用于油井动液面检测的频率估算方法技术

本发明专利技术公开了一种用于油井动液面检测的频率估算方法，包括以下步骤：采集油井动液面的声场信号，得到采样信号x(n)；对采样信号x(n)进行加窗处理，得到加窗函数xw(n)；将加窗函数xw(n)进行离散傅里叶变换，得到频谱Xw(k)；从频谱Xw(k)中寻找幅值最大的频点、最大频谱幅值Xw(l)和第二大频谱幅值Xw(l±1)，其中幅值最大的频点记为第一次迭代时的频率初始值l1；通过插值计算真实频率值λ0；按照公式计算信号的频率fo。有益效果：本算法运用范围广，适用于所有选择的窗函数；计算误差小，受噪声的影响小，具有较好的一致性；计算过程简洁，无需对数据进行预先计算，也不需要存储窗函数的相关参数信息。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，包括以下步骤：采集油井动液面的声场信号，得到采样信号x(n)；对采样信号x(n)进行加窗处理，得到加窗函数xw(n)；将加窗函数xw(n)进行离散傅里叶变换，得到频谱Xw(k)；从频谱Xw(k)中寻找幅值最大的频点、最大频谱幅值Xw(l)和第二大频谱幅值Xw(l±1)，其中幅值最大的频点记为第一次迭代时的频率初始值l1；通过插值计算真实频率值λ0；按照公式计算信号的频率fo。有益效果：本算法运用范围广，适用于所有选择的窗函数；计算误差小，受噪声的影响小，具有较好的一致性；计算过程简洁，无需对数据进行预先计算，也不需要存储窗函数的相关参数信息。【专利说明】
本专利技术设及油井动液面测量中信号频率的检测
，具体的说是一种用于油 井动液面检测的频率估算方法。
技术介绍
目前已提出的基于管柱声场特性的油井动液面检测方法，其原理是在井口发出声 波激发井下套管内空气柱的共振，利用检测到的空气柱声波共振频率来估算空气柱长度， 进而测量出空气柱下面的动液面深度。其数学模型为 fn为油套环空内空气柱的第n阶共振频率，C为井下声波的传播速度，d为井下管道 的直径。由此数学模型可知，在声速一定的情况下，只要准确测量井下空气柱的共振频率fn 即可得估算出动液面深度。因此，准确高效的估算出井下空气柱的共振频率是测量动液面 深度的关键。 但是由于事先并不知道声波信号的频率，很难做到对信号的整周期采样，因此对 采集到信号的傅里叶变换一般都会出现频谱泄漏和栅栏效应，导致对信号频率的估算存在 很大的偏差，人们常采用加窗、插值迭代法来克服缺陷，但是对于不同的窗函数的插值公式 不一样，没有适用于所用窗函数的通用算法，不能满足人们的需求，而且目前运些算法对谱 线错误定位敏感，在大噪声条件下误差较大。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种，来计算 油井动液面的声场信号频率，来解决声场信号频率计算过程复杂、计算误差大的缺陷。 为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：[000引一种，包括W下步骤： Sl .要隹細#动漏而的亩扬倍耳.浩幸IlM占长底的采样信号x(n):[00川其中A。表示幅值，f。表示信号的频率，f S表示采样频率，與嗦示相位，n表示采样点 序数，M为对信号的总的采样点数；[001^ S2:对步骤Sl得到的采样信号x(n)进行jj幡处理； 构造 K点长度的窗函数w(n)，对采样信号x(n)进行加窗，得到函数： xw(n)=x(n)w(n)； S3:将步骤S2得到的加窗函数xw(n)进行离散傅里叶变换，得到频谱XwA): S4:从步骤S3所得的频谱Xw化）中寻找幅值最大的频点W及当前最大频谱幅值Xw (1)和第二大频谱幅值Xw(l±l);其中幅值最大的频点记为第一次迭代时的频率初始值h; S5:计算真实频率值入0; 根据公式lm+l = lm+Sm计算第m+1次迭代时频率估算值，且第m+1次迭代时频率估算 值和第m个频率估算值偏差其中：，q为矩形窗与选择的窗函数的 扇形损失比，IXw(Im) I为第m次迭代时频率估算值对应的频谱幅值，I X'w(lm-l) I为IXw(Im-I) 、I XwQm-O . 5) I W及I Xw(lm+0.5) I之间的最大值，Xw(Im-I)为第m-1次迭代时频率估算值对应 的频谱幅值，Xw( Im-O . 5)为第m次迭代时频率估算值减0.5个步长所在频点的幅值，Xw( Im+ 0.5)为第m次迭代时频率估算值加0.5个步长所在频点的幅值，当I I <T时，T为预设 阔值，迭代结束，并设定真实频率值Ao= lm+1; S6:将步骤S5得到的真实频率值值Ao带入公;ES，计算得到信号的频率f。。进一步描述，当所加窗函数为矩形窗时，对其进行离散傅里叶变换得到： 再进一步描述，当所加窗函数为=角窗时，对其进行离散傅里叶变换得到： 当所加窗函数为汉宁窗时，对其进行离散傅单叶变换得到：。 再进一步描述，步骤S5中矩形窗与选择的窗函数的扇形损失比q为，其中Sk 矩形窗的扇形损失，SLc为选择的窗函数的扇形损失，且窗函数的扇形损失为：其中W(0.5)为信号最差非整周期采样的情形时候的最大谱线幅值，W(O)为信号整周期采样 时最大谱线幅值。 