CN103953334A

CN103953334A - 测井信号电缆传输系统和测井信号电缆传输方法

Info

Publication number: CN103953334A
Application number: CN201410177648.6A
Authority: CN
Inventors: 双凯; 双晴
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-07-30

Abstract

本发明提供了一种测井信号电缆传输系统和测井信号电缆传输方法，其中，该系统包括：测井电缆，用于传输测井信号；均衡器，所述均衡器的输入端与所述测井电缆的输出端相连，用于根据所述测井信号的信号源内阻和所述测井电缆的物理特性参数，对所述测井电缆输出的信号进行补偿。本发明解决了现有技术中测井数据的传输速率低下的技术问题，达到了提高测井数据的传输速率的技术效果。

Description

测井信号电缆传输系统和测井信号电缆传输方法

技术领域

本发明涉及信号传输领域，特别涉及一种测井信号电缆传输系统和测井信号电缆传输方法。

背景技术

在测井系统中，数据的传输速度一直是深受关注的问题，较低的数据传输速度限制了包括成像测井技术在内的一些新技术的发展，也限制了测井数据的有效利用。如何提高测井数据的传输速率已经成为一个尤为关键的问题。在现代钻井技术中，随着随钻技术的发展，需要测量的数据也不断增多，这也要求携带大数据量的随钻测量数据必须快速、稳定、实时地传递到地面系统。

目前，即使是在电缆的频带宽度上利用高效率编码方式最多也只能达到500Kbps的数据传输速率，这样的传输速率难以满足日益发展的测井技术的需求，尤其对于数据量极大的成像测井技术和其它组合测井技术，更难以满足技术的需要。目前针对如何有效提高测井数据的传输速率还没有提出有效的解决办法。

发明内容

本发明实施例提供了一种测井信号电缆传输系统，以达到提高测井数据的传输速率的目的，该系统包括：

测井电缆，用于传输测井信号；

均衡器，所述均衡器的输入端与所述测井电缆的输出端相连，用于根据所述测井信号的信号源内阻和所述测井电缆的物理特性参数，对所述测井电缆输出的信号进行补偿。

在一个实施例中，上述测井信号电缆传输系统还包括：电压跟随器，分别与所述测井电缆和所述均衡器相连，用于在所述测井电缆和所述均衡器之间进行信号隔离。

在一个实施例中，所述测井电缆的物理特性参数包括：测井电缆的负载电阻、测井电缆的等效衰减电阻、测井电缆的等效电感、测井电缆的介质旁路衰减电导、测井电缆的介质旁路吸收电容。

在一个实施例中，所述均衡器是一个三阶等效电路。

在一个实施例中，所述均衡器的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) .

其中，A表示0阶的特性参数、B表示1阶的特性参数、C表示2阶的特性参数、D表示3阶的特性参数，R₁表示测井信号源电源的内阻，R₂表示所述测井电缆的负载电阻，R表示所述测井电缆的等效衰减电阻，L表示所述测井电缆的等效电感，G₁、G₂表示所述测井电缆的介质旁路衰减电导，C₁、C₂表示所述测井电缆的介质旁路吸收电容。

在一个实施例中，所述测井电缆包括：7芯铠装电缆。

本发明实施例还提供了一种测井信号电缆传输方法，以达到提高测井数据的传输速率的目的，该方法包括：

确定测井电缆的等效电路；

根据确定的所述等效电路的物理特性参数和待传输测井信号的信号源内阻，确定均衡器的特性参数；

按照所述特性参数构造均衡器；

通过所述均衡器对所述测井电缆输出的测井信号进行补偿。

在一个实施例中，根据确定的所述等效电路的物理特性参数和待传输测井信号的信号源内阻，确定均衡器的特性参数，包括：

按照以下公式求取所述均衡器的电路响应：

h (t) * \hat{h} (t) = δ (t)

其中，h(t)表示所述等效电路的电路响应，表示均衡器的电路响应，δ(t)表示冲击响应；

根据所述均衡器的电路响应确定所述均衡器的特性参数。

在一个实施例中，所述均衡器为一个三阶等效电路。

在一个实施例中，确定的所述均衡器的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) .

