一种井下微弱信号检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种井下微弱信号检测方法及系统，其特征在于，包括：对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱；采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率，本发明专利技术可以广泛应用于微弱信号检测领域，尤其可以应用于涉及井下随钻微弱信号以及其他要求较为苛刻、环境噪声较多场景中的微弱信号检测中。环境噪声较多场景中的微弱信号检测中。环境噪声较多场景中的微弱信号检测中。

【技术实现步骤摘要】
一种井下微弱信号检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及微弱信号检测领域，具体是关于一种井下微弱信号检测方法及系统。

技术介绍

[0002]微弱信号检测的应用背景主要在极端条件下，包括部分军工领域、航天领域以及石油开采领域。在钻采过程中，随钻测量和电磁感应传输均需要进行微弱信号的处理以及后续的检测，但是在复杂的地下磁场环境中，会不可避免地引入噪声，带来信息损失，导致本就微弱的电磁信号更加难被检测到。同时，在传输距离增大时，信号的幅度会急剧衰减，从而更容易被噪声淹没。硬件检测电路的噪声对于微弱信号的检测影响也很大，信号放大器的固有噪声与频率成反比，仅靠硬件电路无法实现超低频信号的检测。因此，尽可能地去除信号中的噪声并提取出信号的真实频率，恢复信号的幅度，具有重要的实际意义。完成此项任务，能够保证钻采过程中保持高精度井眼轨迹的控制，大幅提高钻采的效率。
[0003]现有技术公开了一种用于检测电磁辐射微弱信号方法，该方法给出了包括接收微弱信号的检测模块以及相关的方法，但是由于其首先通过大量的模拟电路对信号先进行噪声的处理和信号的滤波，导致本就微弱的电磁感应信号在传输时进一步加入模拟电路带来的噪声，更在传输距离增大时，信号变得更加微弱，其复杂的内容并不能够在井下随钻过程中检测到带有大量噪声的信号。现有技术还公开了一种井下无线电磁通讯方法，能够实现近钻头采集的底层参数数据通过无线电磁通讯的方式进行数据上传，但是由于井下十分复杂的地层参数和电磁波传输过程中存在不可避免的衰减问题，使得地面接收系统接收的数据含有很大的噪声，对接下来的信号处理以及解调产生极大的影响；且该方法并没有对信号提取进行研究，导致在进行信号频率重构和强度还原时无法完全排除噪声的干扰，导致信号传输的精度较低。现有技术还公开了一种去卷积功率谱估计方法，该方法为微弱信号检测常用的一类方法，这类方法在普通场景的微弱信号检测时具有一定的价值和意义，但是在信号通过加窗函数预处理时，必定会导致带来信号频率谱旁瓣的影响，此时采用该方法精度将受到一定影响。
[0004]因此，需要一种能够在随钻测井这种特殊的场景下完成井下微弱信号检测的方法。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够在随钻测井场景下完成井下微弱信号检测的井下微弱信号检测方法及系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：第一方面，提供一种井下微弱信号检测方法，包括：
[0007]对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱；
[0008]采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；
[0009]求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率。
[0010]进一步地，所述对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，包括：
[0011]对井下随钻微弱信号进行预处理，包括信号放大、模数转换和低通滤波；
[0012]根据设定的信号采集数据长度，对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱。
[0013]进一步地，对预处理后的井下随钻微弱信号的0≤ω<π区间内进行采样，采样值X
r
(k)为：
[0014][0015]其中，为x(n)的幅度谱；k为采样点序号，且k＝0,1,
…
,N/2
‑
1，N为信号采集数据长度；f0为井下随钻微弱信号x(n)的数字频率；ω为角频率。
[0016]进一步地，所述采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，包括：
[0017]确定井下随钻微弱信号的DFT幅度谱X
k
(k)中最大值对应的频率序号k
max
，并将其作为第一个谱峰值；
[0018]搜索DFT幅度谱X
k
(k)中与最大值相邻的次最大值对应的频率序号k
max0
，并将其作为第二个谱峰值；
[0019]设定采样参数，并根据设定的采样参数以及第一个谱峰值和第二个谱峰值，得到条件约束方程；
