Автоматическая обработка ультразвуковых данных

Автоматическая обработка ультразвуковых данных

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ультразвуковой неразрушающий контроль (УНК) является широко используемой технологией, применяемой для оценки количественных свойств неизвестных поверхностей, таких как толщина, форма и текстура. В ультразвуковых эхо-импульсных методах обратно рассеянные от поверхности эхо-сигналы содержат существенную информацию, относящуюся к свойствам отражателя. Таким образом, необходимо правильно извлечь эту информацию (например, с точки зрения амплитуды, времени прибытия и несущей частоты). Параметры времени прибытия, амплитуды и несущей частоты нашли широкое применение в ультразвуковых приложениях. Например, способ, при котором обратно рассеянные эхо-сигналы моделируются как наложенные гауссовы эхо-сигналы на фоне шума, известен в данной области техники. Кроме того, были разработаны алгоритмы оценки ультразвуковых сигналов на основе максимизации ожидания (EM). Алгоритмы на основе максимизации ожидания используют способ Гаусса-Ньютона или способ Левенберга-Маркварта для проведения оптимизации поиска, который зависит от ошибки прибытия в локальном минимуме.

Для повышения успешности этих методов соответствующее начальное приближение должно быть сделано для параметров искомого эхо-сигнала. Во многих случаях эхо-сигнал характеризуется скрытием в шуме или зашумленном фоне, что затрудняет формирование начального приближения. В связи с этим были выполнены различные исследования, основанные на понижении зашумленности сигнала с целью облегчения получения характеристик эхо-сигнала. Значительная часть этих предложений использует статистические способы первого порядка, такие как усреднение (например, наложение), чтобы произвести оценку зашумленного фона, засоряющего сигнал. Статистические способы первого порядка хорошо работают при оценке фона, когда величина отклонения времени прибытия эхо-сигнала в выборке достаточно велика (так что прибытия эхо-сигналов в выборке не совпадают). Однако статистические способы имеют ограничения, если прибытия эхо-сигналов не соответствуют известному распределению, соответствующему статистическим способам первого порядка и даже более сложным статистическим способам, и недостаточны для решения проблемы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Здесь описаны системы, способы и устройства для автоматического получения характеристик одного или более эхо-сигналов, содержащихся в ультразвуковом сигнале. Ультразвуковой сигнал может быть сгенерирован с помощью ультразвукового преобразователя и отражен от формации перед тем, как будет записан ультразвуковым преобразователем. Необязательно, системы, способы и устройства могут работать в отдельной ультразвуковой дорожке, чтобы автоматически определить и пропустить эхо-сигнал, включенный в зашумленный ультразвуковой сигнал. Согласно описанному здесь варианту воплощения можно сделать более точные начальные приближения одного или более параметров эхо-сигнала, что повышает производительность и надежность алгоритма инверсии (например, алгоритма максимизации пространства переменного обобщенного математического ожидания (SAGE), используемого для оптимизации параметров эхо-сигнала. Параметры эхо-сигнала, полученные способом инверсии, могут быть использованы для создания изображения, например изображения формации, от которой отразился ультразвуковой сигнал.

Типовой способ автоматического получения характеристик эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, генерируемом с помощью ультразвукового преобразователя, может включать получение данных, соответствующих ультразвуковому сигналу, с помощью ультразвукового преобразователя, вычисление отношения энергий ультразвукового сигнала и локализированного эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, с использованием отношения энергий. Способ также может включать кадрирование части ультразвукового сигнала вокруг локализованного эхо-сигнала и вычисление быстрого преобразования Фурье (БПФ) и огибающей Гильберта для кадрированной части ультразвукового сигнала. Кроме того, способ может включать оценку M векторов параметров эхо-сигналов из БПФ и огибающей Гильберта для кадрированной части ультразвукового сигнала, вычисление M параметрических моделей эхо-сигналов на основе каждого из М векторов параметров эхо-сигналов и итерационную минимизацию разности между кадрированной частью ультразвукового сигнала и суммой М параметрических моделей эхо-сигнала. Каждый из М векторов параметров может включать множество параметров эхо-сигнала.