其中，A表示0阶的特性参数、B表示1阶的特性参数、C表示2阶的特性参数、D表示3阶的特性参数，R₁表示信号源电源的内阻，R₂表示所述测井电缆的负载电阻，R表示所述测井电缆的等效衰减电阻，L表示所述测井电缆的等效电感，G₁、G₂表示所述测井电缆的介质旁路衰减电导，C₁、C₂表示所述测井电缆的介质旁路吸收电容。

在一个实施例中，在通过所述均衡器对所述测井电缆输出的测井信号进行补偿之前，所述方法还包括：

通过电压跟随器对所述测井电缆输出的测井信号进行电压跟随。

在本发明实施例中，通过在测井电缆之后连接一个均衡器，通过这个均衡器对通过测井电缆进行传输的测井信号进行补偿，使得由于测井电缆的长距离传输而导致的信号的衰减或者是畸变可以得到有效消除，从而将测井信号的窄带传输模式转换为了宽带模式传输，解决了现有技术中测井数据的传输速率低下的技术问题，达到了提高测井数据的传输速率的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的测井信号电缆传输系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的测井信号电缆传输方法的流程图；

图3是本发明实施例的电缆结构示意图；

图4是本发明实施例的测井电缆电气连接关系原理图；

图5是本发明实施例的测井信号传输电缆的网络传输结构示意图；

图6是本发明实施例的T型电路示意图；

图7是本发明实施例的П型电路示意图；

图8是本发明实施例的测井信号电缆传输系统的电路示意图；

图9是本发明实施例的测井信号传输电缆等效电路示意图；

图10是本发明实施例的均衡器的结构示意图；

图11是本发明实施例的测电缆模拟器的单位冲激响应函数示意图；

图12是本发明实施例的测井电缆模拟器频率特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现，目前有代表性的测井电缆遥传系统，都是采用不同编码效率的调制方式进行数据传输，同时利用了缆芯多路复用技术，然而这些方法都是在现有的电缆频宽的基础上进行的，并不能从根本上解决问题。发明人考虑，对于现场生产而言，提高电缆的传输速率是一个关键的问题，由于测井电缆具有长而细的特点，一般测井电缆长为5000-7000m，因为线缆比较长，在传输的过程中必然导致信号的衰减，为了保证传输数据的有效性，一般只能采用窄带的传输方式，无法提供较宽的信号传输频带。一般情况下，7000m测井电缆所能够提供的信号频带仅为几千赫兹，很难满足数据快速传输的要求。

因此，发明人考虑，可以通过在测井电缆的输出端接一个均衡器，以对信号进行合理的补偿，从而使得输出的信号的强度增强以便增加信号传输的带宽，将窄带变为宽带。

在本例中，提供了一种测井信号电缆传输系统，如图1所示，包括：

测井电缆101，用于传输测井信号；

均衡器102，均衡器102的输入端与测井电缆101的输出端相连，用于根据所述测井信号的信号源内阻和测井电缆101的物理特性参数，对测井电缆101输出的信号进行补偿。

在上述实施例中，通过在测井电缆之后连接一个均衡器，通过这个均衡器对通过测井电缆进行传输的测井信号进行补偿，使得由于测井电缆的长距离传输而导致的信号的衰减或者是畸变可以得到有效消除，从而将测井信号的窄带传输模式转换为了宽带模式传输，解决了现有技术中测井数据的传输速率低下的技术问题，达到了提高测井数据的传输速率的技术效果。

具体实施时，上述测井信号电缆传输系统中还可以包括：电压跟随器，分别与测井电缆101和均衡器102相连，用于在测井电缆101和均衡器102之间进行信号隔离。

上述的测井电缆的物理特性参数可以包括：测井电缆的负载电阻、测井电缆的等效衰减电阻、测井电缆的等效电感、测井电缆的介质旁路衰减电导、测井电缆的介质旁路吸收电容，然而值得注意的是，上述物理特性参数仅是一个具体实施例，按照需求的不同或者是环境的不同，也可以采用其它的参数来确定均衡器的特性参数，以实现传输信号的补偿。

根据上述的测井电缆的物理特想参数，在设计均衡器的过程中，可以将其设计为一个三阶等效电路，这个三阶等效电路的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) .

