核脉冲全谱数据采集系统数字滤波的设计与实现
第 1 章绪论
1.1 论文的研究背景和意义
在世界石油工业中，测井是含有高技术最多的产业部门之一，使用测井高技术在油气勘探中，能取得高的效益。数据采集系统是测井仪器先进性的重要体现之一，而核脉冲全谱数据采集系统是新一代放射性采集测井系统的核心技术。
作为核测井系列的重要分支，岩性密度测井备受国内外关注，其物理测井原理可概述为：以岩石及其空隙流体的核物理性质为基础，利用放射性异常以及射线与物质的相互作用，根据测量的放射性强度，分析能量变化的分布规律和特点，来寻找有用的矿产资源，分析地层岩石化学成分含量[1]，同时也可以确定各种地质和工程参数，解决各种地质和工程难题等等。国外岩性密度测井技术一直遥遥领先，国内的整个密度测井技术基础比较薄弱，国产岩性密度测井仪的内在质量与国外差距相当大，主要体现在环境适应性、可靠性等。国内的勘探开发中的探测仪器不是从国外购买的就是对国外的仪器进行仿制的。相对来说，我国仅有个别仪器有可能进入国际市场，且还没有一种仪器处在世界先进水平。由于国外对核心技术进行封锁和垄断，且进行一次上门测井服务价格十分昂贵。故对核脉冲全谱数据采集系统(针对岩性密度测井研制的一种测井系统)的研发是有必要的。
石油测井的宗旨即：为其服务的对象提供低风险、高回报开发油气田所需的评价资料和分析结果。测井仪所测得的数据是分析的基础。测井深度、数据准确性、空间分辨能力以及不确定度等方面均关系着测井数据的优劣。在测井系统中，如何获得较准确的测井数据，提高解释效益，会对石油测井有着深远的意义。随着计算机及集成技术的迅猛发展，测井采集系统也越来越多样化，如何实现去除信号中的干扰，还原到信号量的真实值，为测井采集系统提供精确的数据支撑，这就需要设计相应的滤波设备，由于数字滤波是由程序算法实现的，无需增加硬件设备，成本低，稳定性高，可靠性好等多种优点而广被应用。多年来，国内外许多学者致力于提高数据质量工作，做了大量定量研究，发表了许多相关文章，使其他学者得以借鉴。
本课题主要完成核脉冲全谱数据采集系统的数字滤波模块的设计与实现，通过对测井技术的相关技术的深入研究，以及对核脉冲全谱数据采集系统的整个工作流程的全面深入了解，对核脉冲全谱数据采集系统进行数字滤波设计与实现，意义是为了得到准确的数据，方便测井人员分析，从而对测井资料做出较准确判断。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 密度测井仪的发展与现状
自 1938 年起，核辐射发展成为多种放射性测井。近年来，核测井以其测井方法之多(有 40 多种)排名第一，即其测量的物理量最多。在裸眼斟探测井中，核测井的测井作业量排名第二[2]。在众多的核测井系列中，岩性密度测井仪由于其能够一次性获得地层的岩性信息和密度信息而广被研究、应用。岩性密度测井是通过伽马射线与地层的相互作用来测量地层的密度，根据测井剖面划分的密度，判断与其有息息相关的岩性或矿层，此外，结合其他测井资料，可以准确地得出地层岩性、孔隙度、气体流体特征以及地层矿物质等，属于石油勘探开发中的中流砥柱。它在石油勘探开发过程中，是最常规的同时也是最重要的测井方式。
20 世纪 50 年代，密度测井开始使用。最早的密度测井仪器是由斯伦贝谢公司研制成功的，由一个的探测器构成。该仪器依靠单个探测器去获得在地层中发生衰减的伽马射线，缺点是受井眼因素影响太大。1964 年，斯伦贝谢公司又推出了补偿密度测井仪，该仪器是在原有的密度测井仪的基础上又设计了一个探测器，演变成为双源距的补偿密度测井仪器。此测井仪使用脊-肋;图法来尽量消除井眼的影响，以此计算地层的密度值。
1995 年，Chaeles R.Case[3]在双源距的补偿密度测井仪器的基础上又添加了一个探测器，补偿密度测井仪器演变成为三探测器密度测井仪，该仪器提高了测井的垂直分辨率、降低了井眼影响，探测计数率大幅度提高了，统计的起伏误差降低了，但这种仪器也存在局限性，如；井眼条件较差时，测井曲线的质量就很难得到保证，故此种测量方法并没有普及[4]。
