CN101226681B - 使用离散多音频调制方式的测井遥传系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高性能的测井遥传系统，它用于井下测井仪器与地面数据采集系统之间的数据传输和向井下仪器传送电源。该系统由地面收发器、井下收发器、测井电缆、数字信号处理器和固化通信软件构成。地面收发器和井下收发器分别传输和接收离散多音频(DMT)信号，是一个用于七芯电缆或单芯电缆的全双工系统，可用于七芯电缆的一个或多个传输模式。其通信协议由标准的ADSL协议衍生而来。信道的频带被分为很多相邻的子频带，每一个子频带都被指定一个音频频率。系统自适应地确定每一个音频频率所携带的信息比特数。分配到各音频的比特数取决于该音频频带的信噪比，信噪比越高分配到该音频的比特数越多。

Description

使用离散多音频调制方式的测井遥传系统

一、技术领域：

本发明属测井领域，其技术涉及测井井下仪器与地面系统之间的数据传输和井下仪器所需电源的传送，这种通信和供电设施通常被称为遥传系统。

二、背景技术：

测井就是利用井下仪器对地层的特性进行各种不同的测量。测井系统为测井设施的总称，它包括地面系统、遥传系统和井下仪器。地面系统的核心为测井计算机。井下仪器包括电阻率、声波、放射性等种类。井下仪器在井下采集到各种数据，这些数据通过遥传系统被传输到地面，地面系统再对这些数据进行记录、显示、分析和处理。地面系统对井下仪器的控制命令经遥传系统传送到井下仪器。除完成井下仪器与地面数系统之间的数据通信外，遥传系统同时也向井下仪器传送电源。因此，遥传系统在测井系统中起着连接井下仪器和地面系统之间的信息与电能的桥梁作用。遥传系统由信号通信调制方法下的地面收发器、井下收发器、测井电缆、数字信号处理器和固化通信软件构成。

随着技术的发展，井下仪器越来越多，每支仪器所采集的数据量也越来越大，这就意味着越来越多的数据需要传送到地面。已有的测井遥传系统不能满足不断增加的需求，成为测井技术发展的瓶颈。本发明的主要特征为高通信数据率，突破了这一瓶颈。

目前较为广泛使用的测井系统及其相应的遥传系统有：

1)斯伦伯谢公司的Maxis500测井系统，其相应的遥传系统采用正交振幅调制(QAM)技术，总的上行数据率最大为500KBPS。这一技术的缺点是：一旦载波频率受到干扰，则系统的数据率将大幅降低，甚至不能工作。

2)贝克休斯公司的Eclipse5700测井系统，其相应的遥传系统采用曼彻斯特编码技术，总的上行数据率最大为230KBPS。这一系统的缺点是数据率太低，不能满足大数据量的要求。

3)哈里伯顿公司的Excel2000测井系统，其相应的遥传系统根据不同的上传速率采用调制的双二进制码或不调制的变形双二进制码，总的上行数据率最大为220KBPS。这一系统的缺点也是数据率太低，不能满足大数据量的要求。

近年来国内外都在积极进行高速遥传系统的研究，取得了一些进展。西安石油勘探仪器总厂党剑华等，于2002年获得了一项有关高速遥传的专利“一种高数传速率电缆遥传测井仪”，申请(专利)号：01213180.6。该专利发明采用正交频分复用编码技术(COFDM)，用同一个传输模式(模式5)同时传输上下行信号，在长度为7千米的传统七芯电缆上实现了500KBPS左右的传输数据率。然而，这一传输数据率仍然不能满足大数据量的要求。

在电话网络上高速传输数据系统(称作ADSL系统)是近年发展起来的网络系统，其核心为离散多音频(DMT)调制技术。ADSL技术具有速率高，速率可根据信道的信噪比调节和很好的抗干扰性能等优点。在测井遥传系统中使用离散多音频(DMT)信号调制技术，我们发明了一种高速的测井遥传系统。

三、发明内容：

该高速测井遥传系统中，信道的频带被分为很多相邻的子频带，每一个子频带都被指定一个音频频率，所有的音频频率都是子频带带宽的整数倍。系统自适应地确定每一个音频频率所携带的信息比特数；分配到各音频的比特数取决于该音频频带的信噪比，信噪比越高分配到该音频的比特数越多。

