[發明專利]一種用于鉆柱聲傳輸技術的單向回波噪聲抑制方法

無效

• 申請號: 201110294240.3
• 申請日: 2011-09-27
• 公開（公告）號: CN102354501A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 李成;劉釗;樊尚春;井中武
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G10L21/02
• 分類號: G10L21/02;E21B47/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李新華;賈玉忠

1.一種用于鉆柱聲傳輸技術的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于：該方法的具體步驟如下：

步驟1.傳輸信道容量分析，具體分析方法如下：

步驟a1、隨鉆聲波傳輸系統中噪聲來源的分析

隨鉆聲波傳輸系統中存在兩種噪聲，一種來源于鉆頭處，由井下鉆頭擊破巖層所產生，以n_d表示，其可通過鉆柱信道上傳至地面；另一種噪聲來自于地面設備，由地面設備的電力或機械系統等引起，以n_s表示；

步驟a2、上行通道以及下行通道的容量的計算

由信道容量的定義可知，上行通道的容量為：

CUL=∫Blog2(1+Ps(f)Pnb(f)+Pns(f)|H(f)|-2)dfbit/s---(1)]]>

式中，B為信道通帶帶寬，P_s(f)、和分別為激勵信號、鉆頭噪聲、地面噪聲的功率譜密度；

由于系統信號在傳輸過程中本身的衰減很大，因此，|H(f)|＜＜1，以及|H(f)|^-2＞＞1；若和在同一數量數量級，則可忽略不計，即，可認為地面噪聲的影響遠大于井下噪聲，從而可忽略鉆頭噪聲n_d的影響；

相應地，下行通道的容量可為：

CDL=∫Blog2(1+Ps(f)Pnb(f)+Pns(f)|H(f)|2)dfbit/s---(2)]]>

步驟a3、主要噪聲的分析

由于雙聲接收器安裝在鉆柱頂端，用于接收由鉆頭處上傳的井下數據，因此，主要考慮上行通道，則僅需考慮地面噪聲n_s的影響；

步驟2.對回波噪聲進行抑制，具體抑制方法為：

步驟b1、在鉆桿上布置聲接收器

由于聲波傳播沒有方向性，鉆柱信道內同時存在上行波和下行波，這樣，鉆柱頂端處的聲接收器不僅接收到上行傳輸信號，同時還接收到地面噪聲以及下行傳輸的端面反射信號，以及在各個“鉆桿-接箍”連接處的反射回波信號；為消除地面噪聲和回波，在鄰近地面的單節鉆桿上以1/4載波波長為間隔布置兩個聲接收器；

步驟b2、通過檢測雙聲接收器處上、下行信道響應進行回波噪聲抑制的建模方法

在忽略外界耦合噪聲的影響下，整個傳輸系統內僅存在地面噪聲n_s(t)和激勵輸入信號x(t)兩個未知變量，因此，理論上僅利用兩個聲接收器可實現地面噪聲和端面反射回波的抑制；根據信號與系統的基本理論，信道的輸入與輸出之間存在卷積關系，其中：

假設當在鉆柱底端施加單位脈沖激勵時，位于兩個聲接收器y₁、y₂處的脈沖響應分別為h₁(t)和h₂(t)，以及當在鉆柱頂端施加單位脈沖激勵時，兩個聲接收器處的脈沖響應分別為h′₁(t)和h′₂(t)，則考慮地面下行噪聲n_s(t)條件下，當鉆柱底端施加上傳的輸入信號x(t)時，兩個聲接收器y₁(t)、y₂(t)的時域信號可表示為：

y₁(t)＝x(t)*h₁(t)+n_s(t)*h′₁(t)????????????????????????????????(3)

y₂(t)＝x(t)*h₂(t)+n_s(t)*h′₂(t)????????????????????????????????(4)

式中，h₁(t)、h₂(t)可表示為鉆柱上行通道的瞬態脈沖響應；h′₁(t)、h′₂(t)可表示為鉆柱下行通道的瞬態脈沖響應；

對式(3)、(4)進行傅里葉變換，可得其頻域表達式為：

Y1(f)=HX1(f)X(f)+HN1(f)Ns(f)---(5)]]>

Y2(f)=HX2(f)X(f)+HN2(f)Ns(f)---(6)]]>

聯立式(5)、(6)，可得如下的矩陣形式：

Y1Y2=HX1HN1HX2HN2XNs---(7)]]>

通過運算可消除地面噪聲信號N_s(f)，則

X(f)=HN2(f)Y1(f)-HN1(f)Y2(f)D(f)---(8)]]>

式(8)中，分別為h₁(t)、h₂(t)、h′₁(t)、h′₂(t)的頻域形式，且D(f)=HX1(f)HN2(f)-HX2(f)HN1(f);]]>

對式(8)進行傅里葉逆變換，可反求出施加于鉆柱底端的原始激勵信號x′(t)，即

根據聲波在鉆柱中的傳播原理，基于鉆柱內一維縱波的波動方程，利用有限差分算法將鉆柱信道細分為若干質量微元，則波動方程可改寫為：

unj+1+unj-1=2Δrn+1/2Δrn+1/2+Δrn-1/2un+1j+2Δrn-1/2Δrn+1/2+Δrn-1/2un-1j---(10)]]>

式中，表示j時刻x_n處質點位移，Δr_n表示x_n處微元質量；因此，利用該式(10)可得到鉆柱信道中不同位置處質量微元的振動情況，從而獲得不同激勵條件下鉆柱的瞬態振動規律，實現聲信號在鉆柱信道內的傳輸過程；在鉆柱底端施加單位脈沖激勵，利用式(10)可仿真得到鉆柱上行通道的瞬態沖擊響應h₁(t)和h₂(t)，再通過傅立葉變換，可求的h₁(t)、h₂(t)的頻域表達式同理，在鉆柱頂端施加單位脈沖激勵，可仿真得到鉆柱下行通道的瞬態沖擊響應h′₁(t)和h′₂(t)，以及對應的頻域表達式

步驟b3、求解施加于鉆柱底端的原始激勵信號

通過檢測兩個聲接收器y₁(t)、y₂(t)的信號，利用式(9)可求解施加于鉆柱底端的原始激勵信號；從而該用于鉆柱聲傳輸技術的單向回波噪聲抑制方法通過改進的回波噪聲抑制分析模型，實現下行的地面噪聲與反射回波的抑制。