[发明专利]基于welch多段平均功率谱法的油井动液面检测方法

权利要求书

1.一种基于welch多段平均功率谱法的油井动液面深度检测方法，其特征在于具体按照以下步骤进行：

步骤11：安装检测装置，在检测管(1)内靠近管口处安装有检测装置，该检测装置的扬声器(13)和驻极式话筒(14)伸向所述检测管(1)内，所述扬声器(13)和驻极式话筒(14)均靠近所述检测管(1)的管心线；

步骤12：利用发声软件构造出白噪声信号，将白噪声经过功率放大器及扬声器(13)，扬声器(13)贴近管口固定住，信号经功率放大器放大后由扬声器(13)送入油管中，通过连续不断地向管内发送白噪声，激发管中空气柱共振，将驻极式话筒(14)置于管口内5米处，以采集管中能量强的共振信号；

步骤13：设置采样频率f_s为1万Hz，采样时间T₁分钟，采集得到周期为N的共振信号R(n),n＝0,1,2,…,N-1；

步骤14：将共振信号R(n)通过低通滤波器，进行抗混叠滤波，然后把模拟信号变成数字信号，能得到共振信号R(n)的时域波形；

步骤15：根据自相关原理，设采集到的共振信号为R(n)＝X(n)+Y(n)，其中X(n)为共振信号，Y(n)为随机噪声信号，接收机的其中一个通道输入R(n)，另一个通道经过延时器，使R(n)延时z，经过延时的R(n+z)和未经延时的R(n)均送入相乘器内，乘积求和后取平均值输出，从而得到自相关函数r_R(z)：

其中，r_XX(z)表示共振信号的自相关，r_XY(z)表示共振信号与随机白噪声信号的互相关，r_YX(z)表示随机白噪声信号与共振信号的互相关，r_YY(z)表示白噪声与白噪声的自相关；

根据白噪声与共振信号及白噪声本身之间的不相关特性，有：

r_XY(z)＝r_YX(z)＝r_YY(z)＝0 (2)

因此运用自相关算法可大大消除共振信号中的白噪声，能有效增强信号的周期性；

步骤16：对自相关后周期为N的共振信号做welch多段平均功率谱估计，选用周期为N₁的卷积汉宁窗，窗长N₁的选择满足分辨率可以分辨出相邻谐波频率即可，将原周期为N的共振信号分为L＝N/N₁段，在满足分辨率的基础上，分段数L越多，效果越好，其中相邻各段之间无重叠部分，得到周期为N₁的各段welch功率谱，设每一段周期为N1的共振信号的功率谱为P_per(ω)，即：

把各段P_per(ω)相加，再取平均，得到周期为N的共振信号R(n)的平均功率谱即：

步骤17：得到各段的离散傅里叶变换，频率分辨率为频域内各离散频率间的间隔，频率分辨率为Δf＝f_s/N₁；

步骤18：连续读取K个频率间隔Δf，求平均，定义平均后的频率间隔为

步骤19：借助管柱的声场特性和管内空气柱的共振原理，建立油井动液面深度与管内空气共振频率之间的数学模型：

其中，n为谐波阶数，f_n为对应的共振谐波频率，c为声波信号在空气中的传播速度，c≈331.6+0.6t(m/s)，t为环境温度，l₁为空气柱长度，相邻于f_n的另一共振频率为f_n+1：

联合上面两式可得两个相邻共振频率的间距Δf为：

将平均后的频率间隔带入式(8)，则有空气柱长度l₁为：

考虑管口校正有：

d为管道直径，根据数学模型可以计算出油井动液面的深度l₁。