Необязательно, отношение энергий ультразвукового сигнала может быть вычислено, а эхо-сигнал, содержащийся в ультразвуковом сигнале, может быть локализован с использованием отношения энергий путем вычисления функции отношения энергий ультразвукового сигнала, где функцией отношения энергий является , и определения максимального значения функции отношения энергий ультразвукового сигнала. Максимальное значение может соответствовать приблизительному местоположению эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале. В функции отношения энергий, приведенной выше, Ex является энергией в определенной точке данных, a₁ и a₂ являются поправочными коэффициентами энергии, L является длиной кадра, является энергией сигнала, является энергией шумов, и является полной энергией.

Альтернативно или дополнительно функция отношения энергий ультразвукового сигнала может быть вычислена путем реверсирования данных, соответствующих ультразвуковому сигналу от связи по системе «голова-к-хвосту» до связи по системе «хвост-к-голове», вычисления функции отношения энергий реверсированного ультразвукового сигнала и определения максимального значения функции отношения энергий реверсированного ультразвукового сигнала. Максимальное значение функции отношения энергий ультразвукового сигнала может соответствовать левой части первого эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, а максимальное значение функции отношения энергий реверсированного ультразвукового сигнала может соответствовать правой части первого эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале.

Альтернативно или дополнительно функция отношения энергий ультразвукового сигнала может быть вычислена путем обрезки данных, соответствующих ультразвуковому сигналу, вычисления функции отношения энергий обрезанного ультразвукового сигнала и определения максимального значения функции отношения энергий обрезанного ультразвукового сигнала. Максимальное значение функции отношения энергий ультразвукового сигнала может соответствовать левой части первого эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, а максимальное значение функции отношения энергий обрезанного ультразвукового сигнала может соответствовать левой части второго эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале.

Необязательно, длина кадра (L) может быть приблизительно равна , где s является настроечным коэффициентом, f_c является несущей частотой ультразвукового сигнала, а f_s является частотой дискретизации.

Альтернативно или дополнительно часть ультразвукового сигнала вокруг локализованного эхо-сигнала может, необязательно, кадрироваться путем применения коэффициента полусглаживания к данным, соответствующим одной или более частей ультразвукового сигнала за пределами кадрированной части ультразвукового сигнала.

Необязательно, разница между кадрированной частью ультразвукового сигнала и суммой М параметрических моделей эхо-сигнала может быть итерационно минимизирована при выполнении по меньшей мере одного из: оптимизации Гаусса-Ньютона (ГН), генетического алгоритма (ГА) и эволюционной оптимизации метаэвристического подхода.

Альтернативно или дополнительно М параметрических моделей эхо-сигнала могут быть вычислены путем вычисления М параметрических моделей эхо-сигнала на основе каждого из М векторов параметров эхо-сигнала и кадрированной части ультразвукового сигнала. Кроме того, разница между кадрированной частью ультразвукового сигнала и суммой M параметрических моделей эхо-сигнала может быть итерационно минимизирована путем определения множества параметров эхо-сигнала для каждого из М векторов параметров эхо-сигнала на основе каждой из М параметрических моделей эхо-сигнала, обновления М векторов параметров эхо-сигнала, определения, сходятся ли обновленные М векторов параметров эхо-сигнала с М векторами параметров эхо-сигнала, и, если сходимость не достигнута, вычисления M параметрических моделей эхо-сигнала на основе каждого из обновленных М векторов параметров эхо-сигнала и кадрированной части ультразвукового сигнала. Способ итерационного минимизирования разности между кадрированной частью ультразвукового сигнала и суммой М параметрических моделей эхо-сигнала может повторяться до тех пор, пока не будет достигнута сходимость.

Кроме того, способ может, необязательно, дополнительно включать фильтрацию данных, соответствующих ультразвуковому сигналу, чтобы удалить по меньшей мере один фоновый компонент ультразвукового сигнала.