值得注意是，采用三阶等效电路作为均衡器仅是均衡器的一种实现方式，对于其它的可以对进行电路等效的方式也可以被使用，本发明不作限定。

上述测井电缆101可以是7芯铠装电缆，然而值得注意是，7芯铠装电缆仅是一种具体的例子，其它的可以进行测井信号传输的电缆都可以应用到测井信号传输中。

在本发明实施例中还提供了一种测井信号电缆传输方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：确定测井电缆的等效电路；

步骤202：根据确定的所述等效电路的物理特性参数和待传输测井信号的信号源内阻，确定均衡器的特性参数；

步骤203：按照所述特性参数构造均衡器；

步骤204：通过所述均衡器对所述测井电缆输出的测井信号进行补偿。

具体的，上述步骤202中根据等效电路确定均衡器的特性参数可以包括：

1)按照以下公式求取所述均衡器的电路响应：

h (t) * \hat{h} (t) = δ (t)

2)根据所述均衡器的电路响应确定所述均衡器的特性参数；

即，先确定均衡器的电路响应，也就是确定使得的均衡器的电路响应，从而使得通过均衡器的补偿作用可以使得测井电缆信号的传输模式转变为对信号传输没有任何衰减作用的宽带信号传输模式。

均衡器可以是一个三阶等效电路，具体的均衡器的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) .

其中，A表示0阶的特性参数、B表示1阶的特性参数、C表示2阶的特性参数、D表示3阶的特性参数，R₁表示信号源电源的内阻，R₂表示所述测井电缆的负载电阻，R表示所述测井电缆的等效衰减电阻，L表示所述测井电缆成形产生的等效电感，G₁、G₂表示所述测井电缆的介质旁路衰减电导，C₁、C₂表示所述测井电缆的介质旁路吸收电容。

为了保证测井电缆信号与均衡器之间的信号隔离以减少均衡器对信号的衰减作用，可以在测井电缆和均衡器之间接入电压跟随器。即，在通过均衡器对测井电缆输出的测井信号进行补偿之前，通过电压跟随器对所述测井电缆输出的测井信号进行电压跟随。

通过上述方式将测井电缆传输测井信号的传统分析中窄带传输模式变为宽带传输模式，为高速正交频分复用的设计提供了物理基础。

下面结合一个具体的实施例对本发明进行具体描述，然而值得注意的是该具体实施例仅是为了更好地描述本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本例是基于现用的测井铠装电缆的频带宽度较窄，限制了测井技术的进一步发展的问题而提出的，目的是为了从频带宽度的角度出发，寻求提高现用的测井电缆数据传输速度的方法，从而从根本上解决以往仅从提高数据编码效率或进行有限的信道展宽补偿来达到提高数据传输速率的目的所带来的局限。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是一种多载波传输技术，这种传输技术频谱利用率高，具有很好的抗干扰性能，是一种应用于宽带通信的多载波调制方法，该技术现在已广泛地应用于军事、水声通信及无线通信等领域。与传统的单载波调制方法相比，OFDM技术不仅提高了频带利用率，而且能够克服信号传输中的码间干扰，克服传输信道的损失，从而提高信号传输的效率。然而，移动通信中采用的OFDM技术一般是基于宽带信号传输的基本模式，如何将测井电缆的窄带模式转变成宽带模式是亟待解决的问题。

