极子声波测井仪的事情性能，增强仪器的稳定性和数据传输能力，并办理旗子暗记滋扰等问题。
一、随钻四极子声波测井仪先容1.1仪器总体构造
随钻四极子声波测井仪紧张由两部分组成：地面掌握系统与井下电路。地面掌握系统包括前端处理单元和上位机等井上信息处理系统，井下电路包括主控电路、采集系统、发射系统和电源通信系统。其构造示意图如图1-1所示。
图1-1随钻四极子声波测井仪构造示意图
地面掌握系统紧张功能便是吸收井下测井仪器上传上来的泥浆脉冲旗子暗记，并将所有上传的信息集成汇总在上位机中，并通过泥浆脉冲下发干系指令。
由于泥浆脉冲传输速率的限定，井下测井仪器为多个别系组合事情，以是随钻四极子声波测井仪在作业中每个采集周期内只上传时差值至地面掌握系统之中，通过时差判断钻铤周围地层环境和仪器事情状况。
随钻四极子声波测井仪井下电路系统的核心是主控电路。主控电路与其他模块连接，卖力全体仪器采集周期流程的掌握；在作业前，主控电路通过Port口与上位机进行通信，吸收采集参数，使仪器采集模块和发射模块折衷有序进行作业；主控电路还卖力存储记录采集系统上传的声波数据，并对其进行时差算法打算处理，末了将处理之后得到的时差值通报给通信电源板，并由通信电源板上传至泥浆脉冲通信装置；主控电路卖力记录仪器各模块的实时事情状况。
通信电源板是随钻四极子声波测井仪与地面掌握系统沟通的桥梁，紧张功能分为两部分，第一是为仪器别的模块供应稳定的电源，其次是卖力将主控电路上传的数据实时通报给泥浆脉冲通信装置。
采集系统位于发射系统与主控电路之间，由四个通道组成，每个通道由1块采集掌握板和8块采集板组成，每块采集板上都装有一块采集声波换能器。采集系统卖力在发射系统发射声波旗子暗记之后，在主控电路掌握下进行声波旗子暗记的采集，并将采集旗子暗记进行带通滤波，末了将处理后的声波数据通过传输线发送给主控电路。采集系统在作业中还须要根据主控电路的命令进行自动增益掌握。
发射系统位于仪器的最下方，和采集系统共用一组传输线。其根据主控电路下发的采集模式码，在点火旗子暗记来临时根据采集模式码发射出不同频率的声波旗子暗记。
发射系统由一块发射掌握板、一块发射电源板、六块发射驱动板以及六块发射换能器构成，电源板卖力供应高压电源，掌握板卖力选择干系的发射模式，驱动板天生不同频率的声波旗子暗记并发送至换能器，终极由换能器引发声波旗子暗记。
根据发射系统所支持发射的频率，主控电路可以选择多种模式进行作业，详细的引发模式如表1-1所示。个中每种模式定义为一种Subcycle，一个周期内完成多种Subcycle，多个Subcycle的组合定义为一种Subset。
表1-1声波发射模式表
随钻四极子声波测井仪的整体机器构造由三部分组成：钻铤、隔声体和电路系统，整体构造如图1-2所示。钻铤整体是由特种钢制成，构成全体仪器的骨架，在强度和韧性方面均知足井下恶劣的事情环境；隔声体是一种哑铃状的、由多种材料组合而成的装置，可以防止发射换能器发出的声波旗子暗记直接延钻铤传播到采集系统当中，还有着耐高温、耐堕落的特性，隔声体的设计减小了钻铤波对声波数据的影响。
图1-2井下仪器整体机器构造示意图
电路系统在先容主控电路、采集系统和发射系统时已经进行过大略的描述，各块电路板在骨架上放置的位置如图1-2所示。设计中将隔声体以上的部分称之为上骨架，别的部分为下骨架。
主控电路与采集系统位于上骨架，设计将一块采集掌握板和8块采集板组合在一起，称之为一起，同一路上吸收换能器间隔半英尺均匀摆放，采集系统共由四路组成，每两路之间成90度角固定摆放，用来吸收四个方位的声波数据。
下骨架包含发射系统，其关键在于发射换能器的摆放。单极子发射阵列由两块半圆形换能器组成，四极子声波发射阵列由四块四分之一圆形换能器组成，可以根据不同特性来发射不同方位的声波旗子暗记。
