本發(fā)明屬于石油天然氣鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路及方法。

背景技術(shù)：

石油鉆井領(lǐng)域中，智能鉆井工具通過井下測量單元對井底壓力、環(huán)空壓力、鉆壓、溫度、扭矩等工程參數(shù)進(jìn)行實時測量和處理，用于進(jìn)行井下工況分析、工具故障分析、優(yōu)化鉆具組合、指導(dǎo)正常鉆進(jìn)。由于鉆進(jìn)過程中伴隨著鉆頭與井底的沖擊振動、鉆柱與井壁的碰撞、井下多種鉆井液體系及高溫、高壓環(huán)境的存在，采集到的信號幅值小、包含較大的噪聲和失真，嚴(yán)重時存在丟幀和無法讀取的問題，常規(guī)的無源或有源濾波方式均無法保證較好的濾波效果，對后期的信號處理、分析決策帶來困難。

因此，研究一種用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路及方法，首先由無源濾波方式濾除小信號中存在的大噪聲信號，然后對信號進(jìn)行放大后，再采用有源濾波方式進(jìn)行精確濾波，通過無源、放大、有源混合濾波的方式實現(xiàn)信號的去噪，保證后期信號處理、分析決策的順利進(jìn)行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路及方法，實現(xiàn)井下工程參數(shù)測量數(shù)據(jù)的去噪聲處理。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路包括：井下測量單元、混合濾波單元、后期處理單元、電源管理單元，其中：井下測量單元通過混合濾波單元與后期處理單元連接，電源管理單元分別與井下測量單元、混合濾波單元、后期處理單元連接；所述井下測量單元用于井底壓力、環(huán)空壓力、鉆壓、溫度、扭矩在內(nèi)的工程參數(shù)的實時測量，混合濾波單元200用于濾除所述井下測量單元輸出的測量數(shù)據(jù)中包含的噪聲信號，所述后期處理單元用于對所述混合濾波單元輸出的濾波后的信號進(jìn)行后續(xù)處理，包括放大、模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理操作，所述電源管理單元用于為整個電路提供穩(wěn)定的直流電能。

所述混合濾波單元包括，無源濾波電路、信號放大電路、有源濾波電路，其中：無源濾波電路通過信號放大電路與有源濾波電路連接，井下測量單元與無源濾波電路連接，有源濾波電路與后期處理單元連接；所述無源濾波電路對所述井下測量單元輸出的測量信號進(jìn)行處理，粗略濾除其中存在的高頻、大噪聲信號，所述信號放大電路用于對無源濾波電路2001輸出的濾波信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大操作，便于對信號的進(jìn)一步濾波處理，所述有源濾波電路用于對所述信號放大電路輸出的放大信號進(jìn)行精確濾波，保留有用頻段信息。

所述無源濾波電路包括第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第一二極管d1、第二二極管d2、第一電容c1、第二電容c2，第二電阻r2與第一電容c1組成第一低通無源濾波網(wǎng)絡(luò)，第三電阻r3與第二電容c2組成第二低通無源濾波網(wǎng)絡(luò)，第一電阻r1一端連接所述井下測量單元100輸出信號的正信號端vin+，另一端連接第一二極管d1的正極，第一二極管d1的負(fù)極連接所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-，第二二極管d2與第一二極管d1反向并聯(lián)，第一二極管d1的正極連接第二電阻r2的一端，第二電阻r2的另一端同時連接第一電容c1的一端和第三電阻的一端，第一電容c1的另一端連接所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-，第三電阻r3的另一端為無源濾波電路2001的正信號輸出端，與第三電容c3的一端連接，第三電容c3的另一端為無源濾波電路2001的負(fù)信號輸出端，與所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-連接。