下面对电缆进行一定的描述，以便于对本发明更深入的了解，如图3所示是电缆结构示意图，该测井铠装电缆由外层铠装钢丝、内层铠装钢丝和七根电缆缆芯组成，铠装钢丝位于最外层，在将测井铠装电缆放入井下时，铠装钢丝与地层或井中的泥浆相接触。7芯铠装电缆由7根金属导线外包绝缘材料绞合而成，缆芯7在中央，其余六根按顺序以一定螺距绕在第7号缆芯上，其外围分别为缆芯1到6，如图3所示，电缆芯与芯之间及缆芯与铠装外皮之间相互绝缘，在缆芯的直流电阻约为25Ω/Km，分布电容约为0.1μF/Km，分布电感约为2μH/Km，缆芯与缆芯之间相互的串音干扰是不可忽视的。因此，这种测井电缆信号传输的有效频带宽度约在100Hz～300KHz的范围内，由此可以看出，7芯电缆作为信息传输媒介，其电磁特性是相当差的，当其中一根缆芯加有信号时，在其余6根缆芯上都会出现感应信号，相互之间的幅度、极性和相位是各不相同的。这些因素都会造成传输信号的畸变，限制了井下与地面之间的数据传输速率。

图4是测井电缆电气连接关系原理图：地面电源经变压器耦合通过1号和4号缆芯向井下仪器供电，提供电源，7号缆芯和铠装外皮组成数据传输模式7，2号、5号、3号、6号组成数据模式2和模式5。在这几种连接方式中，模式5和模式7的传输带宽可以达到100KHz，模式2的传输带宽仅可以达到50KHz，显然这几种传输模式都属于窄带传输模式。

在现有技术中，一般都是采用微分方程的方式来获取测井电缆上信号的传输规律，因为缆芯之间存在干扰，从而使得最终微分方程分析出的结果不是很准确，很容易出现误差。在本例中，摒弃了传统的求解微分方程以获取测井电缆上信号传输规律的做法，提出了一种对测井电缆上信号传输规律进行分析的方法，首先对测井电缆建立其电气参数的数学模型，特别是确定信号发送端和信号接收端两端点的信号相互关系；由于在端点上电磁波波长远大于检测仪器的结构尺寸，因此可以就传输端点的分析将电磁场分析化简成电路分析，以此为基础推导出等效电路模型，然后再根据等效电路模型设计最佳的补偿滤波器组以实现测井信号传输的最佳补偿，从而完成变窄带信号传输为宽带信号传输的质的转变。

为了更为有效的说明书如何对电缆传输进行补偿，下面先从物理电路的角度进行理论分析：

在对测井信号传输电缆的电传输特性进行分析时，可以将测井信号的传输电缆当作无源、因果的线性传输网络进行分析。对于所选取的测井信号传输电缆，其流入的电流等于流出的电流，不失一般性，在后续分析中按照正弦电流电路的稳态情况进行分析，如图5所示，是本例的测井信号传输电缆的网络传输结构示意图。假设将电压和看作是外加的电压源，确定这个电路的回路电流方程。如图5所示，选取回路1和回路2，则回路1和回路2的电流恰好就是I&₁和I&₂，所得的一组回路电流方程的右边除了回路1和回路2之外都应该等于零，而回路1和回路2方程的右边则分别为和因此，这组方程可以表示为：

\begin{matrix} Z_{11} {\overset{\cdot}{I}}_{1} + Z_{12} {\overset{\cdot}{I}}_{2} + \cdot \cdot \cdot + Z_{1 l} {\overset{\cdot}{I}}_{l} = {\overset{\cdot}{U}}_{1} \\ Z_{21} {\overset{\cdot}{I}}_{1} + Z_{22} {\overset{\cdot}{I}}_{2} + \cdot \cdot \cdot + Z_{2 l} {\overset{\cdot}{I}}_{l} = {\overset{\cdot}{U}}_{2} \\ \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \\ Z_{l 1} {\overset{\cdot}{I}}_{1} + Z_{l 2} {\overset{\cdot}{I}}_{2} + \cdot \cdot \cdot + Z_{ll} {\overset{\cdot}{I}}_{l} = {\overset{\cdot}{U}}_{l} = 0 \end{matrix}

(方程组1)

将该方程组1写成矩阵格式为：

[\begin{matrix} Z_{11} & Z_{12} & \cdot \cdot \cdot & Z_{1 l} \\ Z_{21} & Z_{22} & \cdot \cdot \cdot & Z_{2 l} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ Z_{l 1} & Z_{l 2} & \cdot \cdot \cdot & Z_{ll} \end{matrix}] [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{I}}_{l} \end{matrix}] = [\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ 0 \end{matrix}]

