一种井间电磁波幅度与相位的计算方法

技术领域

本发明涉及矿场地球物理技术领域，尤其是涉及一种井间电磁波幅度与相位的计算方法。

背景技术

在井间电磁测井技术中，电磁发射器在井下发射电磁波穿透金属套管，信号严重衰减，又经过远距离地层的传输到达电磁接收器，信号又进一步衰减，这时信号已变得极其微弱，而且还夹杂着众多干扰信号。而且，经常这些干扰信号远远大于接收到的有用信号，如何准确提取这些需要被有效传输的电磁波信号的幅度与相位便直接影响到测量(井间电磁测井技术)的精度。

现有的幅度与相位提取方式是在井下利用互相关算法来进行提取，这种方法一旦提取完成，无论正确与否都是不可恢复的。另外，由于受限于井下高温、狭小空间和实时测量的限制，现有提取方法所提供的计算方法过于简单，计算的误差大、精度与准确度难以保证。

因此，现有技术需要提供一种用于计算井间电磁波幅度与相位的新方案，以解决上述一个或几个技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种井间电磁波幅度与相位的计算方法，包括：部署电磁发射机和电磁接收机，所述电磁发射机与所述电磁接收机之间按照预设的固定时间间隔通过同步信号互传方式来通讯；在发射同步信号的控制下，由发射机井下仪接收含有固定周期序号和发射频率信息的电磁发射指令以准备发射；在准备好接收时，由所述发射机井下仪发射指定频率的电磁波信号；在接收同步信号的控制下，接收并采集所述电磁波信号，计算所述电磁波信号的初始幅度和相位，并将其上传至接收地面机，以及存储所采集的当前电磁波信号的波形数据；由所述接收地面机读取不同固定周期的电磁波波形数据，并进行频谱分析，利用频谱分析结果对不同固定周期所计算的所述初始幅度和相位进行迭代校正。

优选地，在由发射机井下仪器接收含有固定周期序号和发射频率信息的电磁发射指令步骤中，还包括：在发射同步信号的控制下，由发射地面机向所述发射机井下仪发送所述电磁发射指令；所述发射地面机通过无线通讯网络向所述接收地面机发送当前固定周期启动的第一通知，其中，所述第一通知包含所述电磁发射指令；在所述接收同步信号的控制下，接收机井下仪接收所述接收地面机转发的所述第一通知，从而准备接收。

优选地，在计算所述电磁波信号的初始幅度和相位过程中，包括：对所述电磁波信号进行M*N次采样，确定相应的采样间隔，形成第一采样序列数据，其中，M表示采样周期，N表示单位采样周期的采样次数；获取所述接收同步信号对应的第二采样序列数据，并根据所述第一采样序列数据和所述第二采样序列数据，利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算所述初始幅度和相位。

优选地，按照如下表达式计算所述初始幅度和相位：

r(n)＝cos(2nπ/N)+jsin(2nπ/N)＝r

θ＝-arctg(b/a)

其中，r(n)表示所述第二采样序列数据，n表示序列序号，s

优选地，在计算所述电磁波信号的初始幅度和相位，并将其上传至接收地面机步骤中，还包括：在发射同步信号的控制下，由所述发射地面机向所述发射机井下仪发出停止发射电磁波的通知，同时向所述接收地面机发出停止接收电磁波的通知，以在接收同步信号的控制下由所述接收地面机将所述停止接收电磁波的通知发送至接收机井下仪。

优选地，在上传所述初始幅度和相位的同时，还将深度计数、发射和接收序数一同传输至所述接收地面机。

优选地，所存储的电磁波信号的波形数据包括控制头信息和电磁波数据，其中，所述控制头信息包括发射控制和接收控制，所述发射控制包括但不限于发射同步信号的序号、发射周期的序号和发射深度计数，所述接收控制包括但不限于接收深度计数、过采样计数和采样数，所述电磁波数据包括数字化的当前电磁波信号的原始波形序列数据。

