專利名稱：用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油隨鉆測井領(lǐng)域，尤其涉及一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波 方法。
背景技術(shù)：
目前，在石油隨鉆測井領(lǐng)域中，常用的信號濾波是由硬件電路來完成，一般采用無 源濾波電路或者有源濾波電路，這種方法實(shí)現(xiàn)簡單。但現(xiàn)有的濾波技術(shù)中，當(dāng)應(yīng)用到隨鉆測井泥漿壓力脈沖信號時，由于其傳輸頻率 較低，與干擾源的頻率較為接近，這樣采用硬件濾波的方法來濾波的精度和效果都達(dá)不到 要求，同時在不同的環(huán)境下干擾信號類型不同，更改濾波的參數(shù)也很不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法，能夠提高對泥 漿脈沖信號濾波的精度，并能夠根據(jù)信號類型調(diào)整濾波參數(shù)，從而提高了井下儀器信號傳 輸?shù)臑V波效果。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法，所述方法包 括采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù)據(jù)；通過限幅平均濾波的方法，去掉波形中的尖脈沖噪聲；利用一種帶通數(shù)字濾波器算法，實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能，將低于信號頻率和高于信 號頻率的波形都去掉。所述利用一種低通數(shù)字濾波器算法，實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能，將低于信號頻率和高 于信號頻率的波形都去掉，具體包括首先將數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅立葉變換，再將濾波矩陣相乘；經(jīng)過快速傅立葉反變換取出實(shí)部并求模值，采用滑動平均值作為濾波輸出。由上述所提供的技術(shù)方案可以看出，所述方法首先采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù) 據(jù)；通過限幅平均濾波的方法，去掉波形中的尖脈沖噪聲；利用一種帶通數(shù)字濾波器算法， 通過帶通濾波的方法，將低于信號頻率和高于信號頻率的波形都去掉。通過該方法，可以有 效地消除噪聲對信號的干擾，并能夠根據(jù)信號類型調(diào)整濾波參數(shù)，從而提高了井下儀器信 號傳輸?shù)臑V波效果。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法的流程示意 圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供具體實(shí)例實(shí)現(xiàn)的仿真結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法，能夠提高對泥 漿脈沖信號濾波的精度，并能夠根據(jù)信號類型調(diào)整濾波參數(shù)，從而提高了井下儀器信號傳 輸?shù)臑V波效果。該用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法具體包括首先，采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù)據(jù)；通過限幅平均濾波的方法，去掉波形中的尖 脈沖噪聲；利用帶通數(shù)字濾波器算法，將信號頻率之外的波形都濾掉；為了使輸出的波形 結(jié)果更加平滑，對上一步的濾波結(jié)果使用加權(quán)遞推平均濾波的方法進(jìn)行處理。另外，在具體實(shí)現(xiàn)過程中，上述利用帶通數(shù)字濾波器算法，將信號頻率之外的波形 都濾掉的方法具體為首先將數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅立葉變換，再將濾波矩陣相乘；在經(jīng)過快速 傅立葉反變換取出實(shí)部，采用滑動平均值作為濾波輸出。數(shù)字濾波器的算法實(shí)現(xiàn)過程具體為根據(jù)采樣頻率和要求的信號分辨率，選擇N 個采樣點(diǎn)，得到一個Nxl階矩陣A ；對采樣點(diǎn)進(jìn)行快速傅立葉變換，得到頻域內(nèi)的相同個數(shù) 的點(diǎn)，存儲為Nxl階矩陣fftA ；根據(jù)設(shè)計要求的通帶頻率，選擇Nxl階傳遞函數(shù)矩陣H ;fftA 與H矩陣點(diǎn)乘后得到Nxl階矩陣Y ；對Y進(jìn)行快速傅立葉反變換，取實(shí)部。