即，ZI＝U；

设矩阵Z可逆，有I＝Z-¹U

令，

Z^{- 1} = [\begin{matrix} Y_{11} & Y_{12} & \cdot \cdot \cdot & Y_{1 I} \\ Y_{21} & Y_{22} & \cdot \cdot \cdot & Y_{2 I} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ Y_{I 1} & Y_{I 2} & \cdot \cdot \cdot & Y_{II} \end{matrix}]

因为只需要关心测井电缆两端的电流变化，因此求解方程1可以得到：

\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{l} = Y_{11} {\overset{\cdot}{U}}_{1} + Y_{12} {\overset{\cdot}{U}}_{2} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} = Y_{21} {\overset{\cdot}{U}}_{1} + Y_{22} {\overset{\cdot}{U}}_{2} \end{matrix}

(方程组2)

由于方程组2右边的Y₁₁、Y₁₂、Y₂₁、Y₂₂只与测井信号传输电缆内部等效小段的参数及其结构有关，因此可以将其称为测井信号传输电缆的Y参数，属于复导纳性质，而这些参数和结构又决定于构成这些回路的各支路的复阻抗。

根据上述方程组2，可以得到：

Y_{11} = \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{1}}{{\overset{\cdot}{U}}_{1}} |_{{\overset{\cdot}{U}}_{2} = 0}, Y_{12} = \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{1}}{{\overset{\cdot}{U}}_{2}} |_{{\overset{\cdot}{U}}_{1} = 0}, Y_{21} = \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{2}}{{\overset{\cdot}{U}}_{1}} |_{{\overset{\cdot}{U}}_{2} = 0}, Y_{22} = \frac{{\overset{\cdot}{I}}_{2}}{{\overset{\cdot}{U}}_{2}} |_{{\overset{\cdot}{U}}_{1} = 0}

其中，Y₁₁表示2-2’短接时，在1-1’处的输入导纳或入端导纳，Y₁₂表示1-1’短接时，在2-2’处的转移导纳，Y₂₁表示2-2’短接时，在1-1’处的转移导纳，Y₂₂表示1-1’短接时，在2-2’处的入端导纳。

通过推导可以得出：将和互换，对于推导结果中的Y参数无影响，即Y₁₂＝Y₂₁，对于测井信号传输电缆的传输网络模型，从任一个端口看过去，其电气特性是一样的，因而可将测井信号传输电缆视为电气上对称，因此有Y₁₁＝Y₂₂。

对于任意一个无源网络都可以用一个等值阻抗来表征它的外部性能，同理，有两组对外连接端钮的测井信号传输电缆的外部性能也可以通过一个无源二端口网络来表征。显然，测井信号传输电缆的特点符合这个无源、线性的基本要求，这个无源二端口网络可以通过三个参数确定，只需要找到一个由具有三个不同的阻抗(或导纳)所组成的一个简单二端口网络，如果后者的参数与前者的参数分别相同，则这两个二端口网络对外部性能来说就相同了，由三个阻抗(或导纳)所组成的二端口网络只有两种形式，即如图6所示的T型电路和如图7所示的П型电路。

考虑到П型电路更易于计算，在本例中，以П型电路为例进行说明，如果一个给定的二端口网络的Y参数为已知，则可以按照以下方式找它的一个等值二端口网络：

假定要找的这个等值二端口网络是如图7所示的П型电路，可以求得此П型电路的Y参数分别为：

Y₁₁＝Y_a+Y_b Y₂₁＝Y₁₂＝-Y_b Y₂₂＝Y_b+Y_c

因此，只需要令这些Y参数分别等于给定二端口网络的Y参数，那么这个П型电路就等同于等值的二端口网络了。因此，可以得出：

Y_a＝Y₁₁+Y₂₁ Y_b＝-Y₂₁ Y_c＝Y₂₂+Y₂₁

对于对称的二端口网络，Y₁₁＝Y₂₂，因此，Y_a＝Y_b，该二端口网络的等值型电路也是对称的。

经过电缆传输，数字信号受到电缆电气参数的影响会产生较大的波形畸变，因此发明人考虑设计一个如图8所示的均衡器来抵消掉测井信号传输电缆所造成的信号损失，因此测井电缆信号的传输模式就可以变为对信号传输没有任何衰减作用的宽带信号传输模式。