后来，人们根据低能量伽马射线与地层岩性的作用、关系，利用伽马射线的光电效应判定地层的岩性，利用伽马射线的康普顿效应测量地层的密度，此测井方法被称作岩性密度测井法。经过进一步的发展，岩性密度测井仪又演变成为伽马能谱岩性密度测井，不仅在仪器设计和测量技术方面有所提高，而且在数据处理方面也有明显的改善，成为目前使用比较多的测井方法。但是，这些仪器也有不足之处，如不规则井眼的影响，岩性和密度测量的相关性没有完全消除，仪器统计起伏大、分辨率较低等[5]。
20 世纪末，隧钻密度测井仪得到了研究、发展。21 世纪以来，Russo 等[6]把两支密度测井仪的窗口互成九十度安装，也就是把双密度;法灵活应用于补偿密度测井，通过这种测井方式可以在破碎带获得关于效的密度孔隙度的资料，再根据资料分析对地层各向异性做出评估。根据二维井密度测井的图像，Radte 等[7]从中提炼出高质量测井数据来，并以此计算地层密度和 Pe (光电俘获截面)值。在套管测井中，Ellis 等[8]利用电缆式三探头密度测井仪来测量地层密度，实测多口井数据结果证明此测井方式效果很好。此时，Pe (光电俘获截面)反映的是套管厚度而不是岩性。Elington 等[9]把裸眼测井中的密度测井仪放入套管中进行测井，以此测量地层密度，采用脊-肋;图来消除水泥环影响，把套管影响作为修正项，用于评价气层。
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第 2 章核脉冲全谱数据采集系统
2.1 系统的主要性能原理
核脉冲全谱数据采集系统使用的放射源是1.5Ci （即105.55 10 Bq）的铯-137，最高可承受的温度、压强分别是 175℃，140MPa，测量深度 15cm 左右。最大测速为 550m/h，测量范围为 1.0~3.0 g/cm3。
核脉冲全谱数据采集系统测井物理原理与传统岩性密度测井的物理原理一样，但是密度、岩性计算、数据采集、以及数据处理方式与以往不同。介绍如下。
2.1.1 核脉冲全谱数据采集系统测井的物理原理
该系统测井的物理原理：利用伽马源向地层辐射伽马射线，测量经地层作用后的伽马射线能量，根据能量大小及分布测量地层密度、光电吸收系数和井径曲线。其放射源是铯（137Cs）源，可以放射 662eV 的伽马射线，利用探测器(与储源室有一定的距离)测量与地层相互作用之后消弱的伽马射线的强度。能量为150eV~662eV 的伽马射线与物质作用时，主要产生康普顿吴有训效应。伽马射线在此反应下，使最外层的电子脱离原子，同时伽马射线方向发生偏移并损失一部分能量，探测器接收到经地层散射回来的伽马射线总数随能量的减小而增加，探测器中晶体的散射截面一定程度的反应了地层的体积密度，故利用这一特性测量岩石的密度值。当伽马射线的能量衰减到低于 100eV 时，与地层作用主要发生光电吸收效应，此时，伽马射线与地层物质原子的束缚电子作用，把全部能量都转移给了某个电子，使其发射出去，成为光电子，低能伽马射线总数随能量的急剧减小而下降，即光电吸收截面(Pe)一定程度的反应了地层物质的原子序数 Z，故利用这一效应测量地层的岩石性质[23]。
核脉冲计数与地层岩性密度的关系可以总结如下：由于伽马源放射出的伽马射线与地层发生作用，故其能量强度减弱。系统的探测器接收到与岩石作用后未被吸收的伽马射线。伽马射线散射的越多，探测到的反射回来的伽马射线越少，即核脉冲计数率越小，说明岩层的电子密度越大，反之则计数率越大，岩层的电子密度越小，因为岩层电子多少与岩石的密度大小成正比。
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2.2 系统的整体结构
核脉冲全谱数据采集系统主要包括探头组件、电子线路段、液压推靠器和地面计算机，如图 2-5 所示。其中，探头部分包括光电倍增管，长、短源距探测器，伽马射线屏蔽体，源室和探测窗口等。主要用来测量放射源向地层发射的伽马射线，形成与伽马射线能量成正比的脉冲信号。
电子线路段是该系统硬件的核心部分。主要包括 FPGA 电路和两路核脉冲调理电路，是整只仪器的关键部件，主要完成核脉冲全谱采集功能，并上传地面计算机。