1.2仪器事情事理
随钻四极子声波测井仪基本事情事理是通过丈量发射声波旗子暗记的回波在一起采集板上不同换能器之间的延时，判断目前地层的慢度值，进而判断地层信息情形。
图1-3随钻四极子声波测井仪的测井事理图
仪器的作业过程如图1-3所示。井下仪器在上电事情后，主控电路通过上位机得到作业哀求的采集参数，之后按照相应的采集模式在每个采集周期内掌握发射模块发送1到8次点火旗子暗记，每次点火旗子暗记相隔韶光同等，并在每次下发点火旗子暗记固定时间后掌握采集系统进行采集。
发射系统按照不同的模式发射不同频率不同极性的声波旗子暗记。采集系统在采集到声波旗子暗记后，会通过仿照滤波器对数据进行带通滤波处理，之后将声波全波列数据发送到主控电路。主控电路一样平常情形下将四路采集数据进行合并处理，在每一个高度点只保留一组数据，末了将不同高度的八组数据进行时差打算，按照时差处理算法得到的慢度值来表示当前地层信息。
末了将声波全波列数据存储在主控电路之中，在仪器出井后通过上位机再次进行处理。声波全波列是指采集系统在作业中所网络到的所有频段的声波旗子暗记，比较明显的有纵波、横波和斯通利波。纵波旗子暗记传输方向是平行的，以是能够首先被采集系统采集到，然后是与纵波相位相反的横波旗子暗记，斯通利波是低脉冲勉励产生，以是末了被采集到。全波列声波波形图如图1-4所示。
图 1-4 全波列声波波形图
从图1-4中可以看出，纵波由于速率最快，最先达到采集模块。时差处理算法便是利用纵波在不同高度采集板中相差有序的到时，打算出相应的慢度值。
慢度值指的是声波速率的倒数，声波在不同物质中传播速率不同，以是其慢度值同样可以表示相应的地层信息，随钻四极子声波测井仪便是基于此事理，通过打算得到不同的慢度值来剖析地层信息。
1.3仪器事情流程
仪器不才井前要进行一些准备事情，包括擦除已经存储区域、下发采集参数表和设置井下采集模式等；仪器不才井进入到规定事情区域后，通过配套的涡发装置进行供电，各个模块开始作业；主控电路按照设置好的采集参数，有序掌握作业；仪用具体事情流程图如图1-5所示。
主控电路首先要进行上电初始化操作，对外设和系统参数进行初始化；仪器在一定韶光之后，开始采集使能，选择设置好的采集模式和参数；为了确保仪器各个模块的事情状态，主控电路对采集系统和发射系统握手，并在握手成功之后将采集参数发送到干系模块；主控电路通过点火旗子暗记掌握发射系统发射一定次数的声波旗子暗记，并在每一次点火的一定韶光后，掌握采集模块开始采集；主控电路通过查询命令判断采集系统是否准备好发送声波旗子暗记，之后通过收数指令掌握采集系统将声波数据上传；主控电路须要对波形数据进行处理，包括归一化以及不同模式的运算处理；末了数据进行时差算法处理，将声波数据与时差数据存储进存储模块。
图1-5仪器事情流程图
流程实行完毕后，仪器判断此时subset状态决定连续下一个subcycle还是开始新的采集周期。在握手、查询以及收数阶段，如果仪器涌现缺点，须要判断是否对全体事情流程产生无法掌握的影响，再决定是否重新开始全体流程。
二、随钻四极子声波测井仪主控电路设计关键技能简介2.1主控电路先容
在随钻四极子声波测井仪中，主控板须要通过与各模块的通信实现全体仪器事情的掌握，此外还须要额外进行其他核心事情，比如声波数据的处理与存储，温度等赞助信息的丈量以及通过时差处理算法打算慢度值等，所以是仪器中最为主要的部分。仪器井下主控电路板总体设计如图1-6所示。
图1-6主控电路设计框图
主控电路板紧张分为六大模块，分别是电源模块、DSP处理器模块、外扩SARAM存储模块、通讯模块、赞助信息丈量模块和大规模存储模块。