本专利技术的有益效果:本算法运用范围广，适用于所有的窗函数;计算误差小，可W 克服噪声对谱线造成的影响;计算过程简洁，无需对数据进行预先计算，也不需要存储选择 窗函数的相关参数信息。【附图说明】 图1是本专利技术的声场信号频率计算流程图； 图2是常用窗函数计算信号频率系统误差图；图3是随机噪声对不同信号频率算法的影响效果图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】W及工作原理作进一步详细说明。 从图1可W看出，一种，包括W下步骤： SI:采集油井动液面的声场信号，得到M点长度的采样信号x(n): 其中A。表示幅值，f。表示信号的频率，fs表示采样频率，卿嗦示相位，n表示采样点 序数，M为对信号的总的采样点数； S2:对步骤Sl得到的采样信号x(n)进行加窗处理； 构造 K点长度的窗函数w(n)，对采样信号x(n)进行加窗，得到函数:xw(n)=x(n)w (n)； 在本实施例中，所加窗函数为矩形窗，则其表达式为:w(n) = 1 (n = 0，1，2…K)，则； xw(n) = x(n)(n=l ,2,…K) S3:将步骤S2得到的加窗函数xw(n)进行离散傅里叶变换，得到频谱X^k):(I) S4:从步骤S3所得的频谱Xw化）中寻找幅值最大的频点W及当前最大频谱幅值Xw (1)和第二大频谱幅值XwQ ± 1);其中幅值最大的频点记为第一次迭代时的频率初始值h; S5:计算真实频率值入0: 在实际应用中，由于不知道信号的实际频率，因此对信号的截断很难是整周期，那 么进行DFT变换就会出现频谱泄露，即归一化的真实频率值Ao几乎都是出现在DFT变换后的 两个谱线间，因此真实频率值Ao假设表示为： A〇=l"+5" (2) 其中Im和Sm(-0.5 < 5 < 0.5)分别为整数和小数;Sm为选择的窗函数第m+1次迭代时 频率估算值和第m个频率估算值偏差，Sm具体计算方法为： 将公式（2)带入公式（1)可得到：此处 假设5<A0<N/2-5,则：|W(21m+Sm) I << |W(-Sm(-Sm) I，最大频率幅值的表达式为：[004引：3) 第二大的频谱幅估表试式为：(4)令最大与第二大频谱幅值之比为：(5) 对于任意窗函数的归一化频谱区间[-0.5,0.引内有： q 3 Wr化） 其中Wc化）、Wr化)表示任意窗函数和矩形窗的频谱，即q与Wr化)在归一化频 谱区间内形状几乎一样，将任意的窗函数逼近矩形窗，则矩形窗对应的最大与第二大来耐並脑估方hk At . 其中q为矩形窗与选择的窗函数的扇形损失比，且，其中Sk矩形窗的扇形 损失，SLc为选择的窗函数的扇形损失，且窗函数的扇形损失为：.其中W(0.5) 为信号最差非整周期采样的情形时候的最大谱线幅值，W(O)为信号整周期采样时最大谱线 幅值；[005引对于矩形窗，即啊(11) = 1(11 = 0，1，2.'本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于油井动液面检测的频率估算方法，其特征在于包括以下步骤：S1：采集油井动液面的声场信号，得到M点长度的采样信号x(n)：其中Ao表示幅值，fo表示信号的频率，fs表示采样频率，表示相位，n表示采样点序数，M为对信号的总的采样点数；S2：对步骤S1得到的采样信号x(n)进行加窗处理；构造K点长度的窗函数w(n)，对采样信号x(n)进行加窗，得到函数：xw(n)＝x(n)w(n)；S3：将步骤S2得到的加窗函数xw(n)进行离散傅里叶变换，得到频谱Xw(k)；S4：从步骤S3所得的频谱Xw(k)中寻找幅值最大的频点以及当前最大频谱幅值Xw(l)和第二大频谱幅值Xw(l±1)；其中幅值最大的频点记为第一次迭代时的频率初始值l1；S5：计算真实频率值λ0；根据公式lm+1＝lm+δm计算第m+1次迭代时频率估算值，且第m+1次迭代时频率估算值和第m个频率估算值偏差其中：q为矩形窗与选择的窗函数的扇形损失比，|Xw(lm)|为第m次迭代时频率估算值对应的频谱幅值，|X'w(lm‑1)|为|Xw(lm‑1)|、|Xw(lm‑0.5)|以及|Xw(lm+0.5)|之间的最大值，Xw(lm‑1)为第m‑1次迭代时频率估算值对应的频谱幅值，Xw(lm‑0.5)为第m次迭代时频率估算值减0.5个步长所在频点的幅值，Xw(lm+0.5)为第m次迭代时频率估算值加0.5个步长所在频点的幅值，当|lm+1‑lm|＜τ时，τ为预设阈值，迭代结束，并设定真实频率值λ0＝lm+1；S6：将步骤S5得到的真实频率值λ0带入公式计算得到信号的频率fo。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗久飞，周伟，周盼，李晓亮，李太福，易军，张元涛，胡刚，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50