地面计算机是人家交换信息的媒介，人机交互界面包括菜单区、谱图显示区、实时数据显示区、控制区和指令输入区。主要功能是显示探测到的数据，分析谱图，方便测井用户下发某些指令，完成人机交互。
2.2.1 探头
该系统的探头外壳中有对伽马射线起屏蔽作用的钨镍合金，在长、短源距探测器相应处设有窗口，专门用于探测地层反射的伽马射线。探头包括 NaI(TI)晶体、光电倍增管、高压组件、前置放大器等部分。NaI(TI)晶体被铊激活，被探测到的伽马射线打中而出现荧光光子，荧光光子数正比于伽马能量。再经变化、作用，使荧光光子转换成了光电子，光电子数正比于荧光光子数，此时伽马能量转为光信号；光电倍增管把接收到的光信号再转化成电信号，传输给前置放大器。前置放大器放大电信号，输出的电流脉冲（即电压）正比于伽马能量，便于电子线路部分检测。高压组件为光电倍增管提供电能，维持其工作。图 2-6 为探头示意图。
2.2.2 电子线路段
核脉冲全谱数据采集系统的电子线路段是系统的重要部分，主要包括核脉冲采集电路、脉冲调理电路、模数转换电路、谱数据处理电路、动态稳高压电路。其各个电路板都是安装在电子线路段壳体内的。
电子线路段放大接收的核脉冲信号，并使其成形。达到模数转换电路所需输入脉冲的幅度要求。脉冲峰值检测和峰值保持电路检测出脉冲信号，传输到模数转换电路。用 FPGA 控制的模数转换（AD）电路完成核脉冲的采集和数据处理。AD 转换后的结果存储在 FPGA 中，只采用转换结果的高 8 位，舍弃低 4 位，由此方法来形成 256 道全谱数据。最终汇同长、短源的高压数据等经通讯接口串行上传到地面计算机。测井过程中，温度会升高，虽然光电倍增管在隔温保温装置中，但其特性也会受高温其影响，发生变化，高温影响导致核脉冲的幅度产生变化，最终引起谱图的不准确即计数率产生偏差。故系统由地面计算机下传指令给动态稳高压模块，通过采用参考源稳谱技术来补偿温度引起的变化。电子线路段是测井探头和地面计算机的重要纽带，更是信号采集处理的主要硬件部分。各部分的关系如图 2-7 所示。
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第 3 章数字滤波分析.......................................................... 22
3.1 问题发现 .............................................. 22
3.2 谱数据处理原理 ....................................... 22
3.3 全谱图特点 ......................................... 25
3.4 数字滤波方法分析 ....................................... 25
3.4.1 深度加权平均值滤波 ................................... 26
3.4.2 自适应滤波 .................................. 27
3.4.3 卡尔曼滤波 ................................... 29
3.5MATLAB 仿真分析.................................. 31
3.6 本章小结 ......................................... 32
第 4 章卡尔曼滤波设计与实现
4.1 引入卡尔曼滤波的原因
由上章所述，深度加权平均值滤波和自适应滤波要想得到比较平滑的曲线均需要大量的数据，对数据少时，滤波效果不理想。而卡尔曼滤波过程是一个不断地预测、修正的递推过程，由于其在求解时不需要存储大量的探测数据，并且当有新的探测数据时，再根据新的探测数据算得新的参数滤波值，便于实时地处理探测结果，因此卡尔曼滤波被广泛地应用于动态定位数据处理中。
4.1.1 该系统的脉冲探测及处理方式
