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2012年02月
火 工 品
INITIATORS & PYROTECHNICS
2012年第1期
文章编号：1003-1480（2012）01-0044-04


油管传输射孔起爆信号的研究
闵 杰，王秀芝，刘贯虹，罗兴平，党有伟，易彩平
（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

摘 要：针对目前人工判断油管传输射孔起爆信号的不准确性，通 过对射孔起爆过程中产生的信号进行实时采集，
采用滤波、短时能量两种信号处理手段，将起爆特征信号 与噪声信号进行了有效的分离，为今后自动判断软件的设计提
供支持。
关键词：油管传输射孔；信号处理；滤波；短时能量
中图分类号：TJ450.6 文献标识码：A

The Research on Detonation Signal of TCP
MIN Jie, WANG Xiu-zhi, LIU Guan-hong, LUO Xing-ping, DANG You-wei, YI Cai-ping
（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

Abstract：Aimed at the low accuracy of manual judging detonation signal of tubing transmission perforating(TCP),
through collecting signal produced from detonation, and applying two kinds of signal processing methods of filter and
short-term energy, the detonation characteristics signal and noise signal was isolated effectively. The study provided basis
for further design of automatic determination software.
Key words：Tubing transmission perforating；Signal process；Filter；Short-term energy


油管传输射孔技术是目前国内外最为常用的射
孔技术之 一。对于如何判断油管传输射孔是否起爆，
过去操作人员采用在井口听声音、手触摸油管感觉振
动的方法，然而该方法存在不安全因素。目前，操作
人员利用仪器进行安全监测，即操作人员从监测仪所
采集到的各种信号中鉴别出起爆特征信号，作为判断
射孔枪起爆标准。但由于操作人员的经验及 各种井况
的不确定性，这种被动式的操作方法存在很大的误判
断性。因此，如何准确地提取出起 爆特征信号，并由
计算机主动进行识别判断，成为目前监测技术的一大
难点。
本文通 过前期自行搭建的监测实验设备，对油田
实地所采集到的数据进行分析，较为准确地提取出起
信 号
种类
频率Hz
爆特征信号，掌握了起爆信号的一些特征参数，为后
续计 算机自动判断软件的编写打下基础。

1 信号处理原理

1.1 滤波
油田现场利用示波器测得的起爆特征信号及各
背景噪声信号如表1所示。
表1 信号频率表
Tab.1 Signal frequency
起爆特
发动机 发电机 泵车打压
征信号
80~220 50~60 50~60 500~1 600
试验结果表明：起爆特征信号频率位于各个噪声
信号频率的中间频段，带通滤波器具有允许特定 频段
收稿日期：2011-11-24

作者简介
：
闵杰（1 986-），男，在读硕士研究生，主要从事射孔弹设计与仪器监测工作。

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的波通过同时屏蔽 其他频段的波的特点，因此可以较
好地从总体信号中提取起爆特征信号。
在虚拟仪器的带通滤 波器选择过程中，描述实际
滤波器性能的主要参数有纹波幅度d、截止频率f
c
、带宽B、品质因素Q以及倍频程选择性W等
[1]
。
理想带通与实际带通滤波器的幅频特性见图1。





0
f
c1
理想
f
c2
f

实际
d

为阻带。切比雪夫滤波器的幅频特性虽然在通带内有
起伏 ，但进入阻带后衰减陡峭，更接近理想情况。在
截止频率(ww
c
)=1处，其衰减不 一定是下降3dB，而
是按
11+
ε
2
来计算，ε值越小，通带起伏 越小，截
止频率点衰减的分贝值也越小。综上所述各方面，切
比雪夫滤波器比较符合本研究的滤 波需求。
1.2 短时能量
信号经过滤波处理后，还会存在一些与起爆特征
信 号频率相近的噪声信号，对于此种情况，需要引入
短时能量分析技术。
在声波技术中短时能量分析技术用来处理同一
时刻不同音源的声幅大小，它的直观意义是ΔU ΔT，
表示在T时刻震源的能量
[3]
。广义地说，不同的物理
量在频率上可 能会一致，但造就这个物理量的能量是
不一样的。井场的各种杂音信号有可能与射孔枪起爆
信号 处于同一频段内，但杂音的能量与射孔枪的起爆
能量应不处于一个能量等级内，经短时能量分析技术处理后，可以区分是杂音信号还是射孔枪起爆信号。
短时能量的计算：设信号序列为x(i)， i = 0，M –
1，则短时能量函数S(n) 定义为：

)
=∑
x
2
(i)w(n
−
i)S(n
i
=∞−∞

A(f)