优选地，在读取不同固定周期的电磁波波形数据，并进行频谱分析过程中，包括：确定每个电磁波信号的波形数据的发射主频带、主频率和工频及谐波干扰频率；根据所述工频及谐波干扰频率，对当前采集到的电磁波信号对应的第一采样序列数据进行自适应陷波滤波处理，基于此，结合所述主频率，对当前电磁波信号进行锁相放大处理；将完成锁相放大处理的第一采样序列数据作为新的接收信号，利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算二次幅度和相位；确定所述初始幅度和相位与所述二次幅度和相位之间的误差，并将计算用误差与预设的误差阈值进行比较，根据比较结果进一步对所述二次幅度和相位进行优化，然后将二次幅度和相位代替初始幅度和相位。

优选地，在所述计算用误差小于或等于所述误差阈值时，根据当前电磁波信号的波形数据对应的起始频率和截至频率，先对经锁相放大处理的第一采样序列数据进行指定带通滤波处理，再将经带通滤波处理后的第一采样序列数据作为新的接收信号，以利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算优化后的最终幅度和相位。

优选地，所述固定时间间隔对应的周期是同步信号周期的2

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明公开了一种井间电磁波幅度与相位的计算方法。该方法利用发射与接收电磁波的相关性，结合同步信号初步计算初始幅度和相位；然后在地面利用井下所存储的电磁波实时波形，对波形数据进行锁相放大与自适应陷波迭代修正处理，最后通过带通滤波器进而获取更加准确的最终幅度和相位信息。本发明所述的用于井间电磁测井的幅度和相位提取方案，兼顾了算法简单、结果准确且可靠的特点，便于实施，无需任何硬件设备的改造，完全适应井下高温、空间狭小和实时测量的场景。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法的步骤图。

图2是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法的具体流程示意图。

图3是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法中计算相应的初始幅度和相位信息的流程示意图。

图4是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法中对初始幅度和相位进行优化的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在井间电磁测井技术中，电磁发射器在井下发射电磁波穿透金属套管，信号严重衰减，又经过远距离地层的传输到达电磁接收器，信号又进一步衰减，这时信号已变得极其微弱，而且还夹杂着众多干扰信号。而且，经常这些干扰信号远远大于接收到的有用信号，如何准确提取这些需要被有效传输的电磁波信号的幅度与相位便直接影响到测量(井间电磁测井技术)的精度。

现有的幅度与相位提取方式是在井下利用互相关算法来进行提取，这种方法一旦提取完成，无论正确与否都是不可恢复的。另外，由于受限于井下高温、狭小空间和实时测量的限制，现有提取方法所提供的计算方法过于简单，计算的误差大、精度与准确度难以保证。

因此，为了解决上述技术问题，本申请提出了一种井间电磁波幅度与相位的计算方法。该方法包括：在由发射机井下仪发出针对当前固定周期的电磁波信号后，接收机井下仪接收当前电磁波信号；根据当前电磁波信号，并结合与接收机井下仪实时通讯连接的接收地面机之间互传的接收同步信号，提取当前电磁波信号中的初始幅度与相位信息，同时对当前电磁波信号的实时波形数据进行存储；最后，由接收地面机根据不同固定周期的实时波形数据对初始幅度与相位信息进行优化校正，从而得到准确的原始所发送的电磁波信号的幅度与相位信息。这样，本发明所公开的计算方法不仅能够计算出所需的准确的幅度与相位特征信息，还有利于对所发送的原始信号进行恢复。

图1是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法的步骤图。图2是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法的具体流程示意图。下面结合图1和图2，对本发明实施例所述的井间电磁波幅度与相位的计算方法(以下简称“幅度与相位计算方法”)进行说明。

步骤S110部署本发明实施例所述的幅度与相位计算方法的应用场景所需的电磁发射机和电磁接收机。在本发明实施例中，以电磁发射机为控制核心的起点，电磁发射机与电磁接收机可位于同一口井的不同井深位置处或分别位于两口井中。电磁发射机包括设置于地面的(电磁)发射地面机和设置于井下的发射(机)井下仪(器)，电磁接收机包括设置于地面的(电磁)接收地面机和设置于井下的接收(机)井下仪(器)。发射地面机与接收地面机通过同步机制进行周期性校对，一个校对周期记为一个固定周期，其中，保证发射与接收两者同步信号之间的误差小于50nS。在发射地面机与接收地面机之间的通讯是需要按照预设的固定时间间隔，来通过互传同步信号的方式而实现的。进一步，固定时间间隔对应的周期是同步信号周期的2

