一种偶极子声波小信号处理装置 【技术领域】
本发明涉及测井小信号处理技术领域，具体来讲，涉及一种适合在井下高温恶劣环境中工作的偶极子声波小信号处理装置。
背景技术
1967年White最早提出偶极子声源能产生横波信号，并与1971年提出可以利用偶极子声源振动能直接激发弯曲波的道理实现横波速度测量的思想和建议。根据这一思想研制的交叉偶极阵列声波测井仪使得地层的固有各向异性和应力诱导各向异性检测成为可能，尤其是利用该类测井仪测量资料解决目前油田急需解决的套损预测问题成为新的研究热点。
由于现代石油开采中广泛使用的热力学方法以及地热勘察的需要，要求井下地球物理仪器能够在高温带来的高噪声环境下始终保证测量精度。
在交叉偶极阵列声波测井仪中，偶极子声波小信号处理装置用于为A/D采样电路提供优质的模拟信号，该部分电路的性能指标在很大程度上决定了整个信号采集与处理系统的测量精度和信号处理范围。为了提高测井仪器测量精度，必须提高偶极子声波小信号处理装置的噪声抑制能力并降低自身的噪声水平。
在现有技术中，使用保温瓶来保证偶极子声波小信号处理装置在高温高噪声环境中抑制噪声并减低自身的噪声，以保证测量精度，并稳定工作。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种噪声抑制能力强，且自身噪声水平低的适用于井下高温恶劣环境中工作的偶极子声波小信号处理装置。
为实现上述目的，本发明的偶极子声波小信号处理装置，其特征在于包括：
一逻辑控制模块；
一前置接收模块，用于接收前端井下声波换能器产生的一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号，并进行阻抗匹配，将高输出阻抗的一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号变成低输出阻抗一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号，并输出；
一X/Y方向选择模块，用于接收前置接收模块输出的一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号，在逻辑控制模块的控制下，选择X方向或Y方向的一对声波信号输出；
一差分放大模块，用于接收X/Y方向选择模块选出的一对X方向声波信号或Y方向声波信号进行高CMRR的差分定值放大，并输出偶极差分放大信号，实现双端转单端的功能，并抑制共模噪声；
一有源低通滤波器，用于接收差分放大模块输出的偶极差分放大信号，进行两阶有源低通滤波，初步去除高频噪声，从而形成一路偶极波信号；
一反向加法器，用于接收前置接收模块输出的一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号，并进行反向相加，从而形成一路单极波信号；
一单/偶极模式选择模块，用于接收低通滤波器输出的偶极波信号和反向加法器输出的单极波信号，在逻辑控制模块的控制下，选择偶极波信号或单极波信号输出；
一衰减网络和数控放大器，用于在逻辑控制模块控制下，将单/偶极模式选择模块的偶极波信号或单极波信号，进行衰减后放大，程控调节偶极波信号或单极波信号的增益；
一有源带通滤波器，用于接收衰减网络和数控放大器输出的程控增益调节后的偶极波信号或单极波信号，进一步滤除高频噪声；
一相位调节器，用于在逻辑控制模块的控制下，微调有源带通滤波器输出偶极波信号或单极波信号波形初相位，使其与其他通道的偶极子声波小信号处理装置输出的偶极子信号或单极子信号的相位关系，同输入时的声波信号与其他通道输入声波信号的相位关系保持一致。
本发明的发明目的是这样实现的：
针对交叉偶极阵列声波测井仪中，前端井下声波换能器产生的一对X方向声波信号和一对Y方向声波信号的噪声采取减噪措施，采用差分放大、有源低通滤波以及有源带通滤波电路的设计，以提高电路的噪声抑制能力，并降低自身的噪声水平，以尽量抑制电路内部的互扰和外来的干扰，使该偶极子声波小信号处理装置能在井下高温恶劣环境下稳定工作。
【附图说明】
