CN1039869A - 用于多导线纲索电缆的模态传输方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种用于多导线钢索电缆的模态传输方法与设备，它是在传统的钢索测井电缆中传输多个独立的电信号而又能避免习惯方法遇到的带宽限制问题的设备和方法，每个信号在多个对称排列的导线对(例如两对)中传送，从而使耦合到未用导线中的净信号为零。由于没有耦合，从而有效地消除了与频率有关的互阻抗损耗。

Description

本发明是关于寻找地球内的石油储藏的，更具体地说，是关于一种改进的通讯系统和方法，用于显著地增加用通常的测井电缆所能传输数据的数量（传送速率）和质量，从而适用于钻井深入到地层中对地层的性质进行复杂的、大数据量的测量。

尽管多年来对地球物质的认识以及对更多更好的地层测量的要求增加了，但传送钻井测量记录和测量数据的方法却没有与之相适应，硅集成电路微处理器已经使十年前几乎想象不到的测量和控制功能成为可能，而现有的在钻井中完成测量的能力远远超过了把数据传送到地面的能力。虽然有一些公司目前正致力于发展用于钻井中的光纤电缆，但这项工作看来已遇到了比预期要多的问题。而且，一种可靠的光纤通讯系统可能还得要一些年之后才能问世。再有，通常的钢索型（Wireline    type）电缆在钻井工业中应用非常广泛，以致要替换它们得付出巨大代价。因此，如果要继续使用标准电缆，同时在测井工具中有越来越多的测量与控制功能实现数字化，并使传输的数据速率和频谱宽度相应地增大，就必须找到通过这些标准电缆的更好的数据传送装置。

在传统的钻孔测井工作中，测井工业一般使用一种有7根导线的铠装电缆（通常称为“钢索缆（Wireline）”）向井中提供电源和控制信号，从井中接收数据，并用来悬吊测井工具。这种电缆每一段的长度可能超过7600米。它有6根绝缘铜导线螺旋缠绕在一根中心导线周围，并嵌入半导电橡胶中，外围是两层反向螺旋缠绕的高强度钢丝绳。电缆的直径一般为1.2厘米，其断裂强度约为71×10³

牛顿。在生产过程中，诸如导线的排列和间距等电缆特性受到仔细地控制以保持一致不变。当前，这种高超的生产工艺还只有少数公司能够实现。

在钢索缆中导线的平行排列以及长度过长带来了一些特殊的电性问题，这些问题在一般的电子工业领域（如计算机设计）通常不会遇到，但这些问题长期以来引起电力输送工业和远程电话线等方面的注意。然而，奇怪的是在这些工业所开展的工作似乎并没有引起试图解决钢索缆测井工业中存在的数据传输问题的那些实干家们的注意。

对于从测井工具中获得内容更广泛、数据更多的数据的这种需求在日益增长。从这一角度来看，现有的7导线钢索缆所表现出的性能显然正变得不能接受。特别是当传输高速数字化数据而其信号频谱可能展布在一个很宽的频带时，钢索缆的那些响应特性尤其不合要求。而且，对于各种可能性的严密检验将表明，这个问题不只是信号导线选择不当的问题，因为这里并不存在一个导线对不易于与其他导线对相耦合的。不幸的是，对于单对导线的不好的响应特性也很难予以补偿，因为测井电缆受到变化范围很大而且不能预测的温度与压力变化的影响。反过来，那些变化所引起的传输与耦合响应的变化仅在电缆的一端又很难进行追踪。

因此，本发明提供了一种通过这类电缆传输数据的方法，它包括：

a）在至少一对导线中传输彼此反向的数据，从而使电缆中几乎所有没被选用的导线与所选用的载有相反方向数据的导线之间的耦全基本上相等。于是，传输的数据因电感性的和电容性的向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关的信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

b）接收通过电缆传输的数据。

本发明进一步提供了通过这类电缆在相互独立的多个通道上以改进的带宽传送多道相互独立的数据信号的一种方法，包括：

a）对每一个通道，选择至少两对导线，在每对线上传输相同的数据，从而：

ⅰ）在电缆中基本上所有未选导线对于所选载有相反流向数据的导线的耦合是基本上相等的。于是，传输数据因感性和电容性向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的。这样，从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关的信号衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间的耦合不随环境而变化。

ⅱ）对于每一通道所用的导线，尽管允许与其他通道共用，但仍是那一通道的唯一导线组。

b）对每一通道，传输该通道的数据，

ⅰ）这些数据在每一对选用的导线中基本上是相等的，从而在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中一根导线上的电平，而在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而在每一对中的导线对数据信号而言是彼此反向的导线。