A
0
A
0

2

图1 理想带通与实际带通滤波器的幅频特性
Fig.1 The ideal and the actual amplitude- frequency
characteristics of the band-pass filter
根据起爆特征信号与噪声信号的特点，综合上述
滤波器选择的主要参数，本研究 采取虚拟仪器中的切
比雪夫（Chebyshev）滤波器。切比雪夫滤波器是在
通带或阻带上 频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切
比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的
误差最 小，但是在通频带内有轻微的幅度波动。
切比雪夫滤波器的幅频响应为
：
[2]< br>H
(
jw
)
=
1
1
+
ε
2
T
n
2
(
w

w
c
)
d< br>
（1）


=
式（1）中：ε是决定通 带纹波大小的系数，纹波
的产生是由于实际滤波器网络中含有电抗元件；T
n
是第一类 切比雪夫多项式：
-1
⎧
cos(ncosx) x
≤
1
⎪
（2）
T
n
(x)
=
⎨
-1
ch(nchx) x
＞
1
⎪
⎩

i
=
n
−
M
−
1
∑
n

x
2
(
i
)
w
(
n
−
i
)
=
x
2
(
n
)
w
(
n
)
（3）
式（3）中：w(n) 为滑动窗函数， n=0，…，M-1。
S(n)代表了信号在n时刻 的局部能量。由式（3）可以
看到短时能量分析相当于对信号先进行指数变换，然
后用分段或分 帧叠加的方法加以处理。分帧可以连续
也可以交叠，用可移动的有限长度窗口进行加权来实
现。
由于窗函数的幅频特性类似于低通滤波器，故短
时能量分析也可看作是信号平方通过一个单位函 数
响应为w(n)的线性滤波器的输出。不同的窗函数(形
状、长度) 将决定短时能量的特性 ，常用的窗口类型
有矩形窗和海明窗。相对矩形窗而言，海明窗具有较
大的带宽和较快的带外衰 减速度，输入信号的失真较
小，因此选用该窗函数对射孔枪起爆震动信号进行处
理。当采样率一 定时，窗口长度越短则时间分辨率越


T
n
特性曲线见图2。
H(w)
φ
（
w
）

0
-100°
-300°






1
ww
c
n=2
n=4
n=8
1
2
11+
ε
(a) 幅频特性
(b) 相频特性
图2 切比雪夫滤波函数特性曲线
Fig.2 The characteristic curves of Chebyshev filtering
function
1
n=8
n=2
-500°
n=4
ww
c

从图2可以 看出，在(ww
c
)<1内为通带，(ww
c
)>1

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闵杰等：油管传输射孔起爆信号的研究
2012年第1期
高，但同时又不利于发挥短时能量分析信噪比高的特
点，应用中必须权衡两者加以选择。 实际信号中总是存在大量的随机噪声，相对于它
的方差而言，噪声在时域中大部分时刻取值较小，少
数时刻取值较大。假设在随机噪声中包含了有用的高
频冲击信号，则信号经过平方处理后可以突 出能量较
大的有用信号，取值较小的噪声信号则可以忽略不
计。又由于冲击信号具有局部连续性 ，在开始处连续
几点的取值都较大，而噪声具有随机性，连续几点取
到较大值的概率很低。所以 ，经过窗函数的平滑可以
进一步削弱噪声的影响，从而有效地提高了信噪比，
定量分析如下。
根据振动力学理论，假设振动信号满足冲击衰减
振荡模型
[4]
：
-
α
(nT
−
t
0
)
⎤
−+
X( n)
=
Asin
⎡
ω
(nTt)e
0
⎣⎦
（4）
可以有效提高射孔枪起爆时的局部信噪比。

2 实际信号处理分析

2.1 滤波
图3为切贝雪夫滤波器的程序设计图。




采样频率

高截止频率

低截止频率
纹波幅值
真
滤波后信号
原始信号

根 据随机信号分析理论，如果叠加在震动信号上
的噪声v(n)满足零均值高斯型随机分布，其方差为

阶次
I32

图3 切贝雪夫滤波器程序设计图
Fig.3 The program design of Chebyshev filtering function
图4为普光303-2号井的监测原始数据，此口井
为环空加压井，由于井口泵车打压引起的振动幅度较
为强烈，再加上射孔井位较深（5 335m），因此起爆
信号混杂于噪声信号之中。



图4 普光303-2号井的监测原始数据
Fig.4 The monitor raw data of Puguang 303-2 well
σ
2
μ
，则采样长度N足够大时噪声能量可近似表示
为：
∑
v(n)
n
=
0
N
−
1
2
≈< br>N
σ
μ
2
（5）
总体信号为：
y
(
n
)
=x
(
n
)
+v
(n
)