图1是本发明偶极子声波小信号处理装置的一种具体实施方式原理框图；
图2是图1所示前置接收模块的一种具体实施方式电原理图；
图3是图1所示差分放大模块的一种具体实施方式电原理图；
图4是图1所示有源低通滤波器的一种具体实施方式电原理图；
图5是图1所示反向加法器的一种具体实施方式电原理图；
图6是图1所示衰减网路的一种具体实施方式电原理图；
图7是图1所示有源低通滤波器的一种具体实施方式电原理图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意地是，为了方便描述和说明，各模块的具体实施电路中的具体器件的标记有相同的，但他们位于不同的模块中，为不同的元器件。另外，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。
实施例
图1是本发明偶极子声波小信号处理装置的一种具体实施方式原理框图。
如图1所示，偶极子声波小信号处理装置包括逻辑控制模块1、前置接收模块2、X/Y方向选择模块3、差分放大模块4、有源低通滤波器5、反向加法器6、单/偶极模式选择模块7、衰减网络8、数控放大器9、有源带通滤波器10以及相位调节器11。其中，X/Y方向选择模块3、差分放大模块4、有源低通滤波器5组成偶极波模块，反向加法器6构成单极波模块。
1、前置接收模块
如图1所示，前端井下声波换能器12产生的一对X方向声波信号PX1、PX2和一对Y方向声波信号PY1、PY2输出到前置接收模块2，并进行阻抗匹配，将高输出阻抗的一对X方向声波信号PX1、PX2和一对Y方向声波信号PY1、PY2变成低输出阻抗一对X方向声波信号RX1、RX2和一对Y方向声波信号RY1、RY2，并输出。
在本实施例中，前置接收模块2包括四路相同的同相放大器AP1、AP2、AP3、AP4，分别对X方向声波信号PX1、PX2和Y方向声波信号PY1、PY2进行同相放大，将高输出阻抗声波信号PX1、PX2、PY1、PY2变成低输出阻抗的声波信号RX1、RX2、RY1、RY2。
如图2所示，在本实施例中，前置接收模块2中的同相放大器AP1(此处只画出了一路，其它三路相同，省略)由运算放大器U1A、电阻R1、R2、R3以及电容C1构成的。高输出阻抗的X方向声波信号PX1接运算放大器U1A的正输入端，电阻R1为匹配电阻，接到运算放大器U1A的正输入端与地之间，电阻R2一端接运算放大器U1A的负输入端，另一端通过隔直电容C1与地连接，电阻R3为反馈电阻，接运算放大器U1A负输入端与输出端之间。
在本实施例中，匹配电阻R1选用的5MΩ电阻，与前端井下声波换能器12进行匹配。前端井下声波换能器12输出的X方向声波信号PX1信号通过匹配电阻R1进入同相放大器AP1。在本实施中，所有阻容器件为高精度阻容器件，受温度影响小，且性能稳定，不易产生阻值和容量偏移。
在本实施例中，若将电阻R1、R2、R3以及电容C1视为理想元件，可得同相放大器AP1的输入和输出间的传递函数：
H(jω)=VOVi=1+jωC1(R2+R3)1+jωC1R2---(1)]]>
|H(jω)|=|1+jωC(R2+R3)1+jωCR2|=(ωC(R2+R3))2+1(ωCR2)2+1---(2)]]>
式(1)、(2)中，Vi、Vo为同相放大器AP1的输入输出电压值，ω为输入信号的角频率。
在本实施例中，令C1＝C、R2＝R3＝R，式(2)可等效转换为：
|H(jω)|==4(ωCR)2+1(ωCR)2+1---(3)]]>
改变R的值，将同相放大器AP1通频带内信号增益固定为2倍。
在本实施例中，前置接收模块2不仅能起到使单极波模块、偶极波模块和前端的接收换能器隔离的作用，同时还有信号放大作用。运算放大器的带宽有限，选用的OPA2725AID增益带宽积为20MHz，那么，增益越大，整个接收电路的带宽越小。设计中采用的增益为2，那么通频带大约为10MHz，这样也可以起到排除一些高频噪声的影响。
2、偶极波模块
如图1所示，偶极波模块包括X/Y方向选择模块3、差分放大模块4、有源低通滤波器5。
2.1、X/Y方向选择模块