所述信號放大電路包括第一運(yùn)算放大器u1及其外圍電路、第二運(yùn)算放大器u2及其外圍電路，其中，所述第一運(yùn)算放大器u1選用儀表放大器芯片ina333，所述第一運(yùn)算放大器u1的正信號輸入引腳+in連接所述無源濾波電路2001的正信號輸出端，所述第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)信號輸入引腳-in連接無源濾波電路2001的負(fù)信號輸出端，第三電容c3的一端連接所述第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)信號輸入引腳-in，另一端接地，所述第一運(yùn)算放大器u1的電源正引腳v+連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第一運(yùn)算放大器u1的電源負(fù)引腳v-接地，第四電容c4一端連接直流3.3v電源vdd3.3，另一端接地，第四電阻r4一端連接直流3.3v電源vdd3.3，另一端連接第五電阻r5的一端，第五電阻r5的另一端接地，所述第一運(yùn)算放大器u1的引腳r1和引腳r2用于通過外接電阻設(shè)定放大倍數(shù)，其分別與第一可調(diào)電阻rw的兩端連接，所述第一運(yùn)算放大器u1的ref端為參考電壓輸入引腳，所述第一運(yùn)算放大器u1的out引腳為輸出引腳，所述第二運(yùn)算放大器u2選用ti公司的運(yùn)算放大器芯片opa333，設(shè)計為跟隨器結(jié)構(gòu)，用于隔離電源端干擾，所述第二運(yùn)算放大器u2的電源正引腳v+連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第二運(yùn)算放大器u2的電源負(fù)引腳v-接地，所述第二運(yùn)算放大器u2的輸入信號正極引腳+in連接第四電阻r4與第五電阻r5的連接端，所述第二運(yùn)算放大器u2的輸入信號負(fù)極引腳-in連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，所述第二運(yùn)算放大器u2的out引腳為輸出引腳，連接所述第一運(yùn)算放大器u1的參考電壓輸入引腳ref。

所述有源濾波電路包括第三運(yùn)算放大器u3及其外圍電路和第四運(yùn)算放大器u4及其外圍電路，其中，第三運(yùn)算放大器u3和第四運(yùn)算放大器u4均選用ada4896運(yùn)算放大器，均設(shè)計為二階有源濾波網(wǎng)絡(luò)，兩運(yùn)算放大器輸入端口均設(shè)計為差分信號輸入，用于提高輸入端的抗干擾性，利于小信號的后期提取與處理，所述第三運(yùn)算放大器u3的電源正引腳+vs連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第三運(yùn)算放大器u3的電源負(fù)引腳-vs接地，第五電容c5一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的電源正引腳+vs，另一端接地，所述第三運(yùn)算放大器u3的信號正極輸入引腳+in1連接第六電容c6的一端，第六電容c6的另一端連接第六電阻r6的一端，第六電阻r6的另一端連接所述第一運(yùn)算放大器u1的輸出引腳out，所述第七電容c7的一端連接第六電阻r6的一端，另一端連接第七電阻r7的一端，第七電阻r7的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的信號負(fù)極輸入引腳-in1，第八電阻r8的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，第九電阻r9的一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的信號正極輸入引腳+in1，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，所述第四運(yùn)算放大器u4的電源正引腳+vs連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第四運(yùn)算放大器u4的電源負(fù)引腳-vs接地，第十電容c10一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的電源正引腳+vs，另一端接地，所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1連接第八電容c8的一端，第八電容c8的另一端連接第十電阻r10的一端，第十電阻r10的另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，所述第十一電阻r11的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號負(fù)極輸入引腳-in1，所述第十二電阻r12的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1，所述第九電容c9的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接第八電容c8和第十電阻r10的連接端，第十三電阻r13的一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號負(fù)極輸入引腳-in1，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的輸出引腳out1，第十四電阻r14的一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的輸出引腳out1，所述第四運(yùn)算放大器u4的out1引腳為所述混合濾波單元200的輸出引腳，輸出信號vout。

本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

a001：井下測量單元對所在位置附近的壓力、溫度、扭矩等信息進(jìn)行實時測量。

a002：無源濾波電路作為第一級濾波網(wǎng)絡(luò)，采用二階無源低通濾波方式濾除測量信號中存在的高頻噪聲和干擾。

a003：信號放大電路對無源濾波電路輸出的信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大以便于進(jìn)行更加精確的濾波操作。

a004：有源濾波電路作為第二級濾波網(wǎng)絡(luò)，采用二階有源濾波方式對放大后的信號進(jìn)行精確濾波操作，保留有用頻段信息。

a005：后期處理單元對濾波后的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解釋、存儲，根據(jù)信號中包含的控制信息執(zhí)行對應(yīng)的操作。