个中，电源模块卖力为电路板中处理器和其他芯片供应适用且稳定的电压；DSP处理器模块选用TMS320F28335芯片，通过对外设的充分利用设计出其他延伸模块，并利用其浮点型处理器特性对声波数据进行高效的处理；外扩SARAM存储模块是为了存放波形处理以及时差算法打算时产生的大型数组；通讯模块由三路SCI模块组成，均利用RS485协议与采集系统、发射系统、上位机以及中控系统进行通信；赞助信息丈量模块利用一款支持I2C协议的测温芯片，将实时温度数据存储在处理器之中；存储模块卖力将井下声波数据等安全记录下来。
2.2井下大规模存储模块设计的必要性
井下仪器与地面平台之间极低的通信效率一贯制约着测井技能的发展。两者进行数据传输的办法分为两种，分别是有线传输和无线传输。有线传输每每运用在电缆测井作业中，不能适用于随钻测井作业环境。无线传输中一样平常利用泥浆脉冲的办法进行通信。
泥浆脉冲通信的事理是首先将所传数据进行编码，之后经由电路驱动，产生携带着信息的泥浆脉冲，地面系统接管并解压泥浆脉冲旗子暗记，从而实现数据传输。
这种通信办法目前已经极为成熟，传输可靠性较高，传输间隔较远，并且本钱较低，唯一的缺陷便是传输速率过慢，经由多年的发展，其速率仍旧未能打破10bit/s。随钻四极子声波测井仪中同样利用泥浆脉冲与地面系统通信，不过只能将时差数据进行实时上传，通过时差数据是否变革判断仪器的实时事情状态。
正是由于泥浆脉冲传输效率低，无法将声波数据实时上传至地面，并且仪器在井下作业中会产生极大的数据量，以是须要设计一种大规模存储模块，将测井数据保存个中。
首先剖析井下存储数据的总量，采集模块是由四路采集掌握电路组成，每一起配有一块采集掌握板和8块采集板，每块采集板都有与之对应的采集换能器，四路采集电路等高度摆放，每个高度点都存在4块采集板，一共有8个高度点。
在采集流程中，采集系统在发射系统发生发火声波一定韶光后进行对声波旗子暗记的采集，每一个采集换能器都会采集到的256个16位整型数据，以是一起中会产生4096字节数据。
须要把稳的是，在一次事情周期内每每会进行连续8次的发射和采集，但是这样做只是为了提高采集数据的准确度，在采集板中就会将数据进行合并处理，并不会全部通报给主控电路。
4路采集电路在采集完成后，分别将4096字节的声波数据通报给主控电路，主控板对数据进行处理，一样平常在每个高度点只留下一组数据，以是处理后的波形数据一样平常只剩下4096字节。
为了方便井上对数据进行剖析。还须要将系统韶光和状态、采集参数、仪器状态一并存入存储阵列中，个中采集参数包括采集模式、采样率、增益值、采样间隔等参数，系统状态包括井下时差处理后的时差数据，仪器状态包括采集模块与发射模块的实时事情情形，这些共计824字节，即一样平常情形下一种采集模式终极存储的数据量为5120字节，在本设计中将这个数据量称之为一包。
方位单极子模式比较分外，须要分别记录四个方位的数据，不会对四路旗子暗记进行合并，以是一次方位单极子模式需存储的数据量是正常模式的4倍。
仪器常用的采集模式有单极子、四极子以及方位单极子模式。在单次采集周期里常常须要选择多种模式进行稠浊采集，末了通过不同模式数据相互比对来得到更准确的结果。
测试中单次采集周期内最少选择1次模式，一样平常最多选择包括方位单极子在内的三种模式；以是1次采集周期中产生的最小数据量为一包，最多产生6包。
仪器须要的最大数据存储量通过公式(1-1)进行打算:
(1-1)
个中Datastorage代表存储的数据总量，TA代表仪器作业韶光，TC代表单个采集周期韶光，A表示在单个采集周期中采集模式须要存储的数据包数，选择最大值进行打算。
目前，采集周期一样平常设置为10s，在每个采集周期中最多3种采集模式的采集，个中包括方位单极子模式，共须要存储6包数据，一次事情时长最长为四天旁边。按照以上参数，仪器一次作业须要存储的最大数据量约为8Gb。