Альтернативно или дополнительно множество параметров эхо-сигналов может включать по меньшей мере одно из: коэффициент расширения полосы частот (α), время прибытия (τ), несущую частоты (f_c), фазу (φ) и амплитуду (β). Необязательно, способ может дополнительно включать создание изображения с использованием множества параметров эхо-сигнала.

Типовая система для автоматического получения характеристик эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, может включать ультразвуковой преобразователь, выполненный с возможностью генерирования и приема ультразвукового сигнала, и блок управления, содержащий по меньшей мере один процессор и память. Ультразвуковой преобразователь может быть, необязательно, расположен в скважине. Блок управления может быть выполнен с возможностью получения данных, соответствующих ультразвуковому сигналу от ультразвукового преобразователя, вычисления отношения энергий ультразвукового сигнала и локализованного эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале, с использованием отношения энергий. Блок управления может дополнительно быть выполнен с возможностью кадрирования части ультразвукового сигнала вокруг локализованного эхо-сигнала и вычисления БПФ и огибающей Гильберта для кадрированной части ультразвукового сигнала. Кроме того, блок управления может быть дополнительно выполнен с возможностью оценки М параметров эхо-сигнала из БПФ и огибающей Гильберта для кадрированной части ультразвукового сигнала, вычисления М параметрических моделей эхо-сигнала на основе каждого из М векторов параметров эхо-сигнала и итерационного минимизирования разницы между кадрированной частью ультразвукового сигнала и суммой М параметрических моделей эхо-сигнала. Каждый из М векторов параметров может включать множество параметров эхо-сигнала.

Следует понимать, что вышеописанный предмет обсуждения может также быть реализован как аппаратура, управляемая компьютером, вычислительная система или изделие промышленного производства, например, машиночитаемый носитель данных.

Другие системы, способы, отличительные признаки и/или преимущества будут или могут стать очевидными для специалиста в данной области при рассмотрении прилагаемых чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, отличительные признаки и/или преимущества включены в это описание и защищены прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Компоненты на чертежах не обязательно выполнены в масштабе относительно друг друга. Одинаковые номера позиций обозначают соответствующие элементы на нескольких видах.

ФИГ. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую эхо-импульсную конфигурацию ультразвукового преобразователя с соответствующим сигналом;

ФИГ. 2А-2С представляют собой графики, иллюстрирующие пример ультразвуковых сигналов, получаемых на ультразвуковом преобразователе;

ФИГ. 3А-3В представляют собой таблицы, иллюстрирующие влияние каждого параметра (например, коэффициента расширения полосы частот, времени прибытия, несущей частоты, фазы и амплитуды) на параметризованную форму сигнала;

ФИГ. 4А-4Е представляют собой графики, иллюстрирующие пример эхо-импульсной формы сигнала, параметризованной с использованием модели с последовательностью из двух (например, М = 2);

ФИГ. 5А-5D представляют собой графики, иллюстрирующие пример эхо-импульсного сигнала, записанного в скважине и соответствующие вычисления отношения энергий;

На ФИГ. 6 представлен график, иллюстрирующий локализованный эхо-сигнал в примере эхо-импульсного сигнала, показанного на ФИГ. 5А;

На ФИГ. 7А-7D представлены графики, иллюстрирующие влияние использования различных длин кадра для функции отношения энергий;

На ФИГ. 8-10 представлены графики, иллюстрирующие множество способов стробирования согласно описанным здесь вариантам воплощения изобретения;

ФИГ. 11 представляет собой график, иллюстрирующий БПФ кадрированной части примера ультразвукового сигнала;

ФИГ. 12 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примерные операции для автоматического получения характеристик эхо-сигнала, содержащегося в ультразвуковом сигнале;

ФИГ. 13A-13G иллюстрируют результаты параметризации ультразвукового эхо-сигнала с использованием трех гауссовых эхо-сигналов на одной дорожке из примера данных скважины;

ФИГ. 14 представляет собой график, иллюстрирующий увеличенное изображение параметризации с ФИГ. 13A-13F внутри кадрированной части ультразвукового сигнала;