该测井遥传系统的硬件由地面收发器和井下收发器组成。两个收发器都发送和接收离散多音频(DMT)信号，是一个电缆通信的全双工系统。至少一个七芯电缆的传输模式被用于传输从井下收发器到地面收发器的离散多音频信号，同时至少一个七芯电缆的传输模式被用于传输从地面收发器到井下收发器的离散多音频信号。同一个七芯电缆的传输模式也可以被用于同时传输从井下收发器到地面收发器的离散多音频信号和传输从地面收发器到井下收发器的离散多音频信号。

该测井遥传系统具以下具体技术特征：

1)其通信协议是由标准的ADSL协议衍生而来；

2)上行或下行信道的频带被分成至少16个子频带。具体的上行和下行子频带数目可从16个到512个不等，取决于具体的需求；

3)所用电缆可以是传统七芯电缆、单芯电缆或其它测井电缆；

4)可用一个或多个传输模式进行通信(传输模式2，3，4，5，6和7)；

5)上行数据率可超过1MBPS，下行数据率超过50KBPS，具体的数据率取决于电缆的频率响应、信道的信噪比、以及信道和子频带的带宽等参数；

6)上行和下行采用离散多音频调制技术，也可以采用其它的调制技术或混合调制技术；

7)电缆的传输模式也被用于向井下仪器传送电源；

8)井下仪器所需电源可以通过电缆的传输模式传送，也可以不通过电缆的传输模式传送。

四、附图说明：

图1井下仪器在井中测井操作的示意图；

图2传统七芯电缆的构造截面和频率响应图；

图3传统七芯电缆的传输模式示意图；

图4测井系统方框图；

图5传统七芯电缆各种传输模式的频率响应图；

图6当上行和下行信号在七芯电缆的不同模式中传输时的离散多音频的频谱图；

图7当上行和下行信号在七芯电缆的同一个模式中传输时的离散多音频的频谱图；

图8收发器方框图；

图9单芯电缆构造截面和频率响应图；

图10本项发明的一个具体实现的缆芯分配方案一示意图；

图11本项发明的一个具体实现的缆芯分配方案二示意图。

五、具体实施方式：

图1为井下仪器在井中的测井操作的示意图。井下仪器在井下采集到各种数据，这些数据通过遥传系统被传输到地面，地面系统再对这些数据进行记录、显示、分析和处理。除完成井下仪器与地面系统之间的数据通信外，遥传系统同时也向井下仪器传送电源。遥传系统在测井系统中起着连接井下仪器和地面系统之间的信息与电能的桥梁作用。

七芯电缆通常被用于石油测井，其机械强度很好。图2给出了传统七芯电缆的截面和构造材料。我们一般采用七芯电缆缆芯的组合来传输信号，这些组合被称为传输模式，如图3所示。使用传输模式来传输电源和信号能减少模式之间的相互干扰，这就是说使用传输模式作为通信信道可获得较好的通信质量。在我们的应用中，至少一个电缆的传输模式被用于传输从井下收发器到地面收发器的离散多音频信号，同时至少一个电缆的传输模式被用于传输从地面收发器到井下收发器的离散多音频信号。同一个电缆的传输模式也可以被用于同时传输从井下收发器到地面收发器的离散多音频信号和传输从地面收发器到井下收发器的离散多音频信号。

井下收发器和地面收发器是遥传系统的主要组成部分。井下收发器和地面收发器之间是测井电缆(如图4所示)，从地面收发器到井下收发器之间的通信信道称为下行信道，简称下行；同样，从井下收发器到地面收发器之间的通信信道称为上行信道，简称上行。

图5为传统七芯电缆各种传输模式的频率响应。在我们的方法中，任意一个传输模式都可以用于传输上行或下行数据。模式7具有最好的频率响应，因此常被用于数据传输；模式5的频率响应比模式2，3，4好，但比模式6差，可实现较容易，所以也常被用于数据传输。由于这是一个全双工系统，一个模式可以同时传输上行和下行数据；也可以用一个模式传输上行数据，而用另一个模式传输下行数据。根据不同的需求，我们也可以用多个传输模式来传输上行或下行数据。

由于在测井遥传系统中采用了离散多音频调制技术，因此可以在有限的频带内获得最高的传输数据率。每一个音频的比特分配取决于该音频频带的信噪比：信噪比越高分配到该音频的比特数越多；如果信噪比太低，则该音频不传输任何比特信息。一个音频频带的信噪比主要取决于该频带的频率响应(如图5所示)。