在每次作业中，事情日志等赞助信息同样须要进行存储，不过并不须要占用太多的空间。经由综合考虑，将大规模存储模块总容量设计为9Gb，足够知足一样平常作业的需求。
确定容量之后，还要根据数据总量和作业条件选择得当的存储芯片，并制订声波数据的存储格式和存取逻辑。为了提高井下存储效率，还须要在系统中设计合理的存取驱动函数，将波形数据与赞助信息的分区域存取。在上位机读取数据时，设计不同的读取操作，以及改换波特率读取等分外功能，增加仪器的灵巧性；由于井下系统在事情中可能涌现供电不稳的问题，还须要针对存储地址设计定位算法来保护以前的声波数据不被覆盖。
对仪器作业整体时序进行剖析，在数据处理之后，有大约200ms的韶光用于存储数据，一次存储的最大数据量为30720字节，为了不影响仪器作业，终极数据读写时的波特率应大于2Mbps。
2.3井下实时滤波模块设计的必要性
在测井作业中，发射换能器在高压下引发声波旗子暗记时，会对采集模块产生高压脉冲冲击，再加上仪器作业时自身噪声造成的影响，可能使采集到的声波旗子暗记涌现偏离基线的征象，由此引发自动增益失落效、信噪比过低等一系列的问题，造成测井数据后期处理偏差较大。
从测井声波记录文件中提取几组采样周期为20μs的单极全波声波进行剖析，干系单极子波形如图1-7所示。可以看出，图1-7中(I)和(II)中采集到的单极子声波旗子暗记的前部均受到一段强噪声的影响，使旗子暗记一开始就涌现了偏离基线的征象，后续的数据处理中很难找到首波开始旗子暗记，影响采集系统的自动增益功能，导致不能准确不雅观测到后续声波细节；其余，噪声的能量过大也会对阵列声波旗子暗记干系性打算造成不利的影响。
以是，设计中首先须要选用一种易于实现的滤波算法减小高压脉冲旗子暗记对前部旗子暗记的影响，之后对不同频段的噪声旗子暗记进行带通滤波，使阻带衰减大于50dB，并且须要将滤波器移植进DSP处理器之中，通过代码优化减少运行电子科技大学硕士学位论文韶光，避免影响仪器整体事情流程。
在仪器作业周期中，实时滤波功能利用在数据处理与数据存储之间，个中有近50ms的韶光余量，在此韶光内最多须要对六次8路旗子暗记进行滤波，以是须要在担保测井旗子暗记质量的条件下，将单通道滤波功能运行韶光降落至1ms以下。
图1-7受到不同程度滋扰的测井旗子暗记
2.4以太网通信模块设计的必要性
主控电路利用基于SCI协议的PORT口对数据进行传输，传输速率被DSP芯片性能和传输间隔所限定。按照目前主控电路的传输性能，将数据全部读取须要3到4个小时，这样不仅降落了作业的效率，还增加了作业的本钱和风险。
以是在主控电路的根本上，增加以太网传输模块，通过高速稳定的以太网传输，提升仪器的数据传输能力。但是在主控电路中，TMS320F28335处理器外设资源利用率太高，无法供应足够的资源设计以太网模块，以是经由综合考虑，采取新款的TMS320F28388D芯片为主控电路核心处理器，通过其丰富的外设资源，在知足原主控电路设计的同时，扩展出新的以太网传输功能，实现对主控电路传输能力的升级，设计总体框图如图1-8所示。
图1-8以太网通信电路设计框图
在设计中，首先根据DSP芯片的外设情形设计出以太网接口电路，之后将LwIP协议栈移植进处理器之中，并在其根本上建立UDP做事器，通过UDP协议将数据发送至上位机之中，考虑到设计中须要将数据首先从外扩Flash芯片中读取进CPU核，再将数据转移至掌握以太网模块的CM核，结合各个模块的传输速率，以太网功能模块总体传输速率该当大于20Mbps，丢包率该当小于0.5%。
总结本文对随钻四极子声波测井仪的构造和功能进行解释，并详细阐述了主控电 路中大规模存储模块、实时数字滤波功能和以太网通信模块三种关键技能的研究和实现过程。