如图1所示，X/Y方向选择模块3接收前置接收模块2输出的一对X方向声波信号RX1、RX2和一对Y方向声波信号RY1、RY2，在逻辑控制模块1的控制下，选择X方向一对声波信号RX1、RX2或Y方向的一对声波信号RY1、RY2输出。
在本实施例中，X/Y方向选择模块3采用集成了两组二选一模拟开关的多路选择器ADG659YRU构成。选择器的一组模拟开关接声波信号RX1、RY1，另一组模拟开关接声波信号RX2、RY2，选择器通过逻辑控制模块1的两根控制线同时控制两组模拟开关的选通，即第一组模拟选声波信号RX1、第二组选声波信号RX2或第一组模拟选声波信号RY1、第二组选声波信号RY2，这样实现了声波信号的X/Y方向选择。
2.2、差分放大模块
差分放大模块4接收X/Y方向选择模块3选出的一对X方向声波信号RX1、RX2或Y方向声波信号RY1、RY2进行高CMRR的差分定值放大，并输出偶极差分放大信号D1，实现双端转单端的功能，并抑制共模噪声。
在本实施例中，差分放大模块4的差分放大器U17采用低噪声军品器件仪用放大器AD8221ARM，减少信号调理过程中引入的观测噪声，通过外置增益调节电阻设置固定增益为34倍。
在本实施例中，如图3所示，差分放大模块4的差分放大器U17仪用放大器AD8221为8引脚的MSOP类型封装，引脚4、1分别为差分信号正负输入端，引脚2、3为增益调节抽头，接入合适的外部增益匹配电阻R3可改变仪用放大器AD8221的增益大小，引脚5、8为正负电源端，引脚6、7分别为地和信号输出端。图中电阻R1、R2为信号输入端分压电阻，X/Y方向选择模块3选出的一对X方向声波信号RX1、RX2或Y方向声波信号RY1、RY2分别通过电阻R1、R2接到仪用放大器AD8221的正负输入端，仪用放大器AD8221的正负输入端分别接有到地的电容C1、C2，电容C1、C2与电阻R1、R2分别构成一阶RC滤波器，可以滤除部分高频噪声。若将图3中的各个元器件视为理想元件，并运用理想运算放大器的虚短路和虚断路特性，可得输入Vi+、Vi-和输出Vo之间的关系式
Vo=(1+2R3RG)(Vi+-Vi-)---(1)]]>
其中电阻RG为仪用放大器内部增益调节电阻，由器件手册提供参数，电阻R3为外部增益匹配电阻，仪用放大器放大倍数的调节是固定电阻RG，改变电阻R3的值。
要特别说明的是，井下声系中的发射换能器是一系列性能相近的压电陶瓷传感器按一定方位角排列而成的，需要由仪器下方发射短节中的发射电路产生4000V高压脉冲来激励产生声波信号，因而，前端井下声波换能器12，即接收换能器在接收到微弱的首波信号之前，总会感应一部分高频噪声，并将此噪声传送到信号调理电路。为了抑制该干扰噪声，仪放AD8221前端的抗干扰低通滤波器的设计显得尤为重要。
2.3、有源低通滤波器
如图1所示，有源低通滤波器5接收差分放大模块4输出的偶极差分放大信号D1，进行两阶有源低通滤波，初步去除高频噪声，从而形成一路偶极波信号S1。
在本实施例中，如图4所示，有源低通滤波器5为典型二阶巴特沃兹结构低通滤波器。偶极差分放大信号D1接电阻R1的一端，电阻R1的另一端一方面通过接电阻R2、电容C1连接到地，另一方面通过串联的电阻R3、电阻R4连接放大器U11A的正端，放大器U11A的正端通过电容C3连接到地，放大器U11A为仪用放大器AD8221。电阻R3与电阻R4连接端通过电阻电容C2连接放大器U11A的输出端，放大器U11A的输出端与其负端相连接。这是一个典型的二阶巴特沃兹结构低通滤波器，其工作原理属于现有技术，在此不再赘述。
在理想状态下，有源低通滤波器5可等效为图4中(b)(c)所示的两种情况。其中，Vd、Vc分别表示输入信号中的差模分量和共模分量；Rd为下拉电阻，为仪用放大器的输入端提供偏流回路；RON+k、Cc、Cd为滤波器的可调参数，用于设置高端3dB截止频率。根据基尔霍夫电压定律和电流定律，差模和共模等效电路的传递函数可分别表示为
VoVd=Hd(jω)=11+jωRON+k(2Cd+Cc)---(2a)]]>
Vo1Vc=Vo2Vc=11+jωRON+kCc---(2b)]]>