假设如图8所示的由1-1’端到2-2’端的测井电缆П型等效电路的单位冲激响应为h(t)，并且设均衡器的单位冲激响应为因此有其中，符号*表示卷积运算，δ(t)为狄拉克冲击函数。

为了保证测井电缆信号与均衡器之间的信号隔离以减小均衡器对信号的衰减作用，可以在测井信号传输电缆的输出端接入一个电压跟随器。

理论上而言，如果所设计的均衡器能够完全抵消掉信号传输电缆引起的信号畸变，那么，这种均衡器应该是最佳的。也就是说，经过最佳均衡器的处理，原有的经过测井电缆衰减的测井信号是可以恢复到未经测井电缆衰减的发送端信号波形。

在本例中，通过参数等效，将测井信号传输电缆等效为如图9所示的一个三阶、稳定的因果及非时变的线性系统，其中：

Y_a＝G₁+sC₁

Y_{b} = \frac{1}{R + sL}

Y_c＝G₂+sC₂

其中，R₁表示信号源电源内阻，R₂表示负载电阻，R表示测井电缆长线等效衰减电阻，L表示测井电缆成形产生的等效电感，G₁、G₂表示介质旁路衰减电导，C₁、C₂表示介质旁路吸收电容。

经推导后可得，信号源内阻及负载电阻的信号传输电缆的传递函数为：

H (s) = \frac{U_{o} (s)}{U_{s} (s)} = \frac{1}{A s^{3} + B s^{2} + Cs + D}

其中：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) .

考虑到如果需要使得均衡器均衡后的信号与输入的信号(即未经电缆传输的信号)相同，那么信号传输电缆与均衡器级联后的综合作用应该为：

h (t) * \hat{h} (t) = δ (t),

即

H (s) \hat{H} (s) = 1,

其中，H(s)是h(t)的拉普拉斯变换，是的拉普拉斯变换。由可得：

\hat{H} (s) = \frac{1}{H (s)} = A s^{3} + B s^{2} + Cs + D

在本例中，取R₁＝50Ω、R₂＝∞、R＝2KΩ、L＝45mH、G₁＝1.67μS、G₂＝1.67μS、C₁＝0.018μF、C₂＝0.018μF作为测井电缆模拟器的参数，由此可得，最佳均衡器的特性参数分别为：

A＝C₁C₂LR₁＝7.29×10^-16

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R = 8.43 \times 10^{- 10}

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) \\ + R_{1} (C_{1} + C_{2}) + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) = 3.79 \times 10^{- 5} \end{matrix}

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2}) = 1.00

由此可以确定均衡器的结构如图10所示，即测井电缆模拟器的单位冲激响应函数如图11所示。

如图12所示是本例所取的测井电缆模拟器频率特性示意图，可以看到，该频率特性所表示的-3db通频带大约为6KHz，-60db衰减的频带为160KHz。

经由如图10所示的最佳均衡器的处理，测井电缆的频率特性发生了很大变化，3db带宽从6KHz扩展到300KHz。9144m(30,000ft)电缆模拟器的3db带宽扩展了50倍。通过上述方式可以有效地提高测井电缆的通信速率，结合OFDM技术与调相技术，可以有效提高测井信号传输电缆的通信速率。

在本例中提高测井电缆频带宽度方法的核心在于：将由于测井电缆固有的分布电阻、电容和电感引起的衰减和相移补偿回来，但是欠补偿和过补偿都会使得所传输的信号重新产生畸变，本例中就是通过数学分析实现这一最佳补偿。首先是获取铠装多芯测井电缆数据传输信道电气参数，根据测井电缆的电气参数设计最佳补偿滤波器，在此基础上进行数据通讯及利用此方法开发、设计和生产高速测井电缆遥测遥传系统。测井电缆的数据传输信道可以等效成由一个宽带信号传输通道，从本质上，它不同于以往利用自适应滤波器或传统的FIR滤波器、IIR滤波器所构造的有限频带展宽的消极补偿方法。