进一步，电磁发射机中的发射地面机与发射机井下仪之间通过对发射同步信号的互传来进行通讯，并且，电磁接收机中的接收地面机与接收机井下仪之间通过对接收同步信号的互传来进行通讯，从而分别在发射与接收的同步控制下进行内部通讯。

由此，在完成电磁发射机和电磁接收机的部署后，进入到步骤S120中。参考图1，步骤S120在发射同步信号的控制下，由发射机井下仪来接收含有固定周期序号和发射频率信息的电磁发射指令，以使得发射机井下仪准备发射。

在步骤S120中，参考图2，首先，在当前固定周期开始时，在发射同步信号的控制下，由发射地面机向发射机井下仪发送电磁发射指令。其中，电磁发射指令至少包含有如下信息：当前固定周期的序号、当前所需发射的电磁波信号的(指定)发射频率、发射同步信号所对应的数据序列、发射周期(与电磁波信号的发射频率所对应的周期)的序号等。在向发射机井下仪发送电磁发射指令的同时，发射地面机也会通过无线通讯网络向接收地面机发送当前固定周期启动的第一通知，并将该第一通知转发至接收及井下仪中。其中，当前第一通知包含电磁发射指令信息。

而后，在发射同步信号的控制下，发射机井下仪接收从发射地面机所发出的电磁发射指令，并获得当前电磁发射指令及其内部所包含的信息，以使得发射机井下仪准备进行电磁波的发射。与此同时，在接收同步信号的控制下，接收机井下仪接收从接收地面机处所发出的第一通知，并获得当前电磁发射指令及其内部所包含的信息，从而准备接收从发射机井下仪所发射的电磁波信号。

由此，在发射端和接收端的井下仪器均做好井下传输准备后，进入到步骤S130中。步骤S130在准备好井下传输所需的发射和接收时，由发射机井下仪发射指定发射频率的电磁波信号。在步骤S130中，在发射同步信号的控制下，发射机井下仪发射指定发射频率的电磁波信号，使得当前所发射的电磁波形进入地层或经过套管进入地层，以使得当前电磁波信号被接收机井下仪所接收，从而进入到步骤S140中。其中，发射机井下仪所发射的电磁波(发射)信号的波形利用如下表达式表示：

s(t)＝Vcos(ω

其中，s(t)表示井间电磁测量所需传输的电磁波信号(其中，s

步骤S140在接收同步信号的控制下，由接收机井下仪来接收并采集从发射机井下仪所发射的电磁波信号，计算当前电磁波信号的初始幅度和初始相位，在步骤S150中将当前计算的初始幅度和初始相位上传至接收地面机，以及在计算初始幅度和初始相位的同时，步骤S160还会同时对接收机井下仪所实时采集到的(针对当前固定周期的)电磁波信号的波形数据进行存储。

图3是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法中计算相应的初始幅度和相位信息的流程示意图。在步骤S140中，结合图2和图3，首先，在接收同步信号的控制下，接收机井下仪接收并采集电磁波信号。其中，在理论模型的支持下，所接收到的电磁波信号的波形利用如下表达式来表示：

s

其中，θ表示初始相位，Noise表示井下信号传输过程中的干扰信号(噪声信号)。进一步，接收机井下仪所实时接收到的接收同步信号的波形利用如下表达式表示：

r(t)＝cos(ω

其中，j表示虚数符号。在实际应用过程中，由于噪声信号Noise与被测接收信号s(t)不相关，但被测接收信号与接收同步信号的互相关函数为：

而后，由接收机井下仪将实时采集到的从发射机井下仪发出的电磁波信号进行数字化处理。具体地，对当前电磁波信号进行M*N次采样，确定相应的采样间隔t

接下来，获取第一采样序列数据和第二采样序列数据，并根据数字化后的实时采集的电磁波信号，利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算当前固定周期所实时采集的电磁波信号的初始幅度和初始相位。其中，第一采样序列数据和第二采样序列数据利用如下表达式表示：

s

r(n)＝cos(2nπ/N)+jsin(2nπ/N)＝r

其中，s

θ＝-arctg(b/a) (9)

