[发明专利]一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法

摘要

本发明涉及一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，属于钻井过程中井下数据传输技术领域。为克服现有技术中由于地面噪声、钻柱不连续结构等因素造成的回波噪声使钻柱声信号传输性能降低的问题，本发明利用钻柱上、下行信道的瞬态脉冲响应，采用双声接收器的接收方式，通过改进的回波噪声抑制的建模方法，实现井下回波噪声抑制的目的，从而可改善接收信号的信噪比，提高传输速率，缩短测井周期，节约钻井成本，且具有结构简单的特点。

主权项

1.一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下：步骤a1、随钻声波传输系统中噪声来源的分析随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生，以n_d表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以n_s表示；步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算由信道容量的定义可知，上行通道的容量为：CUL=∫Blog2(1+Ps(f)Pnb(f)+Pns(f)|H(f)|-2)df bit/s---(1)]]>式中，B为信道通带带宽，P_s(f)、和分别为激励信号、钻头噪声、地面噪声的功率谱密度；由于系统信号在传输过程中本身的衰减很大，因此，|H(f)|＜＜1，以及|H(f)|^-2＞＞1；若和在同一数量数量级，则可忽略不计，即，可认为地面噪声的影响远大于井下噪声，从而可忽略钻头噪声n_d的影响；相应地，下行通道的容量可为：CDL=∫Blog2(1+Ps(f)Pnb(f)+Pns(f)|H(f)|2)df bit/s---(2)]]>步骤a3、主要噪声的分析由于双声接收器安装在钻柱顶端，用于接收由钻头处上传的井下数据，因此，主要考虑上行通道，则仅需考虑地面噪声n_s的影响；步骤2.对回波噪声进行抑制，具体抑制方法为：步骤b1、在钻杆上布置声接收器由于声波传播没有方向性，钻柱信道内同时存在上行波和下行波，这样，钻柱顶端处的声接收器不仅接收到上行传输信号，同时还接收到地面噪声以及下行传输的端面反射信号，以及在各个“钻杆-接箍”连接处的反射回波信号；为消除地面噪声和回波，在邻近地面的单节钻杆上以1/4载波波长为间隔布置两个声接收器；步骤b2、通过检测双声接收器处上、下行信道响应进行回波噪声抑制的建模方法在忽略外界耦合噪声的影响下，整个传输系统内仅存在地面噪声n_s(t)和激励输入信号x(t)两个未知变量，因此，理论上仅利用两个声接收器可实现地面噪声和端面反射回波的抑制；根据信号与系统的基本理论，信道的输入与输出之间存在卷积关系，其中：假设当在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个声接收器y₁、y₂处的脉冲响应分别为h₁(t)和h₂(t)，以及当在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，两个声接收器处的脉冲响应分别为h′₁(t)和h′₂(t)，则考虑地面下行噪声n_s(t)条件下，当钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的时域信号可表示为：y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h′₁(t)                                (3)y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h′₂(t)                                (4)式中，h₁(t)、h₂(t)可表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h′₁(t)、h′₂(t)可表示为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应；对式(3)、(4)进行傅里叶变换，可得其频域表达式为：Y1(f)=HX1(f)X(f)+HN1(f)Ns(f)---(5)]]>Y2(f)=HX2(f)X(f)+HN2(f)Ns(f)---(6)]]>联立式(5)、(6)，可得如下的矩阵形式：Y1Y2=HX1HN1HX2HN2XNs---(7)]]>通过运算可消除地面噪声信号N_s(f)，则X(f)=HN2(f)Y1(f)-HN1(f)Y2(f)D(f)---(8)]]>式(8)中，分别为h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)的频域形式，且D(f)=HX1(f)HN2(f)-HX2(f)HN1(f);]]>对式(8)进行傅里叶逆变换，可反求出施加于钻柱底端的原始激励信号x′(t)，即根据声波在钻柱中的传播原理，基于钻柱内一维纵波的波动方程，利用有限差分算法将钻柱信道细分为若干质量微元，则波动方程可改写为：unj+1+unj-1=2Δrn+1/2Δrn+1/2+Δrn-1/2un+1j+2Δrn-1/2Δrn+1/2+Δrn-1/2un-1j---(10)]]>式中，表示j时刻x_n处质点位移，Δr_n表示x_n处微元质量；因此，利用该式(10)可得到钻柱信道中不同位置处质量微元的振动情况，从而获得不同激励条件下钻柱的瞬态振动规律，实现声信号在钻柱信道内的传输过程；在钻柱底端施加单位脉冲激励，利用式(10)可仿真得到钻柱上行通道的瞬态冲击响应h₁(t)和h₂(t)，再通过傅立叶变换，可求的h₁(t)、h₂(t)的频域表达式同理，在钻柱顶端施加单位脉冲激励，可仿真得到钻柱下行通道的瞬态冲击响应h′₁(t)和h′₂(t)，以及对应的频域表达式步骤b3、求解施加于钻柱底端的原始激励信号通过检测两个声接收器y₁(t)、y₂(t)的信号，利用式(9)可求解施加于钻柱底端的原始激励信号；从而该用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法通过改进的回波噪声抑制分析模型，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。