ⅱ）同时在每一个选用导线上可有多个不同的数据信号彼此迭加，而与那些同特定的数据信号相联系的各种通道没有关系。

c）通过从相互迭加的信号中提取出属于各个通道的各种数据信号，接收通过电缆传输的数据。

本发明还提供了一种通过电缆传输数据的设备，包括：

a）一个装置，在至少一对导线中传输彼此反向的数据，从而使电缆中几乎所有未被选用的导线与所选用的载有数据的彼此反向的导线之间的耦合基本上相等。于是，传输数据因感性和容性向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，使从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度并使导线间耦合不随环境而变化。

b）接收通过电缆传输的数据的装置。

本发明的另一个实施例提供了通过这类电缆在相互独立的多个通道上以改进的带宽传送多个相互独立的数据信号的一种设备，包括：

a）对每一个通道选择至少两对导线，并在每对线上传输相同数据的装置，从而：

ⅰ）在电缆中几乎所有未选导线对于所选载有相反方向数据导线的耦合是基本相等的。于是，传输数据因电感性和电容性向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，使从所选导线耦合到每根未选用导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

ⅱ）对于每一通道所用的导线，尽管允许与其他通道共用，但仍是那一通道的唯一导线组。

b）对每一个通道有为在该通道传输数据的装置：

ⅰ）这些数据在每一对选用的导线中基本相等，从而在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中的一根导线上的电平，在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而在每一对中的导线对数据信号而言是彼此反向的导线。

ⅱ）同时在每一个选用导线上可有多个不同的数据信号彼此迭加，而与同那些特定的数据信号相联系的那些各种通道没有关系。

c）接收通过电缆传输的数据的装置，用以从相互迭加的信号中提取出属于各个通道的各种数据信号。

本发明的其它目的与优点通过下面结合附图的介绍、将明显地看出来。

图1是一种典型的现有的7导线铠装测井电缆的截面图。

图2是如图1所示的电缆中一对导线的传输响应振幅和相位的曲线图。

图3是如图1所示的电缆中一对导线对另一导线的互耦合响应曲线图。

图4是如图1所示的电缆的数学运算表达式，为用耦合矩阵P代表电缆的传输特性建立了基础。

图5是耦合矩阵P中关于导线1的各耦合项的示意图。

图6是按照为耦合矩阵P所决定的本征矢量构成的实际导线选择方式的示意性（或者说是具体的）图示，图中还清楚地表明由各选定导线到各未选用导线的两个方向上的耦合是相等的。

图7给出一个7×7矩阵的各项的详细说明，其中还考虑了中心导线。

图8是一个运算放大器电路的一般性示意图。该放大器用于对电压求和和差分，以把数据信号迭加到一个特定的单根导线上。

图9是使用这种7导线电缆时为测井工具传送信号、接收信号和提供电源所用的接口的示意图。

图10是与图2类似的曲线图，给出了按照本发明传输数据时改进了的传输响应。

图11中的曲线给出在电缆的远端传输信号与互耦合信号之比值。

图12与图11类似，是在电缆近端的情况。

图13中的曲线表明了能由适当的传递函数得到的高频传输响应的改进情况。

现在参考这些附图来描述按照本发明通过多导线钻孔测井电缆传输数据的新的改进了的方法与设备。

为了很好地理解前面提到的那些问题，首先来评述一下现有技术的情况。

参考图1，当最初面临经测井电缆供电或传送数据问题时，设计者往往从电缆中的1号至7号线中选出一对，例如1-4（1号线和4号线），用于传输一个信号。另一对线，2-6，可以选来传输第2个信号，而最后一对，3-5，会用于传输第3个信号。如果必要的话，第4个信号则勉强用中心导线7来传送。（其理由将在下文中说明）。相信这种实践在工业上已通用多年了。

注意到2号和3号线在全部长度上是紧靠在一起的，6号和5号线也是如此。这样，2-6对与3-5对紧密地耦合在一起，不仅由于它们之间的分布电容，还因为它们构成了一个1∶1的分布变压器（电感耦合）。

如图2和图3所示，对每一对导线的传输特性的影响是明显的。图2给出了5500米长电缆中一对线的传输响应（表示为振幅响应和相位响应）。这里，各条导线在其两端都已仔细地接上了各自的特征阻抗（约50欧姆），以消除来自两端的反射。在直流（0赫兹）时，由于导线及终端电阻的作用，预计损耗为15分贝。还存在一个没有预料到的也是不希望出现的两个极小值，一个在25千赫兹，一个在73千赫兹，在73千赫兹处的凹陷又陡又深，令人吃惊。图2中所示线性相位特性意味着存在一个62微秒的端到端延迟，而从振幅特性可以预料到还有其他的相位间断点。图3表示出一对线对其他线的互耦合响应（在远端测定的）。正如所料，在直流时耦合趋于零，但在25千赫兹和73千赫兹两处急剧上升到峰值，所达到的电平接近于在单对导线上的低频传输响应的幅值。

