利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声的方法，主要包括自适应陷波器、自适应噪声抵消器和FIR低通滤波器三个滤波步骤:1)运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号；2)自适应噪声抵消器主通道输入原始信号，参考信号为滤除有用信号的原始信号的延时信号，根据LMS准则其输出的误差信号为滤除泵冲噪声的原始信号；3)将自适应噪声抵消器的输出信号运用FIR低通滤波器滤除高频噪声，完成滤波。本发明专利技术可用于随钻测量系统中泥浆脉冲信号的去噪处理，在保护有用信号不被抵消的前提下实现有效滤波，操作简单，滤波可靠，在泥浆脉冲信号处理中具有通用性，对提高泥浆脉冲信号的信噪比，降低通信的误码率，具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及消除随钻测井中泵冲噪声的
，特别涉及一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声的方法。
技术介绍
在以泥浆为介质的无线随钻测量系统中，井下信息以泥浆压力信号的方式传输到地面，地面系统再对这些信号进行分析与处理，最终获取施工所需的定向数据、地层信息和钻井参数等各种信息。由于现场钻井高温、高压、强震动、长距离传输等因素的影响，井口泥浆压力传感器检测到的信号既包括原始的脉冲序列信号，也夹杂着各种机械震动引起的大量高强度的噪声信号，随着钻井深度的增加，信号衰减增大，检测到的信号变弱，这直接影响信号恢复结果的正确性及可靠性，因此泥浆脉冲信号的去噪问题对于最终脉冲解码极为关键。目前随钻测量系统中对泥浆脉冲信号常用的处理方法有：基于傅里叶变换的去噪方法、FIR滤波方法、基于小波变换的去噪方法和自适应滤波去噪方法。基于傅里叶变换的去噪方法适用于平稳信号，不能有效区分信号的高频部分和噪声的高频部分，对频率随时间变化的非平稳信号处理效果不好；FIR滤波器系统稳定且具有严格的线性相位，实时性好，但这两种去噪方法在处理泥浆脉冲信号时可能丢失部分有用信号；小波变换方法是傅里叶思想的发展，它在时域和频域同时具有良好的局部特性；但小波变换需要预先分析泥浆脉冲信号的特性并据此来设置小波参数，且对不同信号、不同信噪比的信号去噪都需确定其去噪效果最好的分解层数。自适应滤波器不需事先获取噪声干扰信息就能自动调整滤波系数跟随有用信号实现最优滤波，不需针对不同信噪比信号特别设置参数，能应用于各种环境下泥浆脉冲信号去噪处理，操作简便，适用范围广。由于现场钻井条件的影响，信号在传输过程中受到许多噪声的干扰，如泵噪声、钻井噪声、脉冲噪声、反射信号等，导致地面解码系统采集到的压力波信号幅值小、夹杂的噪声大。从压力传感器采集的原始信号中包含了有用信号及幅度较大的低频分量噪声和高频分量噪声。噪声及干扰的主要来源是泵冲噪声和振动噪声。在钻井测量系统中，泵冲噪声由一个或多个泵产生，它具有周期性，而且比传输信号具有更高的能量。此外由于泵冲噪声幅度可能会发生变化，其频谱值通常会“延伸”至信号频谱范围。因此，采集泥浆脉冲压力信号中噪声强且分布广，虽然噪声干扰中的白噪声以及高频噪声信号可以通过一个低通滤波器滤除，但是其泵冲噪声具有能量高、周期性、与原始信号频谱重叠等特点，且不能预知噪声随时间的统计特性。传统的数字滤波器有固定的权系数，其设计阶数在滤波过程中保持不变，在没有充足的噪声干扰信息情况下设计的数字滤波器，不能有效地实现噪声消除或是可能消除掉有效信息。自适应滤波器不需要预知输入信号和噪声的统计特性，利用前一时刻已获得的滤波器参数的结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波，因此最好采用自适应滤波技术恢复原始信息。根据泥浆脉冲信号特性，自适应噪声抵消器常见的参考信号为待处理信号的延时信号，主通道输入信号为待处理的信号，由于自适应噪声抵消器的主输入通道信号与参考信号关于有用信号具有相关性，这使这种滤波方式存在明显缺陷：在抵消噪声干扰的同时也抵消掉了部分有用信号，而且信噪比越大，抵消越严重，这使处理后泥浆脉冲信号幅值降低，有用信号部分丢失，滤波系统收敛困难，对后续解码极为不利，严重影响了自适应滤波器的滤波性能。自适应噪声抵消器存在的这些缺陷使得它本身的优势并未充分发挥，因此，亟需提供一种解决方案来解决上述问题，使得自适应滤波器优势发挥到最大，滤波效果最优，提高滤波可靠性，降低随钻测量通信的误码率。
技术实现思路
为了克服在随钻测量系统中对泥浆脉冲信号处理的现有技术中的缺陷，充分利用自适应滤波技术的优势，保证滤波效果，提高滤波性能，降低随钻测量通信的误码率，本专利技术针对采集的泥浆脉冲信号噪声强度大且不可测的特点，以消除随钻测量系统中泵冲噪声的同时保护有用信号为目的，提出利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声的方法，此方法能有效克服有用信号被抵消的缺陷，保证滤波的可靠性和准确性，使得自适应滤波器的优势发挥到最大，滤波效果达到最优，此方法操作简单，滤波可靠且适用性强，对提高泥浆脉冲信号的信噪比，降低随钻测量通信的误码率，具有较高的实用价值。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中的泵冲噪声的方法，运用自适应陷波器、自适应噪声抵消器和FIR低通滤波器三个滤波进行滤波处理，具体包括下述步骤：(1)运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号；(2)运用自适应噪声抵消器主通道输入原始信号，参考信号为滤除有用信号的原始信号的延时信号，根据LMS准则其输出的误差信号为滤除泵冲噪声的原始信号；(3)将自适应噪声抵消器的输出信号运用FIR低通滤波器滤除高频噪声，完成滤波。