ФИГ. 15А представляет собой график, иллюстрирующий пример дорожки, содержащей явно выраженный приход первого эхо-сигнала;

ФИГ. 15В представляет собой график, иллюстрирующий пример дорожки без явно выраженного прихода первого эхо-сигнала;

На ФИГ. 16А представлен график, иллюстрирующий несколько ультразвуковых сигналов, измеренных в скважине;

На ФИГ. 16В представлен график, иллюстрирующий эхо-сигналы ультразвуковых сигналов с ФИГ. 16А, оцененные с помощью способа параметризации;

На ФИГ. 16C представлен график, иллюстрирующий части измеренных ультразвуковых сигналов с ФИГ. 16А после удаления извлеченных эхо-сигналов с ФИГ. 16В;

На ФИГ. 17А представлен график, иллюстрирующий характеристику чувствительности ультразвукового преобразователя в свободном поле;

На ФИГ. 17В представлен график, иллюстрирующий наблюдаемые эхо-импульсные отклики от 6 мм до 45 мм;

ФИГ. 18А-18F представляют собой графики, иллюстрирующие разложение ультразвукового сигнала;

ФИГ. 19A-19C представляют собой графики, иллюстрирующие сравнение истинного эхо-сигнала, полученного путем выполнения параметризации с использованием модели с последовательностью из двух (М=2) на дорожках, записанных с помощью ультразвукового преобразователя с отклонениями в 10, 20 и 30 мм;

ФИГ. 20 представляет собой известняковый блок, используемый для диагностической визуализации в соответствии с вариантами воплощения, описанными здесь, и

ФИГ. 21A-21D представляют собой результаты визуализации фильтрации и параметризации соответственно.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые здесь, имеют такое же значение, как и обычно понимаемое специалистом с обычной квалификацией в данной области. Способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным здесь, могут быть использованы в практике или при тестировании настоящего изобретения. Используемые в описании и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Термин "содержащий" и его вариации, используемые здесь, применяется синонимично с термином "включающий" и его вариациями и оба являются свободными, не ограничивающими терминами. Хотя варианты воплощения будут описаны для автоматического получения характеристик эхо-сигнала в ультразвуковом сигнале, генерируемом и обнаруживаемом ультразвуковым преобразователем, расположенным в заполненной жидкостью скважине, специалистам в данной области техники будет очевидно, что варианты воплощения не ограничиваются этим, но применимы для получения характеристик эхо-сигнала в ультразвуковых сигналах в других средах.

Обработка ультразвукового эхо-сигнала

На ФИГ. 1 показана схема, иллюстрирующая эхо-импульсную конфигурацию ультразвукового преобразователя 102 с соответствующим сигналом. Ультразвуковой преобразователь 102 может, необязательно, быть акустическим устройством, предназначенным для установки в заполненную жидкостью скважину. Акустическое устройство может, необязательно, включать множество ультразвуковых преобразователей, например, акустическое устройство может, необязательно, быть акустической решеткой. Скважина может быть пробурена в формации 110, содержащей искомый жидкостный пласт, такой как нефть или газ. Ультразвуковой преобразователь 102, следовательно, может быть использован для получения информации о формации 110, как подробно описано ниже.

Ультразвуковой преобразователь 102 может включать подложку 104, керамический элемент 106 и линию задержки 108. Керамический элемент 106 может включать один или более пьезоэлектрических элементов. Когда импульс напряжения подается на пьезоэлектрический элемент, пьезоэлектрический элемент передает волну давления (например, ультразвуковую волну). Когда отраженная волна давления улавливается пьезоэлектрическим элементом, пьезоэлектрический элемент преобразует перехваченную волну давления в импульс напряжения. Кроме того, линия задержки 108 может быть, необязательно, выполнена с возможностью управления временем задержки ультразвукового импульса, переданного или полученного керамическим элементом 106, минимизирования рассеивания ультразвукового импульса, обеспечения согласования импедансов между передатчиком и приемником и т.д. Ультразвуковые преобразователи хорошо известны в данной области техники и поэтому не описываются с дополнительными подробностями ниже.