图6所示为当上行和下行信号在传统七芯电缆的不同模式中传输时它们的离散多音频的频谱；图7为当上行和下行信号在传统七芯电缆的同一个模式中传输时它们的离散多音频的频谱。图7所示的方法比图6的方法实现起来较简单，但从频谱图可以看出：图7所示的方法得到的上、下行数据率较低。我们也可以将图6和图7的方法混合起来，构造遥传系统。在这种情况下，一个传输模式用于同时传输上、下行数据，而其它传输模式都用于传输上行数据。

数字信号处理器用来控制收发器的接收和发送、和/或存储和运行固化软件。该数字信号处理器可以是DSP，或FPGA，或任何其它微处理器，或它们的组合。固化软件按一系列步骤调制发送信号，如图8所示，这些步骤包括：

循环冗余码校验；

扰码；

里德·所罗门(Reed-Solomon，或RS)编码；

音频排序和星座编码；

离散反傅立叶变换；

加循环前缀；

数模转换和滤波。

待发送的数据在数字信号处理器里形成数据帧，然后送到循环冗余码(CRC)发生器，产生一个CRC码，以便接收端跟踪未被前向纠错子模块(FEC)矫正的错误。这数据流通过扰码器对数据串进行随机化处理，从而避免长串的“1”或长串的“0”进入调制器；否则，这些长串的“1”或长串的“0”将使发送器在通信中长时间处于高电位或低电位。

前向纠错(FEC)增加了待发送的数据的冗余，这冗余降低了有效数据传输量，但让前向纠错能纠正在传输过程中引起的比特错误。在我们的应用中，我们采用里德·所罗门(Reed-Solomon，或RS)编码作为前向纠错。

在音频排序和星座编码步骤中，首先给每一个离散多音频的音频分配适当的比特数，然后把这比特数编码成复数值，每一个音频编码成一个复数值。每个音频的比特数通常为0或2到15。

对离散多音频的这些复数值进行离散反傅立叶变换，产生时域的离散多音频调制信号。

循环前缀就是把一个离散多音频符号的最后L个采样插入到该符号的前面。虽然循环前缀减少了信道中传输的信息量，但加入循环前缀使信道看上去是循环的，从而更容易实现频域均衡。循环前缀的选择应使信道的脉冲响应小于所加循环前缀的长度。

数模转换器把数字信号转换成模拟信号，然后整形和放大，最后通过传输模式变压器耦合到测井电缆进行传输。

接收过程基本上和发射过程相反：从传输模式变压器耦合过来的离散多音频信号首先被滤波和放大然后经模数转换器转换成数字信号。

时域均衡器用于消除因信道的脉冲响应大于循环前缀的长度而引起的符号间互相干扰，同时也滤除输入信号中的频带外噪声。去掉循环前缀后，离散傅立叶变换把时域的数据解调成频域的数据。

离散傅立叶变换后的数据是复共轭对称的。去掉数据的复共轭部分，把留下的部分送到频域均衡器作频域均衡。所谓的频域均衡就是对每一个离散多音频的数据进行乘法运算，乘法因子的值在信道初始化时确定，或在同步处理时确定，或每桢都确定，其目的是对音频在传输过程中幅度和相位的失真进行补偿。

在频域均衡后，利用正交幅度调制的星座解码器对每一个音频的数据逐一解码。解码所用的星座影射和发射的星座影射相同；比特提取基本上是音频排序的逆过程；里德·所罗门解码和解扰也是里德·所罗门编码和扰码的逆过程。经里德·所罗门解码和解扰后的数据流进入循环冗余码校验，然后解帧，就得到发送的数据。

在上行的离散多音频中，我们保留一个音频作为导航音频。地面收发器用导航音频来实现采样时钟和井下收发器的时钟保持同步。导航音频不能用于携带数据；由于低频噪声的影响，第一个音频通常也不用于携带数据。

我们的测井遥传系统使用修改过的ADSL协议来进行信道初始化、信道训练、信道分析、时钟同步和数据交换。

以上所述是一种使用传统七芯电缆的、全双工的、遥传系统的原理说明和应用实现。至少一个传输模式被用于上行通信，同时至少一个传输模式被用于下行通信。在有些情况下，同一个传输模式也被用于同时进行上下行通信。如此等等，无论任何修改都属于本专利的范畴。