在中心导线上的测量（这里没有绘出图来）表明，单独使用它时是一个相当好的传输线路。然而，作为一个单导线电路（与差分电路相对），它受到沿电缆电位降的影响，这个电压降部分地加到所传输的信号上，成为信号的一部分。在传统的仪器电路中，信号是差分传送的，这样，沿电缆电路的电位降（共模信号）不会成为正态信号的一部分。使用中心导线作为数据路径使它容易受到不可预料的干扰。（例如，在一口井中，从地表面到20米深处的套筒底部，其电位降接近交流2伏。）然而，使用中心导线并以铠套为回路来传送60赫兹的电力仍是可以接受的，因为对150伏交流电源而言，电平扰动几乎没什么影响。

再参考图2，尽管频率高于73千赫兹这一谐振频率的信号仍能通过而无如此严重的衰减，在73千赫兹处的凹陷实质上构成了数据传输速度的上限。也就是说，频率高于73千赫兹的调制数据信号的付立叶分析表明那个信号包含了较低频段的谐波分量。在73千赫兹频段信号分量的损失对于较高频率数据的完整性有致命的影响。因此，上面用较一般化的语言讨论的问题可以以更简的方式归结为在可能条件下消除如图2所示的导线间耦合损耗的问题。

这样，本发明的一个目的便是消除导线间的耦合损耗而不对实际电缆本身作任何物理的修改。

再有，要成为这一工业中的重要应用，这种解决办法应该具有通用的形式，它能广泛而容易地应用，而无需考虑任何给定类型电缆（例如上文描述的7导线电缆）的具体物理特性。

还有，这种解决办法应该是不费钱的、不复杂的、通用的和可靠的，从而使它能够安装和应用于实际上任何钻孔测井电缆的操作，无需特别的人员训练和异常昂贵的设备等等。

本发明以其成本效率高、不复杂又通用的方法和设备满足了上述需要和目的，它能容易地实施于实际上任何这种测井电缆的安装与应用。为了解释这是如何实现的，首先简要地说明系统的物理模型，然后再作出严格的数学分析，将会发现这种数字分析与物理模型完全一致。

为了理解物理模型，首先考虑图2中表现出来的在73千赫兹处所发生的情况。如前面描述的那样，可以看到它实质上是电缆中的一个谐振频率，在这一频率上电容和电感效应几乎使导线中的全部能量都耦合到相邻的导线中去了。在另一根电缆中，这个频率可能会稍有不同，但会发生同样的一般物理现象。现在，如果能量能以某种方式被避免耦合到相邻导线中去，那么它就得保留在原来的（或者说所选用的）导线上。所以，从概念上说，如果考虑的不是试图把能量保留在原来的导线上，而是考虑如何把能量保持在非原来的（或者说非选定的）导线之外，那么对本发明便更容易直观地理解了。再有，如果传送给非选用导线上的净能量为零，便说明没有能量耦合到那些导线上，因此，能量仍保留在它想要保留的地方，即在所选用的导线上。

尽管在某些电缆结构中只使用单对选定的载运信号导线有可能达到上述结果，但在7导线电缆中是做不到这一点的，而这种电缆实际上是测井工业中当前使用的唯一的一种多导线电缆结构。然而，如本发明告诉我们的，已经发现使用多对导线传送一个给定数据通道有可能避免将能量耦合到没有传送这个数据信号的其他导线上，因此也就不会把能量损失到其他导线上。事实上，能够同时使用多个组合（或称模式），这将在下文中特别详细地说明。

现在，为建立清楚的图象或物理模型，将只描述图6.1所示的单一模式。如图所示，有两组导线被选用同时传输同一数据信号。第1对是导线1-2，第2对是4-5。每一对中的导线是“反向行进（Oppositely    going）”的，就是说，它们接收的被传输信号的极性相反，为方便起见，导线1标记为“正”，导线2标记为“负”，但这不意味着信号是直流信号。事实上，导线将经常相对于大地是浮空的，因此把数据信号看作是浮空的交流信号更为恰当。然而，为了进行讨论，以便能跟踪几个导线之间的关系，当信号取某一符号时把它定为正号，同时把与之相反的符号定为负号。再参考图6.1，那么认为导线对4-5中的4号线是正的，而认为导线5是负的。所以，导线1和4中的信号电平将总是相同的，同样，导线2和5中的信号电平也总是同一的。

现在考虑对导线3、6、及7的影响。不管从导线1可能有多少能量会耦合到导线3或导线6，都会被导线5试图耦合到那些导线上的能量精确地抵消掉，因为1号和5号线与导线3和导线6各自的关系是对称的。对导线2和4将看到同样情况。对导线7也可以应用同样的论证。结果，耦合到未选用导线3、6和7上的净能量为零。所以，实质上所有数据信号能量都保留在所选用的导线1-2和4-5中，从而消除了在73千赫兹左右的引人注目的凹谷。事实上，对实际电缆的物理测试证明了实际电缆的性能实质上与这一模型一致，这正如图10所示，它是一根标准的钢索测井电缆上采用6.1模式的传输响应图。