[0020]根据条件约束方程，重构井下随钻微弱信号的真实频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程。
[0021]进一步地，所述条件约束方程为：
[0022][0023]其中，X
r
(k
max
)、X
r
(k
max0
)分别为k＝k
max
和k＝k
max0
时得到的对应幅度谱强度；
[0024]所述井下随钻微弱信号真实频率的估计方程为：
[0025][0026]其中，f
s
为采样频率。
[0027]进一步地，所述求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率采用阻尼牛顿法或迭代求解法。
[0028]进一步地，所述阻尼牛顿法求解估计方程的具体过程为：
[0029]①
将井下随钻微弱信号真实频率的估计方程作为初始值x
(0)
，并设定允许误差
ε；
[0030]②
计算初始值x
(0)
经过t次迭代后的值x
(t)
处的梯度g
t
和Hesse矩阵H
t
；
[0031]③
确定x
(t)
处的梯度g
t
是否满足设定的允许误差ε，若满足，则停止迭代，以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0；否则，进入步骤
④
；
[0032]④
从x
(0)
处出发，确定对应的最优步长λ0；
[0033]⑤
根据确定的最优步长λ0，更新迭代结果x
(1)
＝x
(0)
+λ0·
d
(0)
；
[0034]⑥
进入步骤
④
从x
(1)
处出发，经过t次迭代操作，得到最终的输出x
(t)
，并以x
(t)
为井下随钻微弱信号的真实频率f0。
[0035]第二方面，提供一种井下微弱信号检测系统，包括：
[0036]采样模块，用于对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱；
[0037]双谱峰模块，用于采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；
[0038]估计方程求解模块，用于求解井下随钻微弱信号真实频率的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种井下微弱信号检测方法，其特征在于，包括：对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱；采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程；求解井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，得到井下随钻微弱信号的真实频率。2.如权利要求1所述的一种井下微弱信号检测方法，其特征在于，所述对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，包括：对井下随钻微弱信号进行预处理，包括信号放大、模数转换和低通滤波；根据设定的信号采集数据长度，对预处理后的井下随钻微弱信号进行采样，得到井下随钻微弱信号的DFT幅度谱。3.如权利要求2所述的一种井下微弱信号检测方法，其特征在于，对预处理后的井下随钻微弱信号的0≤ω<π区间内进行采样，采样值X
r
(k)为：其中，为x(n)的幅度谱；k为采样点序号，且k＝0,1,
…
,N/2
‑
1，N为信号采集数据长度；f0为井下随钻微弱信号x(n)的数字频率；ω为角频率。4.如权利要求3所述的一种井下微弱信号检测方法，其特征在于，所述采用双谱峰搜索算法，根据井下随钻微弱信号的DFT幅度谱，搜索井下随钻微弱信号的频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程，包括：确定井下随钻微弱信号的DFT幅度谱X
k
(k)中最大值对应的频率序号k
max
，并将其作为第一个谱峰值；搜索DFT幅度谱X
k
(k)中与最大值相邻的次最大值对应的频率序号k
max0
，并将其作为第二个谱峰值；设定采样参数，并根据设定的采样参数以及第一个谱峰值和第二个谱峰值，得到条件约束方程；根据条件约束方程，重构井下随钻微弱信号的真实频率，得到井下随钻微弱信号真实频率的估计方程。5.如权利要求4所述的一种井下微弱信号检测方法，其特征在于，所述条件约束方程为：其中，X
r
(k
max
)、X
r
(k
max0
)分别为k＝k
max
和k＝k
max0
时得到的对应幅度谱强度；所述井下随钻微弱信号真实频率的估计方程为：
其中，f
s
为采样频率。6.如权利要求3所述的一种井下微弱信号检测方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中，吴怡，焦金刚，范白涛，幸雪松，谢仁军，张辉，曹旭东，张兴全，庞照宇，李军，
申请(专利权)人：中海油研究总院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：