我们在这里描述的遥传系统也适用于单芯电缆(如图9所示)；在这种情况下，上下行信号以及电源都是通过同一信道传输。

本发明所描述的遥传系统的应用不仅包括传统七芯电缆和单芯电缆，也包括任何其它电缆测井和随钻测井的电缆。

图10为本项发明的一个具体实现的缆芯分配示意图。模式5用于传输下行信号，模式7用于传输上行信号。T1，T2，T7和T8是模式变压器。其中，T1用于把下行信号从地面发射器耦合到电缆；T2用于接收端，把下行信号从电缆耦合到井下接收器；T8用于井下的发射器，把上行信号耦合到电缆；T7用于接收端，把上行信号从电缆耦合到地面接收器。T3，T4，T5和T6是电源变压器。T3在地面把辅助电源耦合到电缆；T4在井下把辅助电源从电缆耦合到井下仪器；T5在地面，T6在井下，用于把仪器电源从地面传到井下。缆芯1和缆芯4用于传输仪器主电源，传输模式2用于向井下仪器提供辅助电源。在这一具体的应用中，上行数据率能达到1MBPS，下行数据率能达到100KBPS。图11给出了本项发明的具体实现的缆芯分配的另一方案。

Claims (12)

1.一种七芯电缆测井遥传系统，该系统包括：

至少一个地面收发器和至少一个井下收发器；

所述地面收发器和所述井下收发器发送、接收采用离散多音频调制方法，即DMT调制方法调制后的信号，即DMT信号，所述DMT信号通过信号传输电缆传递；

所述七芯电缆的缆芯以不同方式组合，形成传输模式1～模式7，采用模式7传输上行信号，模式5传输下行信号、或者采用模式5传输上行信号，模式7传输下行信号以获得更高的传输速率。

2.如权利要求1所述的七芯电缆测井遥传系统，其特征在于：

当所述七芯电缆的长度为7000米时，能够采用任何一个传输模式来传输上行信号和下行信号。

3.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

至少一个所述七芯电缆的传输模式被用来把DMT信号从地面收发器传送到井下收发器；

至少一个所述七芯电缆的传输模式被用来把DMT信号从井下收发器传送到地面收发器；

同一个所述七芯电缆的传输模式也能够同时被用来把DMT信号从地面收发器传送到井下收发器和把DMT信号从井下收发器传送到地面收发器；

所述七芯电缆传输模式的组合也同样能够用来传输上行信号和下行信号；

电源可以通过传输模式传输，也可以不通过传输模式传输。

4.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

所述DMT信号采用通信协议来传递，所述通信协议是由标准ADSL衍生而得到的，并用来实现通道初始化、通道训练、通道分析、同步和数据交换处理。

5.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

所述DMT调制用于上行信号和下行信号。

6.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

离散多音频调制方法用于在有限的频带内最大限度地提高信号传输能力，按各音频通道的信噪比最有效地将数据比特分配到各音频通道。

7.如权利要求6中所说的系统，其特征在于：

所述频带被分为许多子频带，每子频带的带宽为4.3125KHz。

8.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

上行通信或下行通信的子频带个数可选范围为16个到512个。

9.如权利要求1中所述的系统，其特征在于：

上行通信的传输容量可达到1000kbps以上，下行通信的传输容量可达到100kbps以上，数据传输容量可多可少，取决于电缆的频率响应特性和参数选择。

10.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

所述七芯电缆测井遥传设备的组成还包括一组电缆传输模式变压器，命名为T1、T2、T7和T8，其中，T1用于将下行信号从地面发送器耦合到电缆；T2用于井下接收端，将接收信号从电缆耦合到井下接收器；T8用于将上行信号从井下发送器耦合到电缆；T7用于地面接收端，将接收信号从电缆耦合到地面接收器。

11.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

所述七芯电缆测井遥传设备的组成还包括一组电源变压器，命名为T3、T4、T5和T6，其中，T3用于将辅助供电耦合到电缆；T4在井下用于将辅助供电从电缆耦合到井下仪器；T5用于地面将主供电耦合到电缆；T6用于井下将主供电从电缆耦合到井下仪器。

12.如权利要求1中所说的系统，其特征在于：

主供电并未用传输模式来传输，而是通过缆芯1和缆芯4传输，辅助供电经由传输模式2来传输。

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