Необязательно, ультразвуковой преобразователь 102 может работать в эхо-импульсном режиме или режиме отражения, в котором ультразвуковой преобразователь 102 как излучает ультразвуковой импульс, так и принимает отраженный ультразвуковой импульс. Например, излучаемый ультразвуковой импульс может проходить через текучую среду 120 (например, воду или буровой раствор) и может отражаться от формации 110, прежде чем вернуться обратно к ультразвуковому преобразователю 102. Отраженный сигнал может быть записан в виде измеренного электрического напряжения. Такое измерение называется эхо-импульсным. Эхо-импульс 130A-B показан на ФИГ. 1. Следует понимать, что эхо-импульс может быть результатом отражения от границы соприкосновения бурового раствора (например, эхо-сигнал границы соприкосновения бурового раствора 130A) и/или от формации 110 (например, эхо-сигнал формации 130B). Кроме того, амплитуда эхо-импульса 130A-B зависит от количества газа, присутствующего в буровом растворе, как показано на ФИГ. 1. Кроме того, следует также понимать, что ультразвуковой преобразователь 102 может измерять шум запуска 140.

Эхо-импульсные измерения могут быть использованы для целей визуализации, например, визуализации формации 110. Основой для создания изображения являются два измеряемые атрибута получаемой эхо-импульсной формы сигнала - время прохождения и амплитуда. Следует понимать, что время прохождения представляет собой промежуток времени между возбуждением (или запуском) ультразвукового преобразователя 102 и приемом отраженного ультразвукового эхо-сигнала. Время прохождения может непосредственно коррелировать с размером и формой скважины. Следует понимать, что амплитуда отраженного ультразвукового импульса (например, эхо-импульсной формы сигнала) может быть использована для получения характеристики акустического импеданса текучей среды 120, а также формации 110, включающей изломы, текстуру, впадины и т.д. Необязательно, для выделения указанных выше атрибутов может быть вычислена огибающая Гильберта эхо-импульсной формы сигнала. Амплитуда точки максимума огибающей Гильберта и местоположение, в котором возникла точка максимума, соответствуют, соответственно, амплитуде и времени прохождения основного эхо-сигнала в эхо-импульсной форме сигнала. Как подробно описано ниже, реализация базового принципа извлечения указанных выше атрибутов на практике осложняется.

Ультразвуковой преобразователь 102 может быть функционально соединен с блоком управления 150. Следует понимать, что блок управления 150, необязательно, может быть расположен выше, на и/или ниже поверхности формации 110. Альтернативно или дополнительно блок управления 150 может быть объединен с ультразвуковым преобразователем 102 и расположен в стволе скважины. Ультразвуковой преобразователь 102 и блок управления 150 могут быть соединены посредством линии связи. Это раскрытие в качестве линии связи подразумевает любую подходящую линию связи. Например, линия связи может быть реализована с помощью любого носителя, который облегчает обмен данными между ультразвуковым преобразователем 102 и блоком управления 150, включая, но не ограничиваясь ими, проводные, беспроводные и оптические линии. Блок 150 управления может, необязательно, быть выполнен с возможностью управления ультразвуковым преобразователем 102, а также получения, обработки и хранения акустических данных (например, акустических данных, обнаруженных, собранных, записанных и т.д. с помощью ультразвукового преобразователя 102). В своей наиболее общей конфигурации блок управления 150 обычно включает по меньшей мере один блок обработки данных и системную память. В зависимости от конкретной конфигурации и типа блока управления 150 системная память может быть энергозависимой (такой как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)), энергонезависимой (такой как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), флэш-память и т.д.) или представлять собой какую-либо их комбинацию. Блок обработки данных может быть стандартным программируемым процессором, который выполняет арифметические и логические операции, необходимые для работы блока управления 150.