尽管前面给出的图象说明是令人满意的，也还可能如前文建议的那样以严格的数字途径达到同样的结果。正如它表明的那样，数字途径与上述图象途径在概念上是完全不同的，并且根本不能从耦合信号反向抵消的直接概念出发。所采用的途径是把每个导线对每个其他导线的影响以及对它们自身的影响在数字上联系起来或者说确定下来。这样，在一条双导线电缆中，导线1号上的输入信号由I₁代表，它在导线2号上产生的输出信号（它可能为零也可能非零）由O₂代表，它在数学上可以表示I₁与代表这两条导线之间耦合的参数的乘积。然后，由于反过来也是成立的，同时每个导线中的输入信号也在其本身产生输出信号，因此任何导线上的总输出信号是那些因子之和（即它自己的衰减了的输入加上从其他导线耦合进来的信号）。于是，输入和输出在数学上可表示为矢量I和O，而与导线上的传输和导线间的耦合有关的各项可以放到一个耦合矩阵P之中。于是输出矢量O是P与I之积。这一点将在下文中更严格地展开讨论。

当从数学上表达出每一根导线对其他导线以及对它们自身的每一可能影响时，在数学上的任务便是看一看是否能找到某种导线组合，使在未选用导线上的各项被抵消掉，即变成零。业已表明，由于系统的对称性以及由此得到的数学上的对称性，这种结果是能够找到的（如下文详细推演的那样）。这些输入信号I是耦合矩阵P的本征矢量。毫不令人吃警，这些本征矢量给出的组合与上文中基于耦合信号的对称抵消所确定的图象组合完全相同。

下面将详细描述钢索电缆的耦合矩阵。首先将考虑6线的情况，然后再考虑第7根导线。

钢索电缆可以用图4示意性表示。在耦合矩阵25（这里数学上用P表示）的输入端20，每根导线承载某一输入信号（电压或电流流），导线1上的输入用I₁表示，导线2上的输入用I₂表示，依此类推。输出信号30将类似地表示为O₁（导线1上的输出）、O₂（导线2上的输出），等等。由矩阵25代表的电缆的作用便是传送输入信号I并把它们变换成输出信号O。在数学上由电缆耦合矩阵P表现出来的这种信号传输，把I变成了O，其数字表示是：

图5显示出矩阵P的第一行，它们是关于导线1的各项。

如果耦合矩阵P的所有非对角项均为零，即P_ij＝0，当i≠j，那么在各导线之间将没有相互作用，我们便得到简单的结果O_i＝P_ii·I_i，当i＝1-6，于是任何导线上的输出将与该导线的输入或正比。这肯定是理想的情况。然而，事实上在导线里存在着电容和电感耦合，导致了耦合矩阵P中的非对角项。这些交叉项（例如P₁₂等）一般如同对角项那样大，使单根导线上的信号传输不可能不受到严重干扰。

然而，借助本发明的立论，不仅在电缆10中可能以最小干扰传输信号，而且还可能在数学上解释这是怎么实现的和为什么会奏效。为方便，我们将使用压缩的矢量符号描述这一线性传输方程（1）。用O表示输出信号，用I表示输入信号，传输矩阵用P表示，于是有

O＝P·I    （2）

假定存在耦合项把输入信号混合起来，那么我们希望的下一件最好的事便是把一个信号加到几根可能的导线上，并使那个信号沿电缆无扰动地传输，仅仅其振幅有一可能的总减小。因此，输出信号O应有如下形式：

O＝λI    （3）

这里λ是一常数。这一方程是O₁＝λI₁，O₂＝λI₂，…，O₆＝λI₆的简写。与方程（2）结合，我们看到所期望的信号应由下列方程的解给出：

P·I＝λI    （4）

满足方程（4）的输入信号I称为耦合矩阵P的本征矢量，而λ是与这些本征矢量相关联的本征值。因为电缆也是一种波导，故这些本征矢量称作该电缆的正态模式。术语“模态（modal）”或“模态分量”泛指计算得到的在多相传输线上的电压或电流的组合方式，这种组合是被去耦的，並在数字上可以作为单个电导体上的传输来处理。本征值恰是把输入与输出联系起来的标度因子。请注意，如果没有上面讨论的非对角耦合项，本征矢量便是对6根单独导线的输入，对于导线1，它的形式如下：

其本征值为P₁₁。对导线2至6，可有类似的表达式。

现在，将找出方程（1）中的更一般的传输矩阵的本征矢量。对于耦合矩阵的各个单项的精确大小和性质难于定量地给出，它们肯定依赖于具体导线的详细特性。然而，电缆的对称性大大简化了这一问题，容许在没有具体知道耦合矩阵中各单项的情况下给出一个通解。的确，对于6线电缆这个矩阵可以示意地表示成图5。显然由于模型的对称性，我们有如下关系：

