利用自適應濾波算法消除泥漿脈衝信號中的泵衝噪聲的方法與流程
2023-06-25 18:53:56
本發明涉及消除隨鑽測井中泵衝噪聲的技術領域，特別涉及一種利用自適應濾波算法消除泥漿脈衝信號中的泵衝噪聲的方法。
背景技術：
在以泥漿為介質的無線隨鑽測量系統中，井下信息以泥漿壓力信號的方式傳輸到地面，地面系統再對這些信號進行分析與處理，最終獲取施工所需的定向數據、地層信息和鑽井參數等各種信息。由於現場鑽井高溫、高壓、強震動、長距離傳輸等因素的影響，井口泥漿壓力傳感器檢測到的信號既包括原始的脈衝序列信號，也夾雜著各種機械震動引起的大量高強度的噪聲信號，隨著鑽井深度的增加，信號衰減增大，檢測到的信號變弱，這直接影響信號恢復結果的正確性及可靠性，因此泥漿脈衝信號的去噪問題對於最終脈衝解碼極為關鍵。
目前隨鑽測量系統中對泥漿脈衝信號常用的處理方法有：基於傅立葉變換的去噪方法、FIR濾波方法、基於小波變換的去噪方法和自適應濾波去噪方法。
基於傅立葉變換的去噪方法適用於平穩信號，不能有效區分信號的高頻部分和噪聲的高頻部分，對頻率隨時間變化的非平穩信號處理效果不好；FIR濾波器系統穩定且具有嚴格的線性相位，實時性好，但這兩種去噪方法在處理泥漿脈衝信號時可能丟失部分有用信號；小波變換方法是傅立葉思想的發展，它在時域和頻域同時具有良好的局部特性；但小波變換需要預先分析泥漿脈衝信號的特性並據此來設置小波參數，且對不同信號、不同信噪比的信號去噪都需確定其去噪效果最好的分解層數。自適應濾波器不需事先獲取噪聲幹擾信息就能自動調整濾波係數跟隨有用信號實現最優濾波，不需針對不同信噪比信號特別設置參數，能應用於各種環境下泥漿脈衝信號去噪處理，操作簡便，適用範圍廣。
由於現場鑽井條件的影響，信號在傳輸過程中受到許多噪聲的幹擾，如泵噪聲、鑽井噪聲、脈衝噪聲、反射信號等，導致地面解碼系統採集到的壓力波信號幅值小、夾雜的噪聲大。從壓力傳感器採集的原始信號中包含了有用信號及幅度較大的低頻分量噪聲和高頻分量噪聲。噪聲及幹擾的主要來源是泵衝噪聲和振動噪聲。在鑽井測量系統中，泵衝噪聲由一個或多個泵產生，它具有周期性，而且比傳輸信號具有更高的能量。此外由於泵衝噪聲幅度可能會發生變化，其頻譜值通常會「延伸」至信號頻譜範圍。因此，採集泥漿脈衝壓力信號中噪聲強且分布廣，雖然噪聲幹擾中的白噪聲以及高頻噪聲信號可以通過一個低通濾波器濾除，但是其泵衝噪聲具有能量高、周期性、與原始信號頻譜重疊等特點，且不能預知噪聲隨時間的統計特性。傳統的數字濾波器有固定的權係數，其設計階數在濾波過程中保持不變，在沒有充足的噪聲幹擾信息情況下設計的數字濾波器，不能有效地實現噪聲消除或是可能消除掉有效信息。自適應濾波器不需要預知輸入信號和噪聲的統計特性，利用前一時刻已獲得的濾波器參數的結果，自動的調節現時刻的濾波器參數，以適應信號和噪聲未知的或隨時間變化的統計特性，從而實現最優濾波，因此最好採用自適應濾波技術恢復原始信息。
根據泥漿脈衝信號特性，自適應噪聲抵消器常見的參考信號為待處理信號的延時信號，主通道輸入信號為待處理的信號，由於自適應噪聲抵消器的主輸入通道信號與參考信號關於有用信號具有相關性，這使這種濾波方式存在明顯缺陷：在抵消噪聲幹擾的同時也抵消掉了部分有用信號，而且信噪比越大，抵消越嚴重，這使處理後泥漿脈衝信號幅值降低，有用信號部分丟失，濾波系統收斂困難，對後續解碼極為不利，嚴重影響了自適應濾波器的濾波性能。