Например, блок обработки данных может быть выполнен с возможностью выполнения программного кода, закодированного в материальном машиночитаемом носителе. Машиночитаемый носитель относится к любому носителю, способному предоставлять данные, запрашиваемые блоком управления 150 (т.е. машиной) в конкретной форме для его работы. Для предоставления инструкций в блок обработки данных для их выполнения могут быть использованы различные машиночитаемые носители. Типовые материальные машиночитаемые носители информации включают, но не ограничиваются ими, интегральную схему (например, программируемую логическую интегральную схему или специализированную интегральную схему), жесткий диск, оптический диск, магнитооптический диск, гибкий диск, магнитную ленту, голографическое запоминающее устройство, твердотельное устройство, ОЗУ, ПЗУ, электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), флэш-память или память, выполненную по другой технологии, компакт-диск (CD-ROM), цифровые универсальные диски (DVD) или другое оптическое запоминающее устройство, магнитные кассеты, магнитную ленту, запоминающее устройство на магнитном диске или другие магнитные запоминающие устройства.

Кроме того, блок управления 150 может иметь дополнительные отличительные признаки/функциональные возможности. Например, блок управления 150 может включать дополнительные устройства хранения данных, такие как устройство хранения данных со съемным носителем и устройство хранения данных с несъемным носителем, включая, но не ограничиваясь ими, магнитные или оптические диски или ленты. Блок управления 150 также может содержать сетевое соединение(я), которое позволяет устройству устанавливать связь с другими устройствами. Блок управления 150 может также иметь устройство(а) ввода, такое как клавиатура, мышь, сенсорный экран и т.д. Также может быть включено устройство(а) вывода, такое как дисплей, громкоговорители, принтер и т.д. Дополнительные устройства могут быть подключены к шине для облегчения передачи данных между компонентами блока управления 150. Все эти устройства хорошо известны в данной области техники и нет необходимости обсуждать подробно их здесь.

На ФИГ. 2А-2С показаны графики, иллюстрирующие примеры ультразвуковых сигналов, полученных на ультразвуковом преобразователе. Ультразвуковой сигнал состоит из двух компонентов - фона и измеренного эхо-импульсного сигнала (например, эхо-импульсный отклик от отражателя или эхо-импульсный отклик). Фон включает импульс возбуждения преобразователя и отклик, а также, например, шум. На ФИГ. 2А-2С ультразвуковые сигналы состоят из трех различных областей: импульс возбуждения ультразвукового преобразователя, появляющийся от примерно 0 мкс до 10 мкс, за ним следует отклик ультразвукового преобразователя (например, проявляется затухание колебаний, которые сужаются, начиная с 10 мкс и далее) и, наконец, эхо-импульсный отклик от отражателя, появляющийся на приблизительно 30-й мкс. На ФИГ. 2A показан график, иллюстрирующий ультразвуковой сигнал, произведенный отражателем, расположенным приблизительно в 10 мм от ультразвукового преобразователя. На ФИГ. 2B представлен график, иллюстрирующий эхо-импульс, скрытый в фоне на ФИГ. 2А. На ФИГ. 2C представлен график, иллюстрирующий ультразвуковые сигналы, произведенные отражателями, расположенными приблизительно в 10, 20 и 30 мм, соответственно, от ультразвукового преобразователя.

Амплитуда и время прибытия эхо-импульсного отклика от отражателя (например, эхо-импульсного отклика) могут быть определены с помощью огибающей Гильберта. Время и амплитуда точки максимума огибающей Гильберта могут быть использованы в качестве двух атрибутов эхо-импульсного отклика для целей визуализации. Следует понимать, что существует определенная доля погрешности, возникающей при считывании двух атрибутов из огибающей Гильберта, из-за звона затухания колебаний, присущего ультразвуковому преобразователю. Значимость этой ошибки зависит от времени прибытия отраженного сигнала по отношению к затуханию колебаний ультразвукового преобразователя, где ранее прибывшие импульсы могут быть больше скрыты из-за начального затухания в ультразвуковом преобразователе. В свете ошибок атрибутов амплитуды и времени прибытия, вносимых звоном затухания в ультразвуковом преобразователе, необязательно, требуется устранить эти затухающие колебания фона из получаемого ультразвукового сигнала. Все дорожки, в частности, выборка, будут засорены такими затухающими колебаниями преобразователя. Для решения проблем, обусловленных данной проблемой звона затухания колебаний фона, может быть использован способ параметризации, который подробно обсуждается ниже.