P₁₂＝P₁₆

P₁₃＝P₁₅（6）

在系数P₂₁，P₂₃，P₂₄，P₂₅，P₂₆之间有类似的关系，简单地对应于导线的重新编号，即逆时针旋转60度。事实上，只有4个独立的P_ij，它们是：自耦合项P₁₁＝P₂₂＝P₂₃＝…，我们将称它为A₀，任何一根导线与它的最近邻导线的耦合为A₁，任何导线与其次近邻导线的耦合为A₂，最后一个是与其径向相对的导线的耦合为A₃。因此，导线耦合方程变成：

通过选择标度单位，还可把该式进一步简化。我们可以选择我们自己的单位，从而使自耦合项成为单位1，于是得到导线方程：

或者利用紧缩表达式：

这里子矩阵A和B由下式给出：

在本征矢量和本征值。

这个问题可以简化为找出3×3矩阵A+B和A-B的本征矢量。的确，令×为矩阵（A-B）的本征矢量，其本征值为λ：

（A-B）×＝λ×

于是

这表明矢量（X，-X）是P的本征矢量，其本征值为λ。同样，如果

（A+B）×＝λX

则

这表明矢量（×，×）是P的本征矢量，其本征值为λ。

形如（×，-×）的本征矢量称为反对称本征矢量，而形如（×，×）的本征矢量称为对称本征矢量。（A-B）和（A+B）的本征矢量可以容易地求出，其结果在表1中给出，並图示于图6.1至6.6。这些本征矢量的意义应该从图6中的物理表示及表1中的最右列看清楚。在表1中最右列的十号代表该导线上的某一电压，一号代表该电压的反号值，0（零）代表零电压。还请注意，模式1和模式2的本征矢量有相同的本征值，并且可以通过沿中垂轴的镜象运算彼此相互转换。它们是一组简并本征矢量中的两个彼此正交的成员，而其他成员可由这两个矢量的线性组合构成，这里的含义是：要试图传输这组矢量中的两个以上成员，我们就会得到这些矢量的一个任意混合，并且不能把它们唯一地分开。模式3和模式4的本征矢量同样是一组简并矢量中的一部分。其他两个本征矢量一般有不同的本征值。（请注意，在模式6中，对所有导线加上同一信号意味着使用另外一个信号回路，例如钢丝缆的铠装，或者也许是大地本身）。因为这6个本征矢量是正交的，它们线性独立，所以可以同时沿导线传输，并在另一端通过线性迭加原理把它们分开。

表1.6导线电缆传输矩阵的本征值

模式    本征矢量    本征值    类别    符号表示

0+

1 （1，-1，0，1，1-a₁-a₂对称 - -

-1，0） +a₂+0

+0

2 （0，-1，1，0， 1-a₁-a₂对称 - -

-1，1） +a₃0+

3 （0，-1，-1， 1+a₁-a₂+0

0，1，1） -a₂反对称 + -

0-

4 （1，1，0，-1， 1+a₁-a₂0+

-1，0） -a₂反对称 - +

-0

5 （-1，1，-1， 1-2a₁+2a₂+-

1，-1，1） -a₂反对称 - +

+-

6 （1，1，1，1， 1+2a₁+2a₂++

1，1） +a₃对称 + +

++

现在要考虑第7根导线的作用了，这根导线实际上是图7所示的中心导线（对照图5）。现在，导线传输矩阵是7×7矩阵了。用来描述在其他6根导线上的传输的子矩阵显然具有与矩阵P相同的形式。应该强调的是：仅仅是矩阵的形式相同。由于中心导线的存在，矩阵各系数的实际数值是不同的。传输矩阵的第7行和第7列描述其他6根导线与中心导线之间的耦合以及第7根导线的自耦合。也是因为电缆线的物理对称性，所有外围导线与中心导线的耦合将是完全相同的，其耦合值由b表示。用C表示中心导线的自耦合，7导线电缆的传输矩阵有如下形式：

这里P₆代表6导线的子矩阵。这里再次需要找出这个矩阵的本征矢量，因为这些本征矢量将是沿该电缆线无干扰传输的信号。由于我们已经知道了P₆的本征矢量V₁，V₂，…，所以这项任务是轻而易举的。的确，可以容易地证明这些新本征矢量中有五个是：

（V₁，0）

（V₂，0）

（V₃，0） （16）

（V₄，0）

（V₅，0）

这一点应该是猜得到的，因为本征矢量V₁到V₅构成的信号之和（也就是迹）为零，因此没有进入中心导线的净互耦合。

其余两个本征矢量显然是矢量V＝（V₆，0）与矢量W＝（0，0，0，0，0，0，1）的一种组合。这里V代表同一信号沿外围6根导线的传输，而W相应于在中心导线中传输的一个信号，在中心导线中的传输对6根外围导线中产生相同的影响;反过来，在外围各导线中传输的一个同一信号也在中心导线中产生一个信号。数学上，这一点可以表示成：