作为优选的技术方案，所述原始信号为采集的泥浆脉冲信号，记为，此信号中包括有用信号、泵冲噪声、振动噪声和钻头噪声。作为优选的技术方案，步骤(1)中，运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号的方法为：自适应陷波器的主通道输入为原始信号y(n)的延时信号，参考通道输入与有用信号频率相同的正弦信号x(n)，则自适应陷波器输出为不含有用信号的原始信号的延时信号，以此作为自适应噪声抵消器的参考信号。作为优选的技术方案，步骤(1)中，运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号的方法为：自适应陷波器主通道输入为原始信号，参考通道输入为与有用信号频率相同的正弦信号x(n)，其输出为不含有用信号的原始信号，此信号再经延时后作为自适应噪声抵消器的参考信号。作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述自适应陷波器的主通道输入信号为受单频干扰的信号，表示为d(n)＝s(n)+ccos(ω0+θ)，式中c为正弦干扰幅度，ω0为干扰频率；参考端为单频正弦信号其相位与正弦干扰信号的相位不同，但频率一样，参考信号进入参考通道将送至x1和x2端，x2为参考输入经过90°相移后的信号，其目的是获得w1和w2两个权系数，即两个自由度，使组合后的正弦波振幅和相角都可与主通道输入中干扰分量的相角相同。作为优选的技术方案，两个权系数w1和w2由自适应线性组合器通过LMS算法调整输出，通过自适应调整，使权系数达到最佳值和最终滤波器的输出e(n)即是对s(n)的最佳估计。作为优选的技术方案，步骤(2)中，根据LMS准则其输出的误差信号为滤除泵冲噪声的原始信号的方法为：设置滤波器阶数M和收敛因子μ，然后初始化权值，令w(0)＝0或由先验知识确定，最后结合公式(1)～(3)进行运算：v^0(n)=wT(n)vi(n)=Σm=0M-1wm(n)vi(n-m)---(1)]]>e(n)=s(n)+v0(n)-v^0(n)---(2)]]>wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)vi(n)(3)其中，w(n)为抽头系数，vi(n)为参考信号，s(n)为有用信号，v0(n)为包括泵冲噪声、振动噪声和钻头噪声的噪声干扰，为自适应陷波器或自适应噪声抵消器的输出信号，e(n)为自适应陷波器或自适应噪声抵消器的输出信号，M滤波器阶数，μ为收敛因子。作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述自适应噪声抵消器的输出信号为滤除泵冲噪声的原始信号，此信号中还包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中泵冲噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号；2)在自适应噪声抵消器主通道输入原始信号，并使用滤除了有用信号的原始信号的延时信号作为参考信号，并且所述自适应噪声抵消器根据LMS准则，调整滤波器系数，使其输出为滤除泵冲噪声的原始信号；3)将自适应噪声抵消器输出的滤除泵冲噪声的原始信号运用FIR低通滤波器滤除高频噪声，得到成品信号。

【技术特征摘要】
1.一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中泵冲噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号；2)在自适应噪声抵消器主通道输入原始信号，并使用滤除了有用信号的原始信号的延时信号作为参考信号，并且所述自适应噪声抵消器根据LMS准则，调整滤波器系数，使其输出为滤除泵冲噪声的原始信号；3)将自适应噪声抵消器输出的滤除泵冲噪声的原始信号运用FIR低通滤波器滤除高频噪声，得到成品信号。2.根据权利要求1所述的一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中泵冲噪声的方法，其特征在于，所述步骤1)中，运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号包括：自适应陷波器的主通道输入为原始信号的延时信号，参考通道输入为与有用信号频率相同的正弦信号，自适应陷波器输出为不含有用信号的原始信号的延时信号，以此作为步骤2)中自适应噪声抵消器的参考信号。3.根据权利要求1所述的一种利用自适应滤波算法消除泥浆脉冲信号中泵冲噪声的方法，其特征在于，所述步骤1)中，运用自适应陷波器滤除原始信号中的有用信号包括：自适应陷波器的主通道输入为原始信号，参考通道输入为与有用信号频率相同的正弦信号，其输出为不含有用信号的原始信号，此信号再经延时后作为步骤2)中自适应噪声抵消器的参考信号。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐露新，乔宗超，刘海，吴黎明，王桂棠，邓耀华，陈辉，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44