在足够长的观察时间[0，N - 1 ]，信号的总能量
近似表示为：


2
y(n)
≈N
σ
+
X(n)
∑∑
μ
2
2
n
=
0
n
=
0
N
−
1
n
=
0
N
−
1
N
−
1
经过切比雪夫滤波器滤波后的效 果见图5。
（6）


图5 经切比雪夫滤波器滤波后的数据
Fig.5

The filtered data by Chebyshev filtering function
式（6）中：
∑

X

(n

)

2
为离散冲击信号的能量，
其大小和冲击信号的幅值A 及衰减速度α有关。由
式（6） 可知，当滑动窗（为分析方便假设为矩形窗，
窗长M）中仅含 有噪声时，观测到的短时能量约为
2
M
σ
μ
。 实际上，由于冲击信 号历时较短，M不可能
由图5可见，将信号进行带通滤波处理，可以有
效地将泵车、发动机，电 动机等噪声信号与起爆特征
信号分离开来，便于特征信号的提取。
2.2 短时能量
图6为短时能量分析程序图。
在实际信号的短时能量处理中，海明窗的窗口长
度取值 是最关键的一点，因此，进行了短时能量海明
窗取值实验。
胜利06-9号投棒井的井深为2 224m，当射孔枪
起爆后几秒钟内，现场操作人员不慎将管钳掉落在采
取得很大，但仍可认为 该关系式近似成立。在n时刻，
当滑动窗中包含高频冲击信号时，信号短时能量约
为：

S(n)
≈
M
σ
2
+
X(i)
2
μ
i
=
n
−
M
−
1
（7）

∑
n
与只含噪声的短时能量相比，式（7）中增加的
部 分为冲击信号的瞬时能量。相对噪声而言，冲击信
号在起始点的瞬时能量很大，因而用短时能量的方法< br>

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油树上并引起振动信号，如图7所示。







图6 短时能量程序图
Fig.6 The program design of short-term energy
高斯波产生
高斯噪声
采样率
滤波类型
滤波数据

图
图
波形滤
波数据
滤波类型
原始声音波形
脉冲波形产
生所获数据





图9 原始监测数据
Fig.9 The monitor raw data
图
短时能量分析图
图
平均能量分析图
图
图
图
加噪 与去噪波形
图




图10 短时能量处理后数据
Fig.10 The processed data by short-term energy
图
图




干扰信号
通 过对比可见，短时能量分析大大提高了信号之
间的信噪比，使得起爆特征信号从与其频率相近的噪
声信号中分离开来。

图7 胜利06-9号投棒井监测图
Fig.7 The monitor raw data of Shengli 06-9 well
3 结论

（1）通过对油管传输射孔监测过程中所产生的
各个信号进行特征分析，利用 滤波和短时能量技术手
段将不同种类的信号进行处理，达到准确提取出射孔
枪起爆特征信号的目 的，为后期采用软件对起爆特征
信号进行自动判断打下基础。
（2）在对信号进行短时能量基 础的处理中，根
据实际信号的幅值及噪声的强弱，通过能量曲线图上
选择合适的门限值，可得到 射孔枪起爆的准确时间。

参考文献：

[1] 刘贯虹,朱建新,张锋 ,周绪国.TCP监测识别系统[J].测井与
射孔,2008(3):75-78
[2] 郭丹枫,庞兵.振动信号处理的时频域方法[J].哈尔滨理工
大学学报,2007,12(4):43 -45.
[3] 蒋昊,黄彬.基于LabVIEW的振动噪声测试和分析系统开
发[J]. 仪表技术,2007(12):28-31.
[4] 朱利民,钟秉林,贾民平.振动信号短时分析 方法及在机械
故障诊断中的应用[J].振动工程学报,2000,13(2):400-405.不同海明窗窗口长度取值下的信号处理结果见
图8。



（a）取值为10

（b）取值为20




（c）取值为30
（d）取值为40
图8 不同海明窗窗口长度取值下的信号处理结果
Fig.8 Signal processing results of the Hamming window
with the different value
由图8可见海明窗窗口长度取值选择在30以下
时，由于窗 长过短，噪声信号经过处理后的幅值变大，
使得特征信号与噪声信号的振幅都较大，信噪比较
小 ；当窗长大于30时，由于窗长过长，特征信号与
噪声信号相互叠加，无法区分开来。因此，本软件中< br>的海明窗取值定为30。
某一次射孔枪起爆时的原始监测数据见图9，经
短时能量分析的结果见图10。