声波测井仪井下数字滤波器设计与实现

    0 引 言

    声波测井是通过测量地层的声学传播特性来分析研究储层特征的一种测井方法。交叉偶极阵列声波测井仪可以同时完成纵波时差、纵横波全波列、交叉偶极全波列测量[1-3]，代表了目前声波测井应用领域的最高技术水平。相对于早期的声波测井仪，交叉偶极测井仪在电路抗干扰、实时数据处理方面具有更高的要求。在实际的测井试验中，由于受到声波激发时的高压点火脉冲以及仪器本身电路噪声影响[4]，在声波信号能量比较微弱的井段，会出现声波波形“基线不稳”、噪声门槛太高、自动增益控制失效以及信噪比过低等现象，这给后续的测井数据的分析带来误差甚至是错误，所以必须对测井数据进行井下数字滤波处理。

    1 Matlab 辅助滤波器设计

    数字滤波器的设计步骤是确定指标、逼近、性能分析和计算机仿真。首先，利用 Matlab 对带噪声的声波信号进行分析，寻找噪声的规律和特点以便于确定滤波器的类型以及指标；其次，根据设计指标建立滤波器模型，用 Matlab 滤波器设计分析工具箱（FDATool）设计数字滤波器来逼近该模型；最后，用软件算法实现数字滤波器，并通过仿真进行性能评定，以确定是否需要进一步改进。

    1.1 噪声分析

    XTF 文件是 Atlas 公司 ECLIPS 5700 数控测井系统测井数据记录文件，从该文件中提取原始声波数据进行分析。在信号比较微弱的井段，信号和噪声幅度可以比拟时，比较典型的波形如图 1（a）所示。图中的声波都受到来自声波换能器激发时产生的高压脉冲的干扰，脉冲干扰带来的影响：首先，波形的前部信号已经偏离基线，根据首波检测原理已经不能正确检测到首波点[5-6]；其次，若要观察后续声波细节，需要对放大器的增益进行控制，但由于噪声峰值幅度过大，可能会导致自动增益控制失败；此外，噪声能量过大对阵列声波信号相关性计算也是不利的[7]。

    对图 1（a）进行快速傅里叶变换得到图 1（b），可见信号中包含了换能器响应频率（3~20kHz）以外的噪声。由于傅里叶变换缺少时域定位的功能，早在1946 年，Gabor 就提出了短时傅里叶变换 （STFT）的概念，用以测量声音信号的频率定位。在 Matlab 中，利用 tftb 时频分析工具箱可以完成信号的短时傅里叶变换，得到图 1（c）。通过对多组信号的分析，得出一个规律：噪声前部有个时间很短但能量很大的脉冲，后部则是 1.5kHz 左右的低频波形。在图 1（c）中，噪声包含 0~8kHz 频率成分，在时域上也融合到了信号中。若要完全滤除噪声，可以用 8~20 kHz 的带通滤波器，但这样会滤除信号中频率为 3~8kHz 的声波信号。现将图 1（c）用虚线分割为 4 个区域，其中 A、B 和 D 都为噪声部分，C 为信号部分。在 A 区域，由于首波不会在此时域区间（0~0.3ms）内出现，可以对 A 进行时域滤波处理；对于 B 和 D，可以在频域上进行带通滤波，通带为 3~20kHz。