若fHd和fHc分别表示低通滤波器的共模信号分量和差模信号分量的3dB高端截止频率，那么
fHd=12πRON+k(2Cd+Cc)---(3a)]]>
fHc=12πRON+kCc---(3b)]]>
由(3)式可知，阻容值大小共同决定滤波器的3dB带宽。一般情况下，固定电容值，通过调节电阻值来设置3dB截止频率。实际应用中，要合理地选择电容值，以避免电阻值过大或过小，表1是本实施例中低通滤波电路参数值表。
参数名 Rd/ΩRon+k/Ω Cc/nF Cd/pF 参数值 100K1K 47 220
以上图4中(b)(c)的等效电路及分析属于现有技术，在以上的描述中，主要是在描述二阶巴特沃兹结构低通滤波器的电路参数在本实施例中的参数数值的选择，以便所属技术领域的技术人员理解和实施。
3、单极波模块
如图1所示，单极波模块由反向加法器6构成。反向加法器6接收前置接收模块输出的一对X方向声波信号RX1、RX2和一对Y方向声波信号RY1、RY2，并进行反向相加，从而形成一路单极波信号S2。
在本实施例中，如图5所示，反向加法器6对前置接收模块2输出的四路信号，即X方向声波信号RX1、RX2、Y方向声波信号RY1、RY2相加，并在输入端采用一阶RC低通滤波，输出单极波信号S2。
如图5所示，R4、R5、R6、R7为四路信号RX1、RX2、RY1、RY2对应各路的叠加电阻，R8为负反馈电阻，R9为正端匹配电阻，R9＝R4//R5//R6//R7//R8，C2为运算放大器负端输入端滤波电容，对于阻容值的确定，在本实施例中，采用试验逼近的方法寻找适合的匹配，试验发现放大器负反馈电阻R8及加法器叠加电阻R4、R5、R6、R7选取100～200Ω时对来自井下换能器发射电路的充电噪声抑制效果明显。
4、单/偶极模式选择模块
如图1所示，单/偶极模式选择模块7接收低通滤波器5输出的偶极波信号S1和反向加法器6输出的单极波信号S2，在逻辑控制模块1的控制下，选择偶极波信号S1或单极波信号S2输出。
在本实施例中，单/偶极模式选择模块7采用二选一模拟开关ADG659YRU，其一个输入端接偶极波信号S1，另一个输入端接单极波信号S2，该模拟开关通过逻辑控制模块1的两根控制线控制信号的选通，即选择偶极波信号S1或选择单极波信号S2输出。
5、衰减网络和数控放大器
如图1所示，衰减网络8和数控放大器9组成增益控制电路，在逻辑控制模块1控制下，将单/偶极模式选择模块的偶极子信号S1或单极子信号S2，进行衰减后放大，程控调节偶极子信号或单极子信号的增益。
衰减网络8配合数控放大器9实现信号-21dB～72dB的增益控制范围。衰减网络8采用八个串联的高精度电阻配合八选一模拟开关可实现信号按3dB分压的-21dB～0dB增益衰减范围。数控放大器9由凌特公司生产的数控增益放大器LTC6911HMS-2构成，其包括有两个放大器，每个放大器由三位数控端控制，可实现按6dB步进的0～72dB的增益放大范围。
在本实施例中，如图6所示，衰减网络8包括串连的8个高精度电阻构成的电阻排U23以及八选一模拟开关U1组成。电阻排U23串连的8个高精度电阻，依次抽头将信号输送到八选一模拟开关U1中，八选一模拟开关U1为16引脚TSSOP封装，其中引脚1、2、4、5、12、13、14、15是信号输入端，引脚9、10、11为控制信号端，接来自逻辑控制模块1的控制信号AQ1、AQ2、AQ3，使其选择八路输入端S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的那一路作为输入。在电阻排U23串联的电阻连接处抽头，即在其16、15、14、13、12、11、10、9脚处引导信号进入八选一模拟开关U1的信号输入端S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8最多可实现8级增益控制，当步进设置为3dB时，对应的衰减为0dB、3dB、6dB、9dB、12dB、15dB、18dB、21dB，这样，八选一模拟开关U1的配合下，可以对输入的偶极波信号S1或单极波信号S2进行-21dB～0dB的增益控制。实际应用中的电阻排U23往往采用分立电阻元件来搭建，根据对增益控制精度的要求，选择不同材质、不同性能指标的电阻元件。若是要搭建高精度的电阻衰减网络，理论计算得到的阻值可能需要几个高精度的电阻拼凑而成，已知信号调理电路工作在高温环境下，为了确保可靠的增益精度，理想的分立电阻应具有一致的温度特性，这几乎不可能。在增益精度要求比较高的场合，可专门定制符合标准封装的、单片集成的、温度特性和电阻精度符合要求的电阻排，这种方法只有在研制高端精密仪器时才有可能采用。