自適應噪聲抵消器存在的這些缺陷使得它本身的優勢並未充分發揮，因此，亟需提供一種解決方案來解決上述問題，使得自適應濾波器優勢發揮到最大，濾波效果最優，提高濾波可靠性，降低隨鑽測量通信的誤碼率。
技術實現要素：
為了克服在隨鑽測量系統中對泥漿脈衝信號處理的現有技術中的缺陷，充分利用自適應濾波技術的優勢，保證濾波效果，提高濾波性能，降低隨鑽測量通信的誤碼率，本發明針對採集的泥漿脈衝信號噪聲強度大且不可測的特點，以消除隨鑽測量系統中泵衝噪聲的同時保護有用信號為目的，提出利用自適應濾波算法消除泥漿脈衝信號中的泵衝噪聲的方法，此方法能有效克服有用信號被抵消的缺陷，保證濾波的可靠性和準確性，使得自適應濾波器的優勢發揮到最大，濾波效果達到最優，此方法操作簡單，濾波可靠且適用性強，對提高泥漿脈衝信號的信噪比，降低隨鑽測量通信的誤碼率，具有較高的實用價值。
為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種利用自適應濾波算法消除泥漿脈衝信號中的泵衝噪聲的方法，運用自適應陷波器、自適應噪聲抵消器和FIR低通濾波器三個濾波進行濾波處理，具體包括下述步驟：
(1)運用自適應陷波器濾除原始信號中的有用信號；
(2)運用自適應噪聲抵消器主通道輸入原始信號，參考信號為濾除有用信號的原始信號的延時信號，根據LMS準則其輸出的誤差信號為濾除泵衝噪聲的原始信號；
(3)將自適應噪聲抵消器的輸出信號運用FIR低通濾波器濾除高頻噪聲，完成濾波。
作為優選的技術方案，所述原始信號為採集的泥漿脈衝信號，記為，此信號中包括有用信號、泵衝噪聲、振動噪聲和鑽頭噪聲。
作為優選的技術方案，步驟(1)中，運用自適應陷波器濾除原始信號中的有用信號的方法為：
自適應陷波器的主通道輸入為原始信號y(n)的延時信號，參考通道輸入與有用信號頻率相同的正弦信號x(n)，則自適應陷波器輸出為不含有用信號的原始信號的延時信號，以此作為自適應噪聲抵消器的參考信號。
作為優選的技術方案，步驟(1)中，運用自適應陷波器濾除原始信號中的有用信號的方法為：
自適應陷波器主通道輸入為原始信號，參考通道輸入為與有用信號頻率相同的正弦信號x(n)，其輸出為不含有用信號的原始信號，此信號再經延時後作為自適應噪聲抵消器的參考信號。
作為優選的技術方案，步驟(1)中，
所述自適應陷波器的主通道輸入信號為受單頻幹擾的信號，表示為d(n)＝s(n)+c cos(ω0+θ)，式中c為正弦幹擾幅度，ω0為幹擾頻率；參考端為單頻正弦信號其相位與正弦幹擾信號的相位不同，但頻率一樣，參考信號進入參考通道將送至x1和x2端，x2為參考輸入經過90°相移後的信號，其目的是獲得w1和w2兩個權係數，即兩個自由度，使組合後的正弦波振幅和相角都可與主通道輸入中幹擾分量的相角相同。
作為優選的技術方案，兩個權係數w1和w2由自適應線性組合器通過LMS算法調整輸出，通過自適應調整，使權係數達到最佳值和最終濾波器的輸出e(n)即是對s(n)的最佳估計。
作為優選的技術方案，步驟(2)中，根據LMS準則其輸出的誤差信號為濾除泵衝噪聲的原始信號的方法為：