本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路及方法首先由無源濾波方式濾除微弱小信號中存在的高頻、大噪聲，然后對信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，再采用二階有源濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確頻段濾波，通過“無源-放大-有源”混合濾波的方式實現(xiàn)信號的去噪，保證后期信號處理、分析決策的順利進(jìn)行，與常規(guī)濾波方式相比，提高了井下測量數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確率、抗干擾性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路的多級混合濾波電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路的多級混合濾波方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路及方法進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

如圖1所示，本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波電路包括：

井下測量單元100、混合濾波單元200、后期處理單元300、電源管理單元400，其中：井下測量單元100通過混合濾波單元200與后期處理單元300連接，電源管理單元400分別與井下測量單元100、混合濾波單元200、后期處理單元300連接；所述井下測量單元100用于井底壓力、環(huán)空壓力、鉆壓、溫度、扭矩等工程參數(shù)的實時測量，混合濾波單元200用于濾除所述井下測量單元100輸出的測量數(shù)據(jù)中包含的噪聲信號，所述后期處理單元300用于對所述混合濾波單元200輸出的濾波后的信號進(jìn)行后續(xù)處理，包括放大、模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理等操作，所述電源管理單元400用于為整個電路提供穩(wěn)定的直流電能。

進(jìn)一步的，所述混合濾波單元200包括，無源濾波電路2001、信號放大電路2002、有源濾波電路2003，其中：無源濾波電路2001通過信號放大電路2002與有源濾波電路2003連接，井下測量單元100與無源濾波電路2001連接，有源濾波電路2003與后期處理單元300連接；所述無源濾波電路2001對所述井下測量單元100輸出的測量信號進(jìn)行處理，粗略濾除其中存在的高頻、大噪聲信號，所述信號放大電路2002用于對無源濾波電路2001輸出的濾波信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大操作，便于對信號的進(jìn)一步濾波處理，所述有源濾波電路2003用于對所述信號放大電路2002輸出的放大信號進(jìn)行精確濾波，保留有用頻段信息。

如圖2所示，所述無源濾波電路2001包括第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第一二極管d1、第二二極管d2、第一電容c1、第二電容c2，第二電阻r2與第一電容c1組成第一低通無源濾波網(wǎng)絡(luò)，第三電阻r3與第二電容c2組成第二低通無源濾波網(wǎng)絡(luò)，第一電阻r1一端連接所述井下測量單元100輸出信號的正信號端vin+，另一端連接第一二極管d1的正極，第一二極管d1的負(fù)極連接所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-，第二二極管d2與第一二極管d1反向并聯(lián)，第一二極管d1的正極連接第二電阻r2的一端，第二電阻r2的另一端同時連接第一電容c1的一端和第三電阻的一端，第一電容c1的另一端連接所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-，第三電阻r3的另一端為無源濾波電路2001的正信號輸出端，與第三電容c3的一端連接，第三電容c3的另一端為無源濾波電路2001的負(fù)信號輸出端，與所述井下測量單元100輸出信號的負(fù)信號端vin-連接。

所述信號放大電路2002包括第一運(yùn)算放大器u1及其外圍電路、第二運(yùn)算放大器u2及其外圍電路，其中，所述第一運(yùn)算放大器u1選用ti公司的儀表放大器芯片ina333，所述第一運(yùn)算放大器u1的正信號輸入引腳+in連接所述無源濾波電路2001的正信號輸出端，所述第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)信號輸入引腳-in連接無源濾波電路2001的負(fù)信號輸出端，第三電容c3的一端連接所述第一運(yùn)算放大器u1的負(fù)信號輸入引腳-in，另一端接地，所述第一運(yùn)算放大器u1的電源正引腳v+連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第一運(yùn)算放大器u1的電源負(fù)引腳v-接地，第四電容c4一端連接直流3.3v電源vdd3.3，另一端接地，第四電阻r4一端連接直流3.3v電源vdd3.3，另一端連接第五電阻r5的一端，第五電阻r5的另一端接地，所述第一運(yùn)算放大器u1的引腳r1和引腳r2用于通過外接電阻設(shè)定放大倍數(shù)，其分別與第一可調(diào)電阻rw的兩端連接，所述第一運(yùn)算放大器u1的ref端為參考電壓輸入引腳，所述第一運(yùn)算放大器u1的out引腳為輸出引腳，所述第二運(yùn)算放大器u2選用ti公司的運(yùn)算放大器芯片opa333，設(shè)計為跟隨器結(jié)構(gòu)，用于隔離電源端干擾，所述第二運(yùn)算放大器u2的電源正引腳v+連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第二運(yùn)算放大器u2的電源負(fù)引腳v-接地，所述第二運(yùn)算放大器u2的輸入信號正極引腳+in連接第四電阻r4與第五電阻r5的連接端，所述第二運(yùn)算放大器u2的輸入信號負(fù)極引腳-in連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，所述第二運(yùn)算放大器u2的out引腳為輸出引腳，連接所述第一運(yùn)算放大器u1的參考電壓輸入引腳ref。

