目前應用到隨鉆行業的信號傳輸通道，主要有兩種泥漿脈沖傳輸與電磁波傳輸。在電磁信號通過地層傳輸時，它隨著距離的增加，數據傳輸速率的提高和地層電阻的增加而衰減。電磁波傳輸方式能夠以很高的速率傳遞信息，對鉆井液的質量、泥漿泵流量和壓力不均等要求不高，發送的信息不受鉆井液充氣的影響。但是，采用這種傳輸方式時信號在巖石中衰減嚴重，并且易受鉆井設備和低電阻巖石的干擾。相比之下，泥漿脈沖傳輸方式的優點是對鉆井工藝無特殊限制和要求，系統性能可靠，傳輸距離遠，并且在傳輸過程中基本不受巖石的電學性質和周圍的地質特性參數的影響，成為主要的隨鉆信號傳輸方式。

在泥漿脈沖信號傳輸過程中，混有多種多頻率、強幅度噪聲源。主要包括泥漿泵噪音、鉆具機械振動噪音、螺桿帶動鉆頭旋轉與井壁撞擊噪音、轉盤旋轉噪音等。根據對原始信號進行傅里葉變化，分析各種噪音源所在頻率范圍，設計了一種FIR低通濾波器，能夠在井下復雜鉆井環境下，從不固定的多頻強噪聲背景下提取出有用信號。

原始脈沖信號噪音分析

泥漿壓力傳感器能夠將泥漿壓力的物理變化轉變為電壓的變換，通過高速采集電路，將電壓的變換數字化，送到計算機進行處理與分析。圖1為原始泥漿脈沖信號，圖2為泥漿脈沖信號局部放大圖。

從圖2中可以看出，脈沖編碼是采用的是PLM碼。在同步頭脈沖與數據脈沖波形上面都疊加很高的毛刺，如果泵壓不穩定或空氣包氮氣不足，毛刺會更大，有用信號將會被完全淹沒，在這種情況下進行脈沖檢測與識別時很困難的。采用數字信號的時域到頻域的變換，可以分析主要噪音所在的頻率范圍，根據噪音頻率可以設計出合適的濾波器，提取有用信號。圖3為原始信號的FFT變換波形。從頻域波形中可以看出，采用截止頻率為1Hz的低通濾波器就可以將高頻噪聲濾除。

濾波器的設計

數字濾波器本質是按事先設計好的程序，將一組輸入的數字序列通過一定的運算后轉變為另一組輸入的數字序列，從而改變信號的形式和內容，達到對信號的加工或濾波。按沖擊響應長度分類，數字濾波器可以分為：IIR與FIR 兩種濾波器。按頻帶分類可以分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器。

本文介紹的FIR低通濾波器，是一個分節的延時線，每一節的輸出加權累加，得到濾波器的輸出。系統的沖激響應為hd（n）為已知，則系統的輸入/輸出關系為：

y(n)=x(n)hd(n) （1）

將系統沖擊響應通過加窗截斷后系統傳遞函數變為：

h(n)= hd(n)Wn(n) （2）

由式（1）與式（2）可得：

y(n)=x(n)h(n) （3）

hd(n)為理想濾波器的系數，h(n)為FIR濾波器的系數。將y(n)=x(n)h(n)，Z變化后FIR濾波器傳遞函數變為：

                      （4）

濾波器的系數是N個單位沖激響應h(n)，它可以由MTALAB的FDATOOL工具箱計算得到，其數值是固定的。在濾波器的實現過程中，首先將N個濾波器系數保存到內存變量中。長度為N，初始化存入h(0)、h(1)、h(2)、h(N-1)。數據X(n)是不斷變換的，每一次新的數據輸入后，原來的每一個數據都要移位，同時放棄最早的數據，空出新的存儲位置給新的數據。

根據原始信號的分析，使用Matlab的FDAtool工具可以很方便的設計FIR濾波器。使用File菜單中的export選項，可以把濾波器的系數輸出到Matlab的工作空間中。濾波器采樣頻率Fs=16Hz，通帶截止頻率Fp=0.5Hz，采用Kaiser window FIR方法設計的濾波器如圖4所示。

將原始泥漿脈沖數據送到濾波器進行計算，濾波結果見圖5所示。可以看到數據脈沖信號的毛刺已經被剔除。經過濾波后得到了光滑的脈沖信號波形。

對圖5的濾波后波形數據在次進行FFT變換，分析信號所在頻率分布。如圖6所示，可以看出濾波器截止頻率以外的高頻噪音都被很好地濾除。

低頻擾動排除算法

將上述濾波器應用到LWD解碼軟件中，由于泥漿通道可以等效為一個一階濾波器，在脈沖閥打開時間較長時，這段時間等效為一階濾波器的電容放電，它會引起一個小脈沖擾動，解碼軟件可能將放電后的干擾認為是脈沖信號，而丟失了真正的脈沖信號。為了去掉由于放電后的這種擾動，本文中設計了一種簡單實用的算法。 

在解碼程序中，加入脈沖的最大值判斷，解碼軟件可以將脈沖間隔較長的放電后的擾動排除掉。程序執行過程是，在每個數據的固定槽數內，先按照上升沿的高度排序，如果上升沿個數高于所需脈沖個數，將最后兩個上升沿進行對比，對比峰峰值大小，排除峰值小的那個上升沿。

由上文可知，在LWD解碼軟件中，采用FIR低通濾波器與低頻擾動排除算法的結合，可以將泥漿通道內的各種高頻噪音以及低頻擾動去掉，有助于提高脈沖解碼率，解碼穩定可靠，滿足施工現場的要求。