核脉冲全谱数据采集系统的探头处有一个主放射源存储室和两个探测窗口。离储源室近的称为短源距，远的成为长源距，这两个探测窗口内均有一定量（与主放射源相比很少）的铯-137。在测井时，主放射源发出射线，射线能量为0E ，与地层作用后，反射回长短源探测窗口，探测到的射线能量为E（E<0E），伽马射线转换成光电子，核脉冲信号经积分电路转化为电脉冲信号。能量E 被转换成电脉冲信号v，其脉冲幅度V 正比于E ，在 FPGA 控制 ADC 下完成对脉冲信号v采集处理，使其转换成数字信号，按能量的高低对应成存储在相应道址ch，这样，道址ch正比于V ，故道址ch正比于核脉冲E 。最后，经过滤波处理显示在计算机上。即核脉冲全谱数据采集系统对脉冲的处理属于线性系统。
在实际测井中，探测到的核脉冲是随机的，能量大小也是不确定的，长、短两道采集的核脉冲受地层自身具有的放射性元素影响如钍、钾以及其他的高斯白噪声等，虽然硬件部分设有滤波，但是不能保证完全滤除噪声，在信号转换和处理的过程中，系统本身也会产生相应的噪声，脉冲计数和能量大小多少都受元器件影响，故对数字量化后的脉冲需要再次进行数据滤波。
4.1.2 卡尔曼滤波处理方式
卡尔曼滤波是一种数字滤波，就是把含噪声的数据进行处理之后得出相对真值。由第三章的卡尔曼滤波公式可以看出：采用递推的方式进行计算，不需要有大量的测量数据，只需储存前一时刻的估计值，估计值随着计算次数的增加而逐渐趋于真值，这样大大节省了储存空间，减少了计算步骤。不需要了解估计值和测量值在不同时刻的一、二阶矩阵，只需要知道系统现实方程和系统噪声及测量噪声的统计特性既可以进行滤波。
卡尔曼滤波是针对离散线性系统的数字滤波。滤波之前需要先满足要求，即观测方程必须是线性形式，且测量噪声和动态噪声均是白噪声。而实际的观测量与现实参数间往往是非线性函数。线性模型的最优估计是建立在给定函数模型和随机模型基础上的，如果实际的函数模型和随机模型存在误差，不仅得不到最优估计，而且可能造成滤波发散。这就需要我们把非线性的现实转变为可滤波的线性函数。
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结论
1. 总结
全文本论文是以某单位研制的核脉冲全谱数据采集系统为研究对象，研究了如何用数据滤波消除全谱图的统计涨落，消除谱图的统计涨落对刻度的影响。现将本论文的主要工作总结如下：
(1) 基于核脉冲全谱数据采集系统，首先对整个系统做全面详细了解，掌握该系统是如何测井的，密度、岩性的计算方式，各个电路的工作方式及主要功能。
(2) 针对脉冲谱图出现统计涨落问题，分析了核脉冲全谱数据采集系统对核脉冲处理原理。同时着重分析了该系统对谱数据的处理方式，为数据滤波的选取和设计奠定了基础。
(3)由于核脉冲全谱数据采集系统与众不同的谱数据处理方式，着重分析了深度加权平均值滤波、自适应滤波和卡尔曼滤波。通过对这三种数据滤波的理论推导分析，以及对应的 MATLAB 仿真图对比，寻求合适的数据滤波方式。
(4)针对选出的卡尔曼滤波深入分析，对该系统进行数学建模，编写程序，通过软件仿真实验，证明卡尔曼滤波器可以有效地滤脉冲信号中的噪声，消除了全谱图的统计涨落。
2.研究展望
本文对核脉冲全谱数据采集系统的数据滤波做了设计，实现了基本功能，但是，由于本人水平有限，还有一些问题需要进一步研究和解决。
(1) 本文中核脉冲全谱数据采集系统除了可以应用于岩性密度测井仪，还可以应用于其他的测井仪器，如自然伽马能谱测井仪，碳氧比测井仪等放射性检测测井仪器，除此之外，也可以用于医用核诊断仪器等。
(2) 本文侧重的是数字滤波，在自适应滤波分析时，可以考虑与硬件滤波结合，以便使仪器测井结果精度更高。
(3) 该系统中核脉冲的分布大致符合高斯分布，故在确定卡尔曼滤波的初值和协方差值时，不用考虑卡尔曼滤波的发散，但是有时候，受地层影响或是仪器自身原因，核脉冲不符合高斯分布，这种情况下也有待于改进。
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参考文献（略）