在测井仪器的传输中，需要快速、准确地传输测井数据，由于长距离测井信号传输电缆所固有的电气特性，很容易造成信号电气特性的衰减，使得数据在解调过程中难以辨认，因此在数据接收端接入均衡器以达到补偿信号的衰减损失的目的。在本例中，通过对信号传输电缆的电气特性的分析，得到信号传输电缆两端点上的等效电路参数，并以此为依据，设计均衡器的参数以实现测井电缆的最佳补偿，从而实现展宽测井信号传输电缆通频带宽度的目的。通过上述方式所设计的最佳补偿器可以完全将9144m的测井信号传输电缆的-3db带宽扩展50倍，达到300KHz，有效地抵消了测井信号传输电缆所造成的信号衰减和畸变。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过在测井电缆之后连接一个均衡器，通过这个均衡器对通过测井电缆进行传输的测井信号进行补偿，使得由于测井电缆的长距离传输而导致的信号的衰减或者是畸变可以得到有效消除，从而将测井信号的窄带传输模式转换为了宽带模式传输，解决了现有技术中测井数据的传输速率低下的技术问题，达到了提高测井数据的传输速率的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测井信号电缆传输系统，其特征在于，包括：

测井电缆，用于传输测井信号；

2.如权利要求1所述的测井信号电缆传输系统，其特征在于，还包括：电压跟随器，分别与所述测井电缆和所述均衡器相连，用于在所述测井电缆和所述均衡器之间进行信号隔离。

3.如权利要求1所述的测井信号电缆传输系统，其特征在于，所述测井电缆的物理特性参数包括：测井电缆的负载电阻、测井电缆的等效衰减电阻、测井电缆的等效电感、测井电缆的介质旁路衰减电导、测井电缆的介质旁路吸收电容。

4.如权利要求3所述的测井信号电缆传输系统，其特征在于，所述均衡器是一个三阶等效电路。

5.如权利要求4所述的测井信号电缆传输系统，其特征在于，所述均衡器的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2})

6.如权利要求1至5中任一项所述的测井信号电缆传输系统，其特征在于，所述测井电缆包括：7芯铠装电缆。

7.一种测井信号电缆传输方法，其特征在于，包括：

确定测井电缆的等效电路；

按照所述特性参数构造均衡器；

通过所述均衡器对所述测井电缆输出的测井信号进行补偿。

8.如权利要求7所述的测井信号电缆传输方法，其特征在于，根据确定的所述等效电路的物理特性参数和待传输测井信号的信号源内阻，确定均衡器的特性参数，包括：

按照以下公式求取所述均衡器的电路响应：

h (t) * \hat{h} (t) = δ (t)

根据所述均衡器的电路响应确定所述均衡器的特性参数。

9.如权利要求8所述的测井信号电缆传输方法，其特征在于，所述均衡器为一个三阶等效电路。

10.如权利要求9所述的测井信号电缆传输方法，其特征在于，确定的所述均衡器的特性参数为：

A＝C₁C₂LR₁；

B = L (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + C_{2}) + L R_{1} (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) + C_{1} C_{2} R_{1} R;

\begin{matrix} C = L (\frac{1 + G_{1} R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} G_{2} R_{1}) + R (C_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} {+ C}_{2}) + R_{1} (C_{1} + C_{2}) \\ + R_{1} R (C_{1} G_{2} + C_{2} G_{1}) \end{matrix};

D = R (\frac{1}{R_{2}} + G_{1} \frac{R_{1}}{R_{2}} + G_{2} + G_{1} R_{1} G_{2}) + \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 + R_{1} (G_{1} + G_{2})

11.如权利要求7至10中任一项所述的测井信号电缆传输方法，其特征在于，在通过所述均衡器对所述测井电缆输出的测井信号进行补偿之前，所述方法还包括：