P₁V＝λ₁V+6bW （17）

P₁W＝bV+CW （18）

易于发现，矢量

V_±＝a_±V+b_±W

而

a_±/b_±＝b/（λ_±-λ₁）

其中

λ₁＝1+2a₁+2a₂+a₃，

矢量V_±是本征值为

${\lambda }_{\pm }\mathrm{=(C+\lambda }{}_1\pm \sqrt{{\mathrm{(C-\lambda }}_1\mathrm{)2+24b}{}^2\mathrm{)/2}}$

的本征矢量。

原则上这两个本征矢量能同时沿导线传输。然而，由于在任何一根导线中的信号强度都依赖于该导线的具体性质，因此对每一条导线都必须具体确定这两个本征矢量。再有，这些信号不是差分式的，不象其他本征矢量那样，因为它们的迹不为零，因此它们不会容易受噪声干扰。在实际上使用方程17和18更简单些，这两个方程告诉我们中心导线是能够使用的，或者可以等效地使用6根外围导线。但是由于相互影响，在输出中存在共模污染噪声。

因此，可以得出结论：增加中心导线并没有真正改变状况。存在着6个非简并本征矢量，它们可以沿电缆同时传输而不受干扰。然而，其中只有5个是差分信号，它们将不会被噪音侵蚀。还可以选用中心导线，但它容易碰到共模噪声问题。如果中心导线是网状的，从而它的自耦合C大大超过互耦合b（实际情况即是如此），这时中心导线仍应能够提供一个相当好的不受干扰的信号，这从方程（17）和（18）不难看出。

在说明了多重信号沿6线或7线电缆独立传输的理论基础之后，现在来描述本发明的一种最佳的实施方案。这一个最佳实施方案不仅具有启发性，而且它还描绘了应用本发明的一种实用装置。

假定有6个信号（记为a，b，c，d，e和f）要用表1中的6个模式来传输。于是分配到电缆中6根外围导线上的信号便是（参见图6）：

导线

模式    1    2    3    4    5    6

1    a    -a    O    a    -a    O

2 O -b b O b b

3    O    -C    -C    O    C    C

4    d    d    O    -d    -d    O

5    -e    e    -e    e    -e    e

6    f    f    f    f    f    f

这样，输入电压将是：

I₁＝a+d-e+f

I₂＝-a-b-c+d+e+f

I₃＝b-c-e+f

I₄＝a-d+e+f （19）

I₅＝-a-b+c-d-e+f

I₆＝b+c+e+f

假定信号沿电缆传输时只存在衰减，因为这里只涉及合成和分离信号的装置。解方程（19）求出被接收的信号a′，b′，c′，d′，e′和f′，并以导线输出电压来表示，则有：

a′＝（2O₁-O₂-O₃+2O₄-O₅-O₆）/6

b′＝（-O₁-O₂+2O₃-O₄-O₅+2O₆）/6

c′＝（O₁-O₂-2O₃-O₄+O₅+2O₆）/6

d′＝（2O₁+O₂-O₃-2O₄-O₅+O₆）/6 （20）

e′＝（-O₁+O₂-O₃+O₄-O₅+O₆）/6

f′＝（O₁+O₂+O₃+O₄+O₅+O₆）/6

从方程（19）可以看出，要用全部6种模式传输，那么最多有3个信号被加起来，最多有4个信号被减去，在接收端（方程（20）），最多有6个信号被加起来，最多有4个信号被减去。这些功能可以通过变压器或模拟运算电路来实现。这里推荐后者，因为模拟运算电路在实验中更容易修改。

图8给出用于电压相加和相减的通用运算放大器电路图。这里所示放大器应该是一个高增益运算放大器，它的响应由下式给出：

$e_o=\underset{}{\overset{}{\mathrm{\Σ}}}{}_n{}^e{}_n\frac{{\mathrm{1+R}}^{-}}{{\mathrm{(R}}_n{\mathrm{+R}}_n{\mathrm{/R}}^{+}{\mathrm{)R}}^{-}}-\underset{}{\overset{}{\mathrm{\Σ}}}{}_m{}^e{}_m\mathrm{/R}{}_m$

这里

$R^{+}=\frac{1}{\underset{n}{\overset{}{\mathrm{\Σ}}}1{\mathrm{/R}}_n}{\mathrm{,\; R}}^{-}=\frac{1}{\underset{m}{\overset{}{\mathrm{\Σ}}}1{\mathrm{/R}}_m}$

