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基于激光多普勒效应的测井电缆定长装置研究

作　者: 钟成千
导　师: 顾亚雄
学　校: 西南石油大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 激光多普勒效应测井电缆信号处理 TMS320VC5402
分类号: P631.83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

油气田开发过程中的井深测量是通过测电缆运行长度来实现的,而目前对电缆长度计量主要有井口马达和马丁代克两种计量方式。它们都是接触式测量,不可避免的会产生相当大的接触式测量误差,从而影响油气田开发上一些重要参数的精确定位。本文针对现行接触式测量所存在的弊端,采用了一种基于激光多普勒效应的非接触式电缆长度测量方法。来自激光发射器的两束相干入射激光经过汇聚透镜照射在测井电缆表面,并产生散射,光电检测器接收两束不同方向上的散射光进行频率差拍,得到与电缆运行速度成正比关系的激光多普勒频移信号,通过信号分析处理,求得运行速度,再对速度进行时间上的积分得到电缆运行长度。本文详细介绍了激光多普勒测长装置的光学设计原理,利用光学外差检测激光多普勒频移信号,光学布置模式采用的是双光束-双散射后向接收模式。完成了光学系统的设计,给出了重要光学参数的计算方法。本文利用快速傅里叶变换进行激光多普勒信号处理。整个电缆定长装置由数据采集和PC机监测两部分构成。中央处理器选用的是DSP系列中的TMS320VC5402,数据采集电路包括：基于集成运放的电流-电压转换电路、二阶巴特沃斯高低通滤波电路、基于ADS803的模数转换电路、外扩存储电路以及与PC机通信的接口电路。基于集成开发环境CCS实现了数据采集的软件设计,论文中叙述了系统程序自举加载实现方法,阐述了FIR数字滤波器和数据处理FFT变换在DSP中的实现。利用LabVIEW编程语言实现了PC机程序的设计,PC机程序主要包括：串行通信参数的配置程序、数据处理和显示程序、数据存储以及历史数据调用程序。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题研究的目的及意义  8
  1.2 目前的研究现状和存在的问题  8-11
  1.3 激光多普勒测长的特点及发展状况  11-12
  1.4 论文的主要内容  12-13
第2章激光多普勒测长原理与光学系统  13-22
  2.1 激光多普勒效应  13-15
  2.2 激光测长光学布置的基本模式  15-17
    2.2.1 参考光模式  15-16
    2.2.2 单光束-双散射模式  16
    2.2.3 双光束-双散射模式  16-17
  2.3 光学系统的设计  17-19
  2.4 光学系统参数的确定  19-21
    2.4.1 孔径光阑面积的确定  19-20
    2.4.2 控制体体积  20-21
    2.4.3 针孔光阑直径的确定  21
  2.5 本章小结  21-22
第3章激光测长的信号处理  22-30
  3.1 激光多普勒信号的特性  22-23
  3.2 电信号中的信息  23-24
    3.2.1 多普勒频率的基本表示形式  23-24
  3.3 多普勒信号处理方法  24-29
    3.3.1 频谱分析法信号处理  24-25
    3.3.2 频率跟踪解调法信号处理  25-26
    3.3.3 计数法信号处理  26-27
    3.3.4 快速傅里叶变换法信号处理  27-28
    3.3.5 信号处理方法的比较  28-29
  3.4 本章小结  29-30
第4章硬件电路设计  30-45
  4.1 信号调理电路的设计  30-32
  4.2 滤波电路的设计  32-34
    4.2.1 低通滤波电路的设计  33-34
    4.2.2 高通滤波电路的设计  34
  4.3 中央处理单元  34-37
    4.3.1 TMS320VC5402结构概述  34-36
    4.3.2 TMS320VC5402的时钟电路及复位电路设计  36-37
  4.4 A/D转换电路的设计  37-39
  4.5 外扩存储电路的设计  39-40
  4.6 串行通信接口电路设计  40-43
    4.6.1 TMS320VC5402的McBSP串口概述  40-41
    4.6.2 标准串行通信接口  41
    4.6.3 串行通信接口电路  41-43
  4.7 电源电路的设计  43-44
    4.7.1 5V电压电路设计  43
    4.7.2 3.3V电压电路设计  43-44
  4.8 本章小结  44-45
第5章软件设计  45-61
  5.1 自举加载程序  46-49
  5.2 A/D转换软件实现  49-51
  5.3 串行通信软件设计  51-54
    5.3.1 SPI接口协议  51
    5.3.2 串行通信初始化  51-53
    5.3.3 串行通信程序流程图  53-54
  5.4 FIR滤波器设计  54-56
    5.4.1 FIR滤波器原理  54-55
    5.4.2 FIR滤波器设计  55
    5.4.3 在TMS320VC5402上实现FIR滤波器  55-56
  5.5 FFT在TMS320VC5402上的实现  56-57
  5.6 PC机程序的设计  57-60
    5.6.1 串行通信设置模块  58-59
    5.6.2 PC机应用程序实现  59-60
  5.7 本章小结  60-61
第6章多普勒信号处理仿真  61-64
  6.1 FIR数字滤波器窗函数的比较  61-62
  6.2 FFT变换仿真  62-64
第7章总结与展望  64-66
  7.1 总结  64-65
  7.2 展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-69
附录  69-70
攻读硕士学位期间发表的论文  70

基于激光多普勒效应的测井电缆定长装置研究

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