这样，本发明实施例利用上述表达式(4)～表达式(9)针对当前固定周期计算出了井下所传输的电磁波信号的幅度和相位，得到初始幅度和初始相位，从而获得计算用的初始幅度和相位，进而进入到步骤S150中。

在步骤S150中，参考图2，在发射同步信号的控制下，由发射地面机向发射机井下仪发出停止发射电磁波信号的(第二)通知，同时，向接收地面机发出停止接收电磁波的(第三)通知，以由接收地面机在接收同步信号的控制下将当前第三通知发送至接收机井下仪。

然后，继续由发射地面机通过无线网络向接收地面机发出表征由接收地面机传输初始幅度和相位的(第四)通知，并在接收地面机接收到当前第四通知后，在接收同步信号的控制下，将当前第四通知发送至接收机井下仪。

而后，接收机井下仪在获得第四通知后，将所计算出的针对当前固定周期的初始幅度和初始相位传输至接收地面机。另外，接收机井下仪在上传初始幅度和相位的同时，还需将至少包括深度计数(电磁波信号的发射及接收过程中的深度统计数据)、发射和接收序数(指发射周期的序号和采样周期的序号)在内的基本特征信息连同初始幅度和相位一并传输至接收地面机。在接收地面机接收到当前固定周期的初始幅度和相位、以及基本特征信息后，一方面将所接受到的信息进行存储，同时，在接收同步信号的控制下，将当前所接收到的信息反馈至发射地面机。此时，在发射同步信号的控制下，发射地面机接收来自接收地面机所反馈的当前固定周期的初始幅度和相位、以及基本特征信息，并进行存储。

另外，在接收机井下仪计算当前固定周期的初始幅度和初始相位(步骤S140)的同时，接收机井下仪还会在步骤S160中，在接收同步信号的控制下，在实时接收并采集到的电磁波信号后，将所实时获得的电磁波信号的波形数据存储至内部的串行存储器中。在本发明实施例中，所存储的电磁波信号的波形数据包括：控制头信息和电磁波数据。其中，控制头信息包括：发射控制和接收控制。发射控制包括但不限于：发射同步信号的序号、发射周期的序号和发射深度计数(发射电磁波信号时的深度统计)。接收控制包括但不限于：接收深度计数(接收电磁波信号时的深度统计)、过采样计数(采样周期的序号)和采样数(已采样数据点的总数)。电磁波数据为数字化的当前电磁波信号的原始波形的序列数据(即第一采样序列数据)。

在完成针对当前固定周期的初始幅度与相位数据的计算和上传，并完成实时采集信息的本地存储后，当前固定周期结束，以完成针对当前固定周期的初始幅度和相位信息的测量任务。在由电磁发射机和电磁接收机同步进行对时后，进入到下一个固定周期(开启下一个固定周期的初始幅度和相位信息的测量任务)。由此，不断重复上述步骤S120～步骤S160，在完成所有固定周期的初始幅度和相位信息的测量后，进入到步骤S170中。

步骤S170由接收地面机读取不同固定周期的电磁波波形数据(电磁波信号的波形数据)，并进行频谱分析，利用频谱分析结果对不同固定周期所计算的初始幅度和初始相位信息进行迭代校正，从而针对每个固定周期均得到相应的(准确的)最终幅度和最终相位信息。

继续参考图2，在步骤S170中，通过接收地面机来读取接收机井下仪所实时存储的不同固定周期对应的电磁波信号的波形数据，并根据接收地面机已存储的基本特征信息和和电磁波信号的波形数据中的控制头信息，按照固定周期的序号，将接收地面机已存储的针对不同固定周期的初始幅度和相位信息、与电磁波信号的波形数据内的电磁波数据进行关联，从而将不同的固定周期对应的电磁波数据(第一采样序列数据)读取出来。

而后，对每个固定周期的第一采样序列数据进行频谱分析，针对每个固定周期确定出相应的频谱分析特征(频谱分析结果)。其中，频谱分析特征至少包括：发射主频带、主频率和工频及谐波干扰频率。最后，根据每个固定周期的频谱分析结果，对相应固定周期的初始幅度和相位信息进行优化校正，从而得到相应的最终幅度和最终相位信息。