信号e_n是要被电路加起来的信号，信号e_m是要被减去的信号。当然，实际电阻值应该选用方便的数值。

图9给出经由7导线电缆向测井工具传送和接收信号并向其提供电源用的接口的示意图。图中所示接口是在电缆一端的，在另一端的接口实质上与它完全相同。由于中心导线受到电位降的干扰，它可以用于向测井工具供电，并以铠装作为回路。每根导线分别由一个缓冲放大器来驱动，该放大器的输出阻抗Z₀等于导线的标称阻抗（典型值是47欧姆）。每根导线还和另一个缓冲放大器相联，用于消除接收机的加载效应。这些缓冲放大器又被一组按上述模型设计的合/差电路所驱动并反过来驱动这组合/差电路。

图9所示接口曾被用于检验模式1和模式2，以说明本发明的性能。在标准电缆上模式1的传输响应示于图10。请注意由相位特性显示出来的衰减的平缓斜度以及减小了的延迟。图中没有给出互耦合本身，代之以图11和图12描绘出在远端（图11）和近端（图12）被传输信号与互耦合信号之比。图11中数据的重要性在于指出了当在近端同时传送两个信号时在电缆的远端应能预期的信号噪声比。同样，图12指出了在近端接收一个信号并同时传送另一个信号时应能预期的信号噪声比。

为了检验对电缆中高频袁减的补偿能力，计算了对图10数据的最小二乘拟合。图13中下面的一条曲线是用一个13零点/13极点传递函数来模拟的传输响应。通过在复频S-平面中σ＝-30，000赫兹处加一个单零点可以容易地补偿高频响应。结果得到的传递函数如图13中上面一条曲线所示。这种类型的传递函数容易作为运算模拟电路来实现。结果得到的传递函数应该是相当适用的。

所以，正如可能已看到的那样，本发明有许多优点。最重要的优点在于极大地改进了多导线测井电缆的处理数据能力，而无需对那些电缆本身作任何物理的修改。从已经在工业中应用的电缆的巨大投资以及其后的经济价值的角度来看，这一优点尤其重要。本发明的另一个优点是它的通用性，实际上任何钻孔测井应用中当需要减小或消除导线之间的耦合损失时本发明都可以证明是有用的。再有，尽管描述本发明时是具体地针对有6根或7根导线的电缆，但十分清楚，本发明更通用得多，它能应用于有其他数目导线的电缆，不论是多于或少于6根或7根导线。再一个有利条件是本发明还能比较省钱地予以应用，这使本发明更具吸引力，它会在测井工业中几乎得到普遍接受。这样，本发明为进一步发展和应用数据速率高的工具排除了一个主要障碍。

尽管这里描述的方法和设备形式构成了本发明的最佳实施方案，但要理解本发明不限于这些精确的方法和设备形式，可以改变它们而并不偏离本发明的范围。

Claims (22)

1、通过电缆传输数据的一种方法，包括：

a)在至少一对导线中传输彼此反向的数据，从而便电缆中几乎所有没被选用的导线与所选用的载有数据的相互反向的导线之间的耦合基本上相等，于是，传输数据因电感性和电容性向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向(或者说极性)上基本相等的耦合，这样，从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

b)接收通过该电缆传输的数据。

2、如权利要求1所述的方法，还包括选择至少两对导线，在每对导线上传输相同的数据。

3、如权利要求2所述的方法，这里选择至少两对导线来传输数据的步骤还包括：在每一对选用的导线中传输的数据基本上相等，从而在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中一根导线上的电平，而在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而对于数据信号而言在每一对中的导线是彼此反向行进的导线。

4、如权利要求1所述的方法，还包括在电缆中多个通道上传输多个相互独立的数据信号，具体作法是：

a）对这样的每一个通道，选择至少一组导线，尽管允许与其他组共用一些导线，但它是该通道的唯一一组导线;

b）对这样的每一通道，按所述传输步骤传输数据。

5、如权利要求4所述的方法，其中所述传输步骤还包括：对每一个选用的导线，将各种数据信号以相加方式迭加到那根导线上，而不管与那些特定的数据信号相关联的各个信道。

6、如权利要求5的方法，其中所述接收步骤还包括：对每一个通道从迭加在一起的信号中提取出各个数据信号。

7、如权利要求1的方法，其中所述传输步骤还包括为数据选择导线的方法：

a）用一个耦合矩阵来表示电缆的传输特性，

b）确定耦合矩阵的本征矢量，

c）依据这些本征矢量为数据选择导线。

8、通过这种电缆，在相互独立的多个通道上以改进的带宽传送多道相互独立的数据信号的一种方法，包括：

a）对每一个通道，选择至少两对导线，在每对线上传输相同的数据，从而：

ⅰ）在电缆中几乎所有未选导线都基本上相等地被耦合于所选载有彼此相反方向数据的导线上，于是，传输数据因电感和电容向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