Параметризация

Выявление точной величины атрибутов амплитуды и времени прибытия является вопросом обнаружения первого пика в эхо-импульсном отклике и соответствующего времени, в которое возникает первый пик. Когда отношение сигнал-шум (ОСШ) является достаточным, определение атрибутов эхо-импульсного отклика может быть тривиальным, например, с помощью применения огибающей Гильберта. Однако в тех случаях, когда ОСШ не достаточно (например, при наличии сильного звона затухания колебаний), атрибуты амплитуды эхо-импульсного отклика и времени прибытия могут содержать ошибки.

Как обсуждалось выше, для устранения фона из ультразвукового сигнала для облегчения извлечения эхо-импульсного отклика из ультразвукового сигнала используются статистические способы, такие как усреднение (или наложение), для получения оценки фона, который засоряет эхо-импульсный отклик. Статистические способы могут хорошо работать для оценки фона, когда диапазон времени прибытия эхо-сигнала в выборке достаточно велик, и эхо-сигналы не перекрывают друг друга. Для эффективности статистического способа любого вида должна иметься часть одной дорожки где-либо в выборке, которая не содержит какого-либо фона, в противном случае часть истинного сигнала будет добавлена к оценке фона. Главным образом проблема проявляется, когда прибывший эхо-сигнал не относится к существующему распределению. При каротаже на буровом инструменте в ходе бурения (LWD) номинальный дистанционный диапазон трудно контролировать, и обычно он варьируется между 0,64 см и 2,54 см. Из-за этой узкости дистанционного диапазона эффективное устранение фона с использованием статистических способов может быть затруднено.

Параметризация является альтернативным способом, который может быть использован для устранения эхо-импульсного отклика из ультразвукового сигнала. Благодаря параметризации информация, содержащаяся в нескольких дорожках, независима, а вместо этого, необязательно, может быть использована только отдельная дорожка ультразвуковых данных. Кроме того, можно определить количество и выявить основные ключевые особенности эхо-импульсного отклика (например, время прибытия, амплитуду, фазу, несущую частоту и пропускную способность) в ультразвуковых данных непосредственно во временной области. Это справедливо даже в условиях шума и перекрытия. Кроме того, можно использовать модульные модели, специально разработанные для искомого эхо-импульсного отклика. С помощью такого подхода конкретная ультразвуковая дорожка может быть разложена на эхо-импульсный отклик и остаток, который содержит фон, из одной дорожки. Таким образом, преодолевается затруднение малого изменения расстояния. Кроме того, может быть снижен объем данных, которые должны быть записаны. Параметризацию можно рассматривать как форму сжатия данных, допускающую потери. В условиях внутри скважины, где объем памяти является дефицитным ресурсом, уменьшение объема записанных данных позволяет записывать данные в течение более длительного периода времени. Например, вместо записи сигнала дорожки длиной 256, благодаря параметризации, эхо-импульсный отклик может быть представлен через 5 параметров.

Модель гауссового эхо-сигнала

Модель гауссового эхо-сигнала может быть выбрана, потому что она хорошо подходит для описания ультразвуковых сигналов. Отдельный эхо-сигнал от отражателя может быть представлен в виде:

,(1)

,

который воплощает форму гауссовой огибающей. Параметры эхо-сигнала сохраняются в векторе θ, который состоит из пяти переменных:

α коэффициент расширения полосы частот (МГц²);

τ время прибытия (мкс);

f_c несущая частота (МГц);

φ фаза (рад);

β амплитуда (В).