由于每个固定周期的最终幅度和相位的计算过程均相同，因此本发明实施例仅以一个固定周期的计算流程为例对初始幅度和相位的优化校正过程进行说明。图4是本申请实施例的井间电磁波幅度与相位的计算方法中对初始幅度和相位进行优化的流程示意图。

参考图4，首先，设置校正优化过程所需的误差阈值。而后，根据当前固定周期的频谱分析结果中的工频及谐波干扰频率，对当前采集到的电磁波信号对应的第一采样序列数据进行自适应陷波滤波处理。其中，利用如下表达式进行自适应陷波滤波处理：

S’(T)＝NotchFilter(s(t)，F

其中，表达式(10)中的s(t)表示所输入的第一采样序列数据，F

S”(T)＝LockinFiIter(S’(T)，f

其中，f

在仪器信号接收过程中，由于井下接收仪器供电和空间均存在50Hz(接收)信号并且该信号谐波较大，而且分布不均匀，需要自适应陷波滤波提取贡献最大的几个工频干扰(比如：50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等)，然后进行指定频率限波压制，然而压制工频干扰的同时也会对有用信号有一定压制，这里的锁相放大就针对指定频率(有用信号)进行补偿放大，总体来说就是不断压制工频干扰的同时放大有用信号。

然后，将完成锁相放大处理的第一采样序列数据作为新的接收信号，利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算二次幅度和相位。具体地，将完成锁相放大处理的第一采样序列数据代入到上述表达式(4)～表达式(9)中的s

接着，在得到二次幅度V’和二次相位θ’后，进一步确定出初始幅度和相位与二次幅度和相位之间的(计算用)误差，并将当前得到的计算用误差与预设的误差阈值进行比较，根据比较结果，进一步对二次幅度V’和二次相位θ’进行优化处理，然后，利用计算出的二次幅度V’和二次相位θ’代替初始幅度和初始相位。

在一个实施例中，如果计算用误差小于或等于误差阈值，那么需要根据当前采集到的电磁波信号对应的第一采样序列数据的起始频率和截至频率，先对经锁相放大处理的第一采样序列数据进行指定带通滤波处理，再将经带通滤波处理后的第一采样序列数据作为新的接收信号，以利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算优化后的最终幅度和相位。

具体地，需要将上述起始频率和截至频率分别作为当前带通滤波的通带频率范围，以利用指定的通带频率范围，对经锁相放大处理的第一采样序列数据。其中，按照如下表达式进行指定带通滤波处理：

S”’(T)＝BandPassFiIter(S”(T),FreqS,FreqE) (12)

其中，S”’(T)表示所输出的经带通滤波处理后的第一采样序列数据，BandPassFiIter带通滤波所用的函数，FreqS表示上述起始频率、FreqE表示上述截止频率。

最后，参考图4，将完成带通滤波处理后的第一采样序列数据作为新的接收信号，利用接收信号与接收同步信号之间的互相关关系，计算最终幅度和相位。具体地，将完成带通滤波处理的第一采样序列数据代入到上述表达式(4)～表达式(9)中的s

在对实时采集到的量化波形序列进行带通滤波处理时，带通滤波处理会在前面确定幅度和相位的基础上，对电磁波波形进行指定带宽的滤波处理，进一步压制频带外无关的干扰与无用信号。

在另一个实施例中，如果计算用误差大于预设的误差阈值，那么自动进入自适应陷波滤波器处理，利用上述表达式(12)来计算出最终幅度和最终相位。由此，解决了在仪器信号接收过程中，仪器供电和空间存在50Hz信号并且该信号谐波的较大、而且分布不均匀的问题，需要自适应陷波滤波提取贡献最大的几个工频干扰，以进行限波压制。

本发明公开了一种井间电磁波幅度与相位的计算方法。该方法利用发射与接收电磁波的相关性，结合同步信号初步计算初始幅度和相位；然后在地面利用井下所存储的电磁波实时波形，对波形数据进行锁相放大与自适应陷波迭代修正处理，最后通过带通滤波器进而获取更加准确的最终幅度和相位信息。本发明所述的用于井间电磁测井的幅度和相位提取方案，兼顾了算法简单、结果准确且可靠的特点，便于实施，无需任何硬件设备的改造，完全适应井下高温、空间狭小和实时测量的场景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。