ⅱ）对于每一通道所用的导线，尽管允许与其他通道共用，仍是那一通道的唯一导线组。

b）对每一通道，传输该通道的数据，

（ⅰ）这些数据在每一对选用的导线中基本上是相等的，从而在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中一根导线上的电平，而在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而对于数据信号而言在每一对中的导线是彼此反向行进的导线。

ⅱ）同时在每一个选用导线上可有多个不同的数据信号彼此迭加，而同与那些特定的数据信号相联系的那些信号通道没有关系。

c）接收通过电缆传输的数据，办法是从相互迭加的信号中提取出属于各个通道的各种数据信号。

9、如权利要求8所述的方法，其中所述的选择步骤还包括按下述方法为数据选择导线：

a）用一个耦合矩阵实际代表所有导线之间和导线内部的传输特性，

b）确定该耦合矩阵的本征矢量，

c）根据这些本征矢量为数据选定导线。

10、一种通过电缆传输数据的设备，包括：

a）在至少一对导线中传输彼此反向的数据的装置，从而使电缆中几乎所有未被选用的导线与所选用的载有数据的彼此反向的导线之间的耦合基本上相等。于是，传输数据因电感和电容向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言，是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，从所选导线耦合到每根未选导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

b）接收通过该电缆传输数据的装置。

11、如权利要求10所述的设备，还包括选择至少两对导线使在每对导线上传输相同数据的装置。

12、如权利要求11所述的设备，其中所述选择至少两对导线使在每对导线上传输相同数据的装置还包括在每个选用导线对上传输基本相等的数据信号的装置，这样，在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中一根导线上的电平，而在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而在每一对中的导线对数据信号而言是彼此反向的导线。

13、如权利要求10所述的设备，其中所述的传输装置还包括在电缆中的一组通道上传输多个彼此独立的数据信号的装置，作法是对每一个通道选择至少一组导线，尽管允许与其他通道共用一些导线，但每一组导线对于相应的通道是唯一的。

14、如权利要求13所述的设备，其中所述的传输装置还包括把每一根选用导线上的各个数据信号以相加方式迭加到那根导线上去的装置，而不必考虑与那些特定数据信号相联的那些通道。

15、如权利要求14所述的设备，其中所述接收装置还包括对于每一个通道从所述迭加信号中提取各个数据信号的装置。

16、如权利要求10所述的设备，其中所述传输装置还包括为数据选择导线的装置，其作法是：

a）用一个耦合矩阵来表示电缆的传输特性，

b）确定该耦合矩阵的本征矢量，

c）依据这些本征矢量为数据选择导线。

17、一种设备，用于通过这类电缆在相互独立的多个通道上以改进的带宽传送多道相互独立的数据信号，包括：

a）对每一个通道选择至少两对导线，并在每对线上传输相同数据的装置，从而：

ⅰ）在电缆中几乎所有未选导线都基本上相等地被耦合于所选载有方向彼此相反数据的导线，于是，传输数据因电感和电容向未选用导线的耦合，就每根未选用导线而言是在两个方向（或者说极性）上基本相等的耦合。这样，从所选导线耦合到每根未选用导线中的数据信号是对称存在而符号相反的，结果这些耦合信号实际上彼此抵消了，从而有效地抑制了测井电缆中由互阻抗引起的有限带宽对与频率有关信号的衰减，同时改善了在钻井中使用电缆时传输数据的带宽，使之不依赖于温度，并使导线间耦合不随环境而变化。

ⅱ）对于每一通道所用的导线，尽管允许与其他通道共用，但仍是那一通道的唯一导线组。

b）对每一个通道，传输该通道数据的装置：

ⅰ）这些数据在每一对选用的导线中基本相等，从而在一对导线中的一根导线上的数据信号电平基本上等于其他对导线中一根导线上的电平，在每对导线中另一根导线上的电平也基本上彼此相等，而在每一对中的导线对数据信号而言是彼此反向的导线。

ⅱ）同时在每一个选用导线上可有多个不同的数据信号彼此迭加，而与同那些特定的数据信号相联系的那些通道没有关系。

c）接收通过电缆传输的数据的装置，用以从相互迭加的信号中提取出属于各个通道的各种数据信号。

18、如权利要求17所述的设备，其中所述选择装置还包括为数据选择导线的装置，办法是：

a）用一个耦合矩阵实际代表所有导线之间和导线内部的传输特性，

b）确定该耦合矩阵的本征矢量，

c）根据这些本征矢量为数据选定导线。

19、如上述权利要求中任何一项所申请的方法，用于多导线钻孔测井电缆。

20、如上述权项中任何一项所申明的设备，用于多导线钻孔测井电缆。

21、实际上如前面参考附图1和图4至13所描述的通过电缆传输数据信号的方法。

22、实际上如前面参考附图1和图4至13所描述的通过电缆传输数据信号的设备。

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