為更好的描述本發(fā)明實(shí)施方式，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明， 如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法的流程示意圖， 所述方法包括步驟11:采集數(shù)據(jù)在該步驟中，首先采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù)據(jù)。步驟12 對數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅平均濾波處理在該步驟中，通過限幅平均濾波的方法，去掉數(shù)據(jù)波形中的尖脈沖噪聲。具體實(shí)現(xiàn) 方法為根據(jù)信號幅度變化量，確定兩次采樣允許的最大偏差值為a，將每次采樣到的值和 前一次的值相比較，如果本次采樣值與上次采樣值之差小于或等于a，則本次值有效；如果 本次采樣值與上次采樣值之差大于a，則本次值無效，用上一次采樣值和下一次采樣值的平 均值替代本次值。步驟13 判斷是否達(dá)到N個采樣數(shù)據(jù)。在該步驟中，如何計算做FFT的點(diǎn)數(shù)N，也就是信號的采樣長度呢？需要根據(jù)要求 的頻率分辨率f來確定，所謂頻率分辨率就是能夠用FFT算法分析得到的兩個頻率之間的 最小間隔；要求的頻率分辨率為f，采樣頻率為fs，則N必須大于等于fs/f ；為了方便進(jìn)行 FFT運(yùn)算，通常取2的整數(shù)次方。此處的N個采樣數(shù)據(jù)是經(jīng)過步驟12處理的信號采樣點(diǎn)。步驟14 進(jìn)行FFT快速傅立葉變換在該步驟中，在判斷達(dá)到N個采樣數(shù)據(jù)之后，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT快速傅立葉變 換。這里進(jìn)行快速傅立葉變換的目的就是得到信號在頻域的值，也即信號的頻譜分布。N個 采樣點(diǎn)經(jīng)過FFT之后，可以得到N個復(fù)數(shù)；FFT結(jié)果的每一個點(diǎn)對應(yīng)一個頻率值，這個點(diǎn)的 模值，就是該頻率值下的幅度特性，將N個復(fù)數(shù)存入N*1階的矩陣A中。步驟15 濾波矩陣相乘。在該步驟中，將經(jīng)過快速傅立葉變換之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波矩陣相乘處理；根據(jù)信 號的頻率特性，設(shè)計濾波矩陣H。在FFT的濾波結(jié)果中，第N個復(fù)數(shù)點(diǎn)表示的頻率為Fn =(n-l)*Fs/N。分辨率為Fn所能達(dá)到的分辨率為Fs/N，由于FFT結(jié)果的對稱性，使用小于采 樣頻率一半的結(jié)果即可。建立一個與濾波結(jié)果大小相同的矩陣H，矩陣中的每一個元素將要 與濾波結(jié)果中的點(diǎn)對應(yīng)相乘，只需將要保留的頻率對應(yīng)在H中位置的元素設(shè)置為“ 1”，其他 頻率點(diǎn)對應(yīng)的位置設(shè)置為“0”。矩陣A與H按元素相乘得到一個結(jié)果為N*1階的矩陣B。步驟16 快速傅立葉反變換在該步驟中，對經(jīng)過上述步驟15處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉反變換，這里快速 傅里葉反變化的目的是實(shí)現(xiàn)信號從頻域到時域的還原。上述矩陣B經(jīng)過反變換后，得到的 一個N*1階矩陣Y，Y中的元素就是信號在時域內(nèi)的值，是一個復(fù)數(shù)，其模值表示信號的幅度 特性。步驟17 對上述數(shù)據(jù)求模值在該步驟中，對經(jīng)過快速傅立葉反變換的數(shù)據(jù)，求出每一個元素的模值，得到N*1 的矩陣Y2就是濾波輸出的結(jié)果。步驟18 采用滑動平均值作為濾波輸出在該步驟中，將采用滑動平均值的數(shù)據(jù)作為濾波輸出。具體來說，由于采用分段式 滑動濾波，每一段的開始和結(jié)尾處可能會導(dǎo)致時域內(nèi)波形的不連續(xù)，因此再采用滑動平均 值的算法做為濾波最終輸出的結(jié)果?；瑒悠骄档乃惴檫x用步驟17中的第1，2個點(diǎn)作 為P(l)，P(2)，之后P(n) = (P(n-l)+P(n-2)+Y2(n))/30即用前兩次的濾波結(jié)果與當(dāng)前要 輸出的Υ2中元素作平均值運(yùn)算作為輸出值。為更好的描述本發(fā)明實(shí)施例，現(xiàn)根據(jù)上述的處理步驟對其中的關(guān)鍵處理環(huán)節(jié)進(jìn)行 詳細(xì)描述，取示例進(jìn)行描述在進(jìn)行數(shù)據(jù)限幅平均濾波時，編碼語言為If Q (J) > 3*Q (J-I) Then//如果本次輸入值大于上一次輸入值的3倍Q(J) = (Q(J-l)+Q(J+l))/2 //取上一次和下一次輸入的平均值作為本次值End然后通過上文描述的數(shù)字濾波器算法，通過帶通濾波的方法，將低于信號頻率和 高于信號頻率的波形都去掉。