6、有源带通滤波器
如图1所示，有源带通滤波器10接收衰减网络8和数控放大器9输出的程控增益调节后的偶极波信号S1或单极波信号S2，进一步滤除高频噪声。
在本实施例中，有源带通滤波器10是由低噪声的运放、模拟开关和一些容阻器件搭建而成的，可有效滤除随机高频噪声。有源带通滤波器10电路性能的好坏极大地反映了整个信号处理电路的通道一致性性能。若通道间波形在幅度和相位上有较大的差异，将很大程度上降低时差和首波到时等测量数据的精度。
在有源带通滤波波器10电路的器件筛选中，除了考虑一般的功能性指标外，着重衡量器件的耐高温、低噪声、低温漂、高精度等的特性。
在本实施例中，采用四阶巴特沃兹结构带通滤波器，并针对声波测井特点设置带宽为500Hz～23KHz。如图7所示，图7(a)为二阶高通滤波器，图7(b)为二阶低通滤波器，图7(c)为整个有源带通滤波模器的连接示意图，即两个高通和两个低通串联而成。图7(a)所示的二阶高通滤波器，图7(b)所示的二阶低通滤波器的连接关系、工作原理为现有技术，在此不再赘述。
若将图7(a)、7(b)中的运放和容阻器件视为理想元件，则可得单级结构的传递函数式(4)和式(5)，分别对应二阶高通滤波器和二阶低通滤波器：
HH(jω)=ω2C2R1R2(R3+R4)ω2C2R1R2R3-R3-jωC(2R1R3-R2R4)---(4)]]>
HL(jω)=R3+R4R3-ω2C2R1R2R3+jωC(R2R3-R1R4)---(5)]]>
为了简化设计，取(4)式中的R1＝R2＝RH，C＝CH，并令AH＝1+R3/R4，那么3dB截止角频率ωH＝1/(RHCH)；同理，取(5)式中的R1＝R2＝RL，C＝CL，并令AL＝1+R3/R4，那么，3dB截止角频率ωL＝1/(RLCL)，则式(4)和(5)可分别等效转换为：
HH(jω)=AH(jωH/ω)2+j(ωH/ω)(AH-3)+1---(6)]]>
HL(jω)=AL(jω/ωL)2+j(ω/ωL)(3-AL)+1---(7)]]>
滤波器3dB截止频率ωL和ωH及通带内的增益值AL和AH可独立进行调整；为了避免振荡，理论上AL和AH的值必须控制在[1，5]。根据滤波器的3dB带宽要求，分别选用0.1％精度和1％精度的耐高温，低温漂的电阻和电容，设置500Hz～23KHz带通滤波器，其参数值如表2所示，其中HP1、HP2分别代表第一级、第二级高通滤波器，LP1、LP2分别代表第一级低通滤波器、第二级低通滤波器。
表2
理论上分析，四阶带通滤波器幅频特性曲线在高低端方向上最终可实现-80dB/Dec的衰减特性，且开始处的位置取决于滤波器各个极点的位置，实际测试结果与仿真结果基本一致。
7、相位调节器
如图1所示，相位调节器11用于在逻辑控制模块1的控制下，微调有源带通滤波器输出偶极波信号S1或单极波信号S2波形初相位，使其与其他通道的偶极子声波小信号处理装置输出的偶极波信号或单极波信号的相位关系，同输入时的声波信号与其他通道输入声波信号的相位关系保持一致。
8、逻辑控制模块
在本实施例中，逻辑控制模块1由一些可级联的移位寄存器CD4094、带施密特触发功能的反向器74HC14等搭建而成，可通过100KHz的SPI总线接口获得CPU板的控制。
在实际运用中，前端井下声波换能器12可以输出多组，如8组，每组4路的X/Y方向声波信号对，都可以采用本发明的装置进行处理。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。