种可直接调用的IP模块，因此各种数字单元都可以在其内部实现。例如，生成2 MHz发射信号，可在FPGA内部使用分频模块对16 MHz晶振信号进行8分频实现。由于开关切换混频电路代替了传统的模拟混频电路，因此混频信号生成模块变得非常简单，完全由数字电路实现，将需要进行开关切换、同步输入信号?2（t）（2.002 MHz）的生成电路（即NCO电路）集成到FPGA内部，不需要额外的芯片。

3.2  开关切换混频电路设计

随钻电阻率测井仪器电路需要对两路接收信号进行同步混频处理，然后计算得出这两路信号的幅度比和相位差。为了提高集成度、减少不同芯片固有误差，采用集成了两路开关切换选择的AD8182芯片，实现两路天线接收信号的关键开关切换。AD8182芯片是一款高速数字控制2选1的模拟多路选择器电路，其在选择信号输入端SEL端输入高电平或者低电平，选择模拟输入IN0或者IN1输出到OUT端。该功能与开关切换混频的功能完全一致，因此使用这种芯片将更加优化电路系统的结构。具体电路设计如图4所示。每路天线接收信号分成两路，分别经过放大同向缓冲和方向缓冲，分别接入AD8182的两路，输入IN0A、IN1A和IN0B、IN1B。

4  测试验证

使用标准信号源生成两路具有一定的幅度比和相位差的正弦信号，模拟随钻时电磁波信号经过地层衰减后被两路接收天线接收到的信号。测试过程参考实际地层对两路信号幅度比和相位差的衰减情况，输入7个典型的幅度比和相位差，测试结果如表1所示。根据表1中实验数据可以测算出，幅度比和相位差的测量相对误差都在1%以内，该精度完全满足随钻电阻率测量精度要求。

5  结论

本文设计了开关切换混频电路结构，并将该结构应用到随钻电阻率测井仪器信号处理系统中，实现了从高频信号向低频信号的转换，使用简单可靠的数字电路替换了复杂的、功耗较大的模拟电路。系统利用FPGA的内部资源，将大量数字电路内嵌在FPGA内部，进一步简化了电路结构，压缩了电路板面积，降低了对温度的敏感性，使得随钻电阻率仪器可靠性得到提高，能够更加适应井下狭小空间和高温高压的恶劣环境。

同时，经过测试验证，基于开关切换混频的随钻电阻率信号处理系统的相对误差可保持在1%以内，完全达到了随钻电阻率测井仪器的测量精度要求。

基金项目

国家科技重大专项课题（低滲透储层高精度随钻成像技术研究2016ZX05021-002）

参考文献

[1] 郭彦军， 张辛耘， 王敬农. 对我国发展随钻测井技术和装备的思考[J]. 石油仪器， 2007， 21（2）： 1-4.

[2] 张伟， 曲玉亮， 李义. 随钻电阻率三维反演方法研究及应用[J]. 工业技术创新， 2018， 5（2）： 81-85.

[3] 张文豪， 柯式镇， 姜明， 等. 基于时序等效采样的随钻电磁波测井检波系统[J]. 西安石油大学学报（自然科学版）， 2017， 32（9）： 90-95.

[4] 高杰， 娄研， 李可赛， 等. 随钻前视电磁波电阻率测井方法前期理论研究[J]. 测井技术， 2018， 42（1）： 20-25.

[5] 衡天天， 彭浩， 邓乐， 等. 随钻电磁波电阻率测量系统[J]. 电子测量技术， 2014， 37（6）： 123-127.

[6] 刘升虎， 邢亚敏. 基于DDS技术随钻测井仪发射电路研究[J]. 西南石油大学学报（自然科学版）， 2008， 30（6）： 161-165.

[7] 潘光玮， 冯泽东， 何源， 等. 基于直接数字合成技术的随钻电阻率测井仪器的设计与实现[J]. 物探与化探， 2012， 36（2）： 253-255.

[8] 李会银， 苏义脑， 盛利民， 等. 多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计[J]. 中国石油大学学报（自然科学版）， 2010， 34（3）： 38-42.

[9] 孙成胜， 张红民， 龚恒翔， 等. 一种新型的程控多频雾化电路设计方案[J]. 电子技术应用， 2019， 45（5）： 102-104.

[10] 李飞， 冯晓东， 李华会. 可变带宽数字下变频的设计与FPGA实现[J]. 电子技术应用， 2016， 42（4）： 35-38.

[11] 倪宣浩， 丛彦超， 武春飞. 基于多路并行DDS的快跳频信号发生器设计实现[J]. 电子技术应用， 2018， 44（11）： 94-98.

作者简介：

倪卫宁（1979—），通信作者，男，安徽黄山人，副研究员。研究方向：随钻测井仪器电路系统。

E-mail： nwnleeyy@163.com

（收稿日期：2020-01-13）

Signal Processing System of Resistivity While Drilling Based on Switching Mixing

NI Wei-ning

（Research Institute of Petroleum Engineering Technology， SINOPEC， Beijing 100101， China）

Abstract： In view of the current situation such as high working temperature， narrow circuit board installation space and low signal sensitivity in the circuit system of the logging while drilling （LWD） instrument， a kind of signal processing system of resistivity while drilling is designed based on the principle of switching mixing. According to the basic structure and characteristics of the circuit system in the original resistivity LWD instrument， the optimization and improvement are carried out： the 16 MHz signal is divided into 8 frequencies by FPGA to generate a 2 MHz signal; the switching mixing circuit is designed to realize the signal conversion from 2 MHz to 2 kHz. With the introduction of FPGA， the sensitivity to the temperature is reduced， the area of the circuit board is compressed， the reliability of the resistivity LWD instrument is improved， which can be more suitable for the tough environment of narrow logging space， high temperature and high pressure. The test validations show that the relative errors of amplitude ratio and phase difference are within 1%， which fully meet the measurement accuracy requirements of the resistivity while drilling.

Key words： Resistivity While Drilling; Logging Instrument; Switching Mixing; FPGA; Phase Difference; Amplitude Ratio