Значения вектора параметров θ прямо соответствуют физическим свойствам отражателя. Время прибытия τ связано с расстоянием от отражателя (например, стенки скважины). α, коэффициент расширения полосы частот, является длительностью эхо-сигнала во временной области. f_c является производной от несущей частоты ультразвукового преобразователя. Амплитуда β и фаза φ обусловливают импеданс и размер, и ориентацию (например, угол наклона) по отношению к отражателю. На ФИГ. 3 приведена таблица, которая иллюстрирует влияние каждого параметра на параметризованный сигнал.

Наблюдаемая модель ультразвукового эхо-сигнала

Вейвлет Гаусса применим для моделирования и приближенного представления ультразвуковых сигналов. Наблюдаемую модель отдельного ультразвукового эхо-сигнала, включающую шум и другие искажения, можно представить в виде:

,(2)

где является ультразвуковым эхо-сигналом, а составляет шум и ошибки (например, компонент ультразвукового сигнала, не охваченный параметризацией).

Модель гауссового эхо-сигнала может быть распространена на аппроксимированные эхо-сигналы большей сложности на основе принципа суперпозиции. Например, аппроксимация эхо-импульса, y(t), может стать суммой M наложенных (полученным способом суперпозиции) гауссовых эхо-сигналов в виде:

.(3)

Вектор параметров определяет форму и местоположение каждого отдельного эхо-сигнала. Как и в случае параметризации отдельного эхо-сигнала, v(t) представляет собой остаток, который включает шум и аппроксимацию ошибки, связанные со сложностями, которые не могут быть включены в модели более низкого порядка.

На ФИГ. 4A-4E показаны графики, иллюстрирующие пример эхо-импульсного сигнала, параметризованного с использованием модели с последовательностью из двух (например, M=2). В частности, на ФИГ. 4А и 4В, соответственно, проиллюстрированы два отдельных гауссовых эхо-сигнала 402 и 404 (например, первый поступил в 26,979 мкс, а второй в 32,0276 мкс). Оригинальный эхо-импульсный сигнал 406 (например, ультразвуковой сигнал) проиллюстрирован на ФИГ. 4E. Как уже обсуждалось здесь, ультразвуковой сигнал представляет собой данные, записанные с помощью ультразвукового преобразователя. Суммирование двух отдельных гауссовых эхо-сигналов 402 и 404 позволяет получить полную оценку поступившего эхо-сигнала. Эта оценка (или реконструкция) 408 показана относительно оригинального эхо-импульсного сигнала 406 на ФИГ. 4D. На ФИГ. 4C показана разница между реконструкцией 408 и оригинальным эхо-импульсным сигналом 406, которая образует остаток 410 (например, ). Остаток 410 включает второй и третий эхо-сигналы, которые имеют меньшее значение параметризации эхо-импульсного отклика, потому что эти эхо-сигналы содержат ограниченную информацию для визуализации.

С помощью параметризации ультразвуковой сигнал (например, оригинальный эхо-импульсный сигнал 406 на ФИГ. 4E), который имеет приблизительно 5000 дискрет в длину, может быть сведен к параметрическому описанию с использованием двух гауссовых вейвлетов эхо-сигнала, каждый из которых включает 5 элементов (то есть 10 параметров всего). Область, где находится первый эхо-сигнал, которая является фокусом параметризации, была аппроксимирована с менее чем 2% ошибок. Кроме того, также стоит отметить реализованное существенное сокращение объема данных, где 10 параметров представления эхо-сигнала дают 50-кратное снижение объема данных по сравнению с оригинальной записью необработанного первого эхо-сигнала (500 дискрет). В таблице 1 ниже показаны оцениваемые параметры для двух отдельных гауссовых эхо-сигналов 402 и 404 на ФИГ. 4А и 4В.

	ОЦЕНИВАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
	Коэффициент расширения полосы частот (МГц2)	Время прибытия (мкс)	Несущая частота (МГц)	Фаза (рад)	Амплитуда (В)
Эхо-сигнал 1	0,1338	26,9790	0,1839	3,6802	0,3987
Эхо-сигнал 2	0,0321	32,0276	0,2034	-11,5879	0,9999

Внедряемый базисный параметрическ