葉頂勝 賴春紅 胡培毅

（1.川慶鉆探測井公司，重慶 400021；2.西華師范大學(xué)，南充 637002）

基于FPGA的短窗－長窗能量比首波檢測技術(shù)

葉頂勝1賴春紅2胡培毅1

（1.川慶鉆探測井公司，重慶 400021；2.西華師范大學(xué)，南充 637002）

于隨鉆聲波儀器在由電池供電后數(shù)據(jù)不能實時傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行監(jiān)測，而只是對全波列數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采樣存儲。為了不使首波信號過強(qiáng)或過弱，影響時差數(shù)據(jù)的提取，本儀器采用基于FPGA的短窗－長窗能量比首波檢測技術(shù)，通過對首波的檢測動態(tài)控制增益大小達(dá)到了井下自動增益控制的需求，此技術(shù)的成功應(yīng)用方便了時差數(shù)據(jù)的提取。

隨鉆；聲波測井儀；自動增益控制；首波檢測

隨鉆聲波測井儀采用雙發(fā)四收的模式紀(jì)錄全波列信號，儀器發(fā)射接收時序如下：T1R1、T1R2、T1R3、T1R4、T2R1、T2R2、T2R3、T2R4 采 用 串 行 接收的模式，由于鉆具速度較慢，采用串行接收即可滿足地層分辨率需求。儀器工作過程如下：當(dāng)接通電池后儀器處于自發(fā)邏輯和接收序列中，儀器對全波列信號進(jìn)行采集存儲，當(dāng)測井完成后在地面把存儲器里面的內(nèi)容提取出來，通過地面軟件計算出時差信息，本儀器的設(shè)計主要是為了獲得地層的縱波時差數(shù)據(jù)。

隨鉆聲波測井儀器與電纜聲波測井儀器不同之處在于電纜聲波測井實時地傳送聲波信號到地面，為了不使聲波信號過強(qiáng)或過弱，人工可以干預(yù)增益控制信號；可是隨鉆聲波測井儀器是采用采樣存儲機(jī)制不實時傳送信號到地面，也就不能得到人工的增益調(diào)節(jié)，為了獲得準(zhǔn)確的地層時差信號，必須保證首波不能過強(qiáng)或過弱，那么就需要采用全自動增益控制技術(shù)。全自動增益控制技術(shù)的核心內(nèi)容即為本文介紹的短窗－長窗能量比首波檢測技術(shù)。

儀器的總體設(shè)計功能框圖如圖1所示，整個儀器由FPGA控制，通過多路選擇器選擇需要處理的信號通道，前置信號調(diào)理電路的主要功能是對聲波信號做預(yù)處理，包括放大、濾波以及根據(jù)實際聲波信號的幅度做自動增益控制。FPGA的主要功能是采集前置信號調(diào)理電路傳遞來的模擬信號，并對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波、首波提取、自動增益控制及存儲等。

圖1 總體設(shè)計功能框圖

1 短窗－長窗能量比方法

如圖2所示，縱波三個波幅的能量分別為E1、E2 和 E3，且 E1＜E2＜E3，采取以下步驟判定首波。首先使用短窗－長窗能量比的方法檢測出信號的波至點；然后在時間序列上往后尋找E1、E2和E3，根據(jù)E1＜E2＜E3的關(guān)系和首波門檻條件來判定E1是否是需要得到的首波。

圖2 典型聲波波形圖

計算短窗－長窗能量比方法的原理見圖3。圖3中每個步進(jìn)短窗窗長相等（取10個取樣點），每次步進(jìn)一個樣點，以第n個樣點為開窗點的第m個短時窗能量值Sm為

式中：l—窗長；Ai—信號能量。

第m個步進(jìn)短窗時的長窗能量值Em為

圖3 首波檢測

短窗能量與長窗能量比值關(guān)系為：

式中：S—短窗能量；E—長窗能量。

在首波到達(dá)前，包絡(luò)振幅近于0值，S與E近于相等，則R為一條近于1的水平直線；波至點處，S會突然增大，而E滯后于S緩慢增大，因而在波至點處R表現(xiàn)為明顯的脈沖極值。同時根據(jù)本儀器首波門檻值為大于1/10限幅信號，就可以檢測到首波信號。

2 FPGA實現(xiàn)方法

FPGA實現(xiàn)中第一步是需要求出波至點，求波至點的方法是建立在移位寄存器上的。由于聲波信號的中心頻率為20kHz，本設(shè)計采用200 kHz的采樣頻率，短窗長度為10，長窗長度為50。分別設(shè)計了兩個移位寄存器組，其中一組用于計算Sm，另一組用于計算Em。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

當(dāng)開始采樣時同時把數(shù)據(jù)送入Em移位寄存器組和原始數(shù)據(jù)移位寄存器組，當(dāng)Em移位寄存器組滿后開始將最新的10組數(shù)據(jù)送入Sm移位寄存器組，在采樣時鐘的控制下Em計算器和Sm計算器并行工作，用于獲取波至點處特征信號；當(dāng)獲取到波至點后，在波至點后30組的數(shù)據(jù)中通過對原始寄存器組極致搜尋法分別搜尋到一個正極值、一個負(fù)極值、第二個正極值即為需要尋找的E1、E2和E3。

圖4 FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

儀器采用ACTEL軍品級FPGA A42MX36作為核心控制芯片，芯片具有54K個系統(tǒng)門，超大容量的系統(tǒng)資源和軍品級溫度性能保證了儀器的穩(wěn)定可靠運行。FPGA主要完成了如下工作：AD控制、數(shù)字濾波、首波提取、自動增益控制、發(fā)射控制及存儲管理，其控制框圖如圖5所示。

圖5 程序結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本儀器采用了基于FPGA的短窗－長窗能量比首波檢測技術(shù)，通過對首波的檢測動態(tài)控制增益大小達(dá)到了井下自動增益控制的需求，在沒有人工干預(yù)增益的情況下聲波首波值不易過大或過小，使得隨鉆聲波測井儀能夠正確地獲取地層時差數(shù)據(jù)。采用ACTEL的軍品級超大規(guī)模FPGA作為核心控制單元，使儀器具有集成化程度高、溫度性能好、增益調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點。

[1]楊誠，趙景波.FPGA可編程技術(shù)在數(shù)字聲波中的應(yīng)用[J].石油儀器，2009,23(3):81-83.

[2]胡文祥.聲波測井資料弱初至波檢測新方法[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報，1994，16(增刊)：24-25.

FPGA-based Short Window-long Window First Wave Energy Ratio Detection Technology

YE Dingsheng1LAI Chunhong2HU Peiyi1
(1.Chuanqing Drilling&Logging Company，Chongqing 400021；2.China West Normal University，Nanchong 637002)

As the LWD acoustic instrument powers by the battery,and the data can not be monitored real-time transmission to the ground,but only in full-wave real-time sample storage mode,in order not to make the first wave of the signal too strong or too weak,affecting the DT extraction.This instrument uses a downhole FPGA-based short window-long window first wave energy detection,through the use ofenergy testing technology fulfiled automaticly gain control demand,the successful application of this technology facilitate the extraction of DT data.

LWD；acoustic instrument；automatic gain control；first wave detection

TN911

A

1673-1980（2012）01-0137-03

2011-08-26

葉頂勝（1980-），男，四川隆昌人，碩士，工程師，研究方向為儀器研發(fā)。