所述有源濾波電路2003包括第三運(yùn)算放大器u3及其外圍電路和第四運(yùn)算放大器u4及其外圍電路，其中，第三運(yùn)算放大器u3和第四運(yùn)算放大器u4均選用ad公司的ada4896運(yùn)算放大器，均設(shè)計為二階有源濾波網(wǎng)絡(luò)，兩運(yùn)算放大器輸入端口均設(shè)計為差分信號輸入，用于提高輸入端的抗干擾性，利于小信號的后期提取與處理，所述第三運(yùn)算放大器u3的電源正引腳+vs連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第三運(yùn)算放大器u3的電源負(fù)引腳-vs接地，第五電容c5一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的電源正引腳+vs，另一端接地，所述第三運(yùn)算放大器u3的信號正極輸入引腳+in1連接第六電容c6的一端，第六電容c6的另一端連接第六電阻r6的一端，第六電阻r6的另一端連接所述第一運(yùn)算放大器u1的輸出引腳out，所述第七電容c7的一端連接第六電阻r6的一端，另一端連接第七電阻r7的一端，第七電阻r7的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的信號負(fù)極輸入引腳-in1，第八電阻r8的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，第九電阻r9的一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的信號正極輸入引腳+in1，另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，所述第四運(yùn)算放大器u4的電源正引腳+vs連接直流3.3v電源vdd3.3，所述第四運(yùn)算放大器u4的電源負(fù)引腳-vs接地，第十電容c10一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的電源正引腳+vs，另一端接地，所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1連接第八電容c8的一端，第八電容c8的另一端連接第十電阻r10的一端，第十電阻r10的另一端連接所述第三運(yùn)算放大器u3的輸出引腳out1，所述第十一電阻r11的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號負(fù)極輸入引腳-in1，所述第十二電阻r12的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1，所述第九電容c9的一端連接所述第二運(yùn)算放大器u2的輸出引腳out，另一端連接第八電容c8和第十電阻r10的連接端，第十三電阻r13的一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號負(fù)極輸入引腳-in1，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的輸出引腳out1，第十四電阻r14的一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的信號正極輸入引腳+in1，另一端連接所述第四運(yùn)算放大器u4的輸出引腳out1，所述第四運(yùn)算放大器u4的out1引腳為所述混合濾波單元200的輸出引腳，輸出信號vout。

本發(fā)明提供的用于井下工程參數(shù)測量信號的多級混合濾波方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

a001：井下測量單元100對所在位置附近的壓力、溫度、扭矩等信息進(jìn)行實時測量。

a002：無源濾波電路2001作為第一級濾波網(wǎng)絡(luò)，采用二階無源低通濾波方式濾除測量信號中存在的高頻噪聲和干擾。

a003：信號放大電路2002對無源濾波電路2001輸出的信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大以便于進(jìn)行更加精確的濾波操作。

a004：有源濾波電路2003作為第二級濾波網(wǎng)絡(luò)，采用二階有源濾波方式對放大后的信號進(jìn)行精確濾波操作，保留有用頻段信息。

a005：后期處理單元300對濾波后的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解釋、存儲，根據(jù)信號中包含的控制信息執(zhí)行對應(yīng)的操作。

井下測量單元100測量得到的各項數(shù)據(jù)，首先送入混合濾波單元200中的無源濾波電路2001中進(jìn)行粗略處理，濾除高頻、大噪聲，然后對濾波后的信號由信號放大電路2002進(jìn)行放大處理，再由有源濾波電路2003中的兩組二階有源濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確濾波，以獲得后期處理單元300可處理和識別的信號，用于井下工況的分析、判斷及工具診斷，從而指導(dǎo)鉆進(jìn)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。