設置濾波器階數M和收斂因子μ，然後初始化權值，令w(0)＝0或由先驗知識確定，最後結合公式(1)～(3)進行運算：
wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)vi(n) (3)
其中，w(n)為抽頭係數，vi(n)為參考信號，s(n)為有用信號，v0(n)為包括泵衝噪聲、振動噪聲和鑽頭噪聲的噪聲幹擾，為自適應陷波器或自適應噪聲抵消器的輸出信號，e(n)為自適應陷波器或自適應噪聲抵消器的輸出信號，M濾波器階數，μ為收斂因子。
作為優選的技術方案，步驟(3)中，所述自適應噪聲抵消器的輸出信號為濾除泵衝噪聲的原始信號，此信號中還包含與有用信號頻率相差較遠高頻噪聲，運用FIR低通濾波器濾除高頻噪聲，完成濾波。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
(1)根據泥漿壓力脈衝信號的特點，提出一種自適應陷波器和自適應噪聲抵消器根據LMS準則的自適應濾波算法配合去噪的方法，該方法無需預知噪聲幹擾信息和設計複雜濾波器，便可有效消除泵衝噪聲，克服線性濾波器很難實現泵衝噪聲消除的問題，以及單採用自適應噪聲抵消器時系統難收斂，濾波後有用信號被部分抵消的缺陷，保證了濾波的可靠性和準確性，使得自適應濾波器的優勢發揮到最大，濾波效果達到最優。
(2)本發明可應用於石油隨鑽測量系統中泥漿脈衝信號的去噪處理，在保護有用信號不被抵消的前提下實現有效濾波，操作簡單，濾波可靠，在泥漿脈衝信號處理中具有通用性，對提高泥漿脈衝信號的信噪比，降低隨鑽測量通信的誤碼率，具有較高的實用價值。
附圖說明
圖1為本發明泥漿脈衝信號去噪流程圖1；
圖2為本發明泥漿脈衝信號去噪流程圖2；
圖3為本發明自適應陷波器結構圖。
圖1、2中y(n)為原始信號，x(n)為與有用信號頻率相同的正弦信號，vi(n)為自適應噪聲抵消器的參考信號，e(n)為自適應噪聲抵消器的輸出信號，y0(n)為經過FIR低通濾波器後的輸出信號；
圖3中s(n)+c cos(ω0+θ)為受單頻幹擾的信號，ω0為幹擾頻率，c為單頻幹擾幅度，θ為單頻幹擾相位，w1和w2為自適應陷波器參考通道的兩個權係數，e(n)為最終濾波器的輸出。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
本實施例所述的利用自適應濾波算法消除泥漿脈衝信號中泵衝噪聲的方法，主要包括自適應陷波器、自適應噪聲抵消器和FIR低通濾波器三個濾波步驟，假設有用信號頻率為0.5Hz。具體實施步驟為：
(1)採集的泥漿脈衝信號記為原始信號y(n)，此信號中包括有用信號、泵衝噪聲、振動噪聲和鑽頭噪聲。
(2)自適應陷波器有兩種方式實現其功能：第一種如圖1所示，主通道輸入原始信號y(n)的延時信號，參考通道輸入x(n)＝sin(2*π*0.5)，則自適應陷波器輸出為不含有用信號的原始信號的延時信號，此信號將直接作為自適應噪聲抵消器的參考信號vi(n)輸入到自適應噪聲抵消器的參考通道；第二種如圖2所示，主通道輸入原始信號y(n)，參考通道輸入x(n)＝sin(2*π*0.5），則自適應陷波器輸出為不含有用信號的原始信號，將此信號進過延時後得到自適應噪聲抵消器的參考信號vi(n)。