其精確度可以達(dá)到0. 1Hz。具體實(shí)現(xiàn)的方法是確定信號的 頻率范圍，井下儀器目前的信號頻率大多在0. 5-1. OHz之間，而噪聲信號的頻率大多都高 于此頻率范圍，因此可以設(shè)計一個低通濾波器即可滿足要求。假設(shè)采樣頻率為20Hz，要求達(dá) 到的濾波分辨率為0. 1Hz，通帶截止頻率為IHz.則需要的濾波點(diǎn)數(shù)N >= 20/0. 1 = 200， 取N為2的整數(shù)次冪，N = 28 = 256。用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號的濾波過程Adc=2. 5 ；%信號的直流分量
Al ==1 ；%頻率Fl信號的幅度
Fl ==0. 5 ；%信號Fl的頻率
N =256 ；%采樣點(diǎn)數(shù)
fs ==20%采樣頻率
fp ==1 ；%通帶截止頻率
t =
%采樣時刻
X =Adc+Al*cos(2*pi*Fl*t) %波形信號
X =awgn(X，10)%加入噪聲
subplot (4,1，1) ；plot (X) ；title (，原始波形’ )%顯示原始的波形信號A = f f t (X) ；%做快速傅里葉變換 Y = abs (A) ；%取模Y = Y/(N/2) ；%換算成實(shí)際的幅度f = ([l:N]-l)*fs/N %換算成實(shí)際的頻率值subplot (4，1，2) ；plot (f (1 :N/2), fftA (1 :N/2)) ； %顯示計算后的模值結(jié)果title (’ 幅度-頻率圖’)；H = zeros (N, 1) %濾波矩陣m=fp*N/fs%計算通帶截止頻率在矩陣中的位置for i = l:mH(i) = 1%給將要保留的頻率在H中對應(yīng)的位置設(shè)置1endY = times (fftA, H) %按元素相乘Sl = ifft(Y)%快速傅里葉反變換S2 = abs (Si)%求模值subplot (4，1，3) ；plot (S2) %顯示濾波結(jié)果title (，濾波結(jié)果波形，)P(1)=S2(1)%初始化數(shù)組元素P (2) = S2(2)%初始化數(shù)組元素for i = 3:NP(i) = (P(i-l)+P(i_2)+S2(i))/3% 求滑動平均值endsubplot (4,1,4) ；plot (P) %顯示滑動平均濾波結(jié)果title (，滑動平均波形，)在具體實(shí)現(xiàn)中，上述的仿真結(jié)果如圖2所示。通過該方法，能有效地消除隨機(jī)噪聲對泥漿脈沖信號的干擾，并可以根據(jù)信號的 類型調(diào)整濾波器的參數(shù)，從而改善濾波的效果。而且輸出的信號在時域上具有連續(xù)的相位， 繪制的曲線較為平滑，可以提高信號的解碼成功率。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法，其特征在于，所述方法包括采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù)據(jù)；通過限幅平均濾波的方法，去掉波形中的尖脈沖噪聲；利用一個數(shù)字濾波器算法，通過帶通濾波的方法，將低于信號頻率和高于信號頻率的波形都去掉。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用一個數(shù)字濾波器算法，通過帶通濾 波的方法，將低于信號頻率和高于信號頻率的波形都去掉，具體包括首先將數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅立葉變換，再將濾波矩陣相乘； 再經(jīng)過快速傅立葉反變換取出實(shí)部并求模值，采用滑動平均值作為濾波輸出。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于井下儀器信號傳輸?shù)臄?shù)字濾波方法，所述方法首先采集需要進(jìn)行數(shù)字濾波的數(shù)據(jù)；通過限幅平均濾波的方法，去掉波形中的尖脈沖噪聲；利用一個數(shù)字濾波器算法，通過帶通濾波的方法，將低于信號頻率和高于信號頻率的波形都去掉。通過該方法，就能夠提高對泥漿脈沖信號濾波的精度，并能夠根據(jù)信號類型調(diào)整濾波參數(shù)，從而提高了井下儀器信號傳輸?shù)臑V波效果。
文檔編號H03H17/02GK101977033SQ201010539298
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者常永旺, 王小虎, 石峻峰 申請人:中天啟明石油技術(shù)有限公司