(3)自適應噪聲抵消器中主通道輸入為原始信號y(n)，參考通道輸入由上步得到的自適應噪聲抵消器的參考信號vi(n)，根據LMS準則，自適應噪聲抵消器不斷調整濾波器係數，使其輸出e(n)為濾除了泵衝噪聲的原始信號。
(4)將自適應噪聲抵消器的輸出信號e(n)通過FIR低通濾波器濾除高頻噪聲得到濾波的最終信號y0(n)，完成濾波。
以上所述的自適應陷波器的結構圖如圖3所示，其中主通道輸入信號為受單頻幹擾的信號，可表示為d(n)＝s(n)+c cos(ω0+θ)，式中c為正弦幹擾幅度，ω0為幹擾頻率；參考端為單頻正弦信號其相位與正弦幹擾信號的相位不同，但頻率一樣。參考信號進入參考通道將送至x1和x2端，x2為參考輸入經過90°相移後的信號，其目的是獲得w1和w2兩個權，即兩個自由度，從而使組合後的正弦波振幅和相角都可與主通道輸入中幹擾分量的相角相同。兩個權係數w1和w2由自適應線性組合器調整輸出。通過自適應調整，使權係數達到最佳值和最終濾波器的輸出e(n)即是對s(n)的最佳估計。此處，將原始信號看作受單頻正弦信號幹擾的信號d(n)，有用信號看作單頻幹擾信號，則自適應陷波器將濾去有用信號。
上述的自適應陷波器和自適應噪聲抵消器中權係數的調整都通過LMS算法實現，根據LMS算法，二者的輸出都取自誤差信號:在自適應陷波器中，LMS算法根據誤差信號不斷調整權係數，使參考通道輸出與有用信號相關的信號，通過與主通道信號反向相加，進而去除主通道信號中的有用信號；在自適應噪聲抵消器中，由於泵衝噪聲高強度且有周期特性，那麼參考通道輸入不含有用信號的原始信號的延時信號與主通道中輸入的原始信號關於泵衝噪聲的相關性保持不變且關於有用信號不相關，LMS算法根據誤差信號不斷調整權係數，使參考通道產生於泵衝噪聲相似的輸出，通過與主通道中原始信號的反向相加，進而去除原始信號中的泵衝噪聲。
實現LMS算法的基本步驟為：設置濾波器階數M和收斂因子μ，然後初始化權值，令w(0)＝0或由先驗知識確定，最後結合公式(1)～(3)進行運算：
wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)vi(n) (3)
其中，w(n)為抽頭係數，vi(n)為參考信號，s(n)為有用信號，v0(n)為包括泵衝噪聲、振動噪聲和鑽頭噪聲的噪聲幹擾，為自適應陷波器或自適應噪聲抵消器的輸出信號，e(n)為自適應陷波器或自適應噪聲抵消器的輸出信號，M濾波器階數，μ為收斂因子；
以上所述的自適應陷波器參數設置為M＝1，μ＝0.05；自適應噪聲抵消器參數設置為M＝256,μ＝0.005。
以上所述的自適應噪聲抵消器的輸出信號為濾除泵衝噪聲的原始信號，此信號中還包含與有用信號頻率相差較遠高頻噪聲，運用FIR低通濾波器便可輕鬆濾除高頻噪聲，完成濾波。
綜上所述，在採用以上方案後，本發明能在保護有用信號的基礎上消除泵衝噪聲，保證了濾波的可靠性和準確性，使得自適應濾波器的優勢發揮到最大，濾波效果達到最優。本發明在使用過程中，操作簡單，濾波可靠，在泥漿脈衝信號處理中具有通用性，對提高泥漿脈衝信號的信噪比，降低隨鑽測量通信的誤碼率，具有較高的實用價值，值得推廣。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。