CN106850479A - 钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，该系统包括编码器，所述编码器将井下传感器采集的井下信息转化为二进制数据，并将二进制数据传输至所述调制器，所述调制器将所述二进制数据分为至少一组的位序列，根据压力波调制方程建立二进制数据与钻井液连续波发生器待产生压力波的相互关系，并将二进制数据对应的钻井液发生器待产生压力波的信息传输至所述钻井液连续波发生器，所述钻井液连续波发生器根据待产生压力波的信息规律的产生钻井液连续压力波。所述压力波调制方程为：

Description

钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及方法
技术领域
本发明属于石油钻井井下信息传输的技术领域，特别是涉及钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及方法。
背景技术
在石油钻井过程中，钻机带动钻杆和钻头旋转，钻头破碎岩层，在地层中形成一个井筒，在本领域中井筒也称井眼；在钻头破碎岩层的同时，钻井液通过空心钻柱向井下注入，由空心钻柱流至钻头，然后从钻头水眼流入钻柱与井眼之间的环空，再由环空上返至地面，从而将井底产生的大量岩屑经钻柱与井眼之间的环空中带到地面。地面的固控装置将钻井液中的岩屑清除后，通过泥浆泵再次将清除岩屑后的钻井液打入井内，形成钻井液的循环利用。
在钻头钻进过程中，由于井下情况非常复杂，实时获取井眼几何轨迹、地质特性、井下工具工作特性等井下信息，以便控制钻头的后续钻进是现代化钻井的迫切需求；其中，井眼的几何轨迹包括方位角、井斜角、工具面角等，地质特性包括岩层密度、压力、电阻率等，井下工具工作特性包括工具转速等，而如何将这些井下信息实时传输到地面是一个关键技术问题。
目前，将井下信息实时传输到地面的无线传输装置及方法的现状为：存在多种将井下信息传输至地面的无线传输方法，如钻井液压力波法、电磁波法、声波法、光纤法等；其中，应用最广泛的是钻井液压力波法。钻井液压力波法是通过钻柱内钻井液的压力变化来传输井下信息，具有鲁棒性好的优点，尤其在深井应用中，其它方法很难取代钻井液压力波法。在钻井液压力波法中又具体包括钻井液正脉冲方法、钻井液负脉冲方法与钻井液连续波方法，其中，钻井液正脉冲方法和钻井液负脉冲方法比较成熟，工程应用广泛，但这两种方法属于低频脉冲信号方法，传输信号速率低，在数据传输效率上存在一定不足，在目前应用中，井下信息实时传输到地面的现场传输速率通常小于3Hz。
随着井下信息传输技术的发展，对井下信息实时传输到地面的数据传输速率的要求越来越高，钻井液正脉冲方法和钻井液负脉冲方法的正/负脉冲信号发生器已经不能很好的满足数据传输速率的需求，而钻井液连续波方法，传输速率高的同时兼具鲁棒性好等优点，是一种应用前景非常广阔的井下信息数据传输方法。
在使用钻井液连续波方法传输井下数据的过程中，井下信息由井下传感器检测，经过编码，转化成二进制数据，然后发送给井下调制系统，通过调频或调相，产生钻井液连续压力波信号，该井下调制系统被称为“连续波发生器”。地面设备连续检测这些相位或频率的变化，通过解调、解码获得井下数据。井下调制系统将井下信息的编码信号转化为钻井液连续压力波信号，是使用钻井液连续波方法传输数据过程中的重要环节。
钻井液作为信号波(如压力波)的传播媒介，在井下数据传输过程中，需要将井下信息调制到该信号波上。根据通信系统的调制原理，在井下可以用信号波的幅值、相位或频率等信号特征表示数据位，数据位可以是二进制或多进制数据。当压力波传输至地面时，可以通过检测这些信号特征，来确定数据的二进制或多进制信息，借此还原井下信息。目前用于钻井液连续波数据传输的调制方式主要有相移键控(PSK)和频移键控(FSK)，如，4PSK采用四个离散相位表示两位的数据，2FSK采用两种频率表示一位的数据等。在PSK调制时，也存在一定的不足：理论上，相位是瞬时突变的，但是对于目前研究中的旋转阀式连续波发生器或振荡剪切式连续波发生器来说，均无法实现这种相位的突变，只能通过电机的快速驱动来实现近似于PSK相位调制的压力波波形。该近似方法很难用于更为高级的调制方式，以进一步提高信号的传输速率。
美国专利文献US8302685公开了MUD PULSE TELEMETRY DATA MODULATIONTECHNIQUE，提出了一种平滑相位8PSK连续波调制方法，其中，相邻码元之间的相位过渡采用平滑处理，处理方法参考了Borah，D.K.等人于2004-10-14IEEE GlobalTelecommunications Conference中公开的文献Smooth phase interpolatedmodulations for nonlinear channels，采用该方法能够实现连续波发生器驱动电机的转速平稳控制，但其也存在一定的不足。地面接收处理该8PSK信号时，是通过计算调制信号与参考信号之间的相位差来实现信号的解调，因钻井液信道中的噪声较强，噪声的功率谱特性分布较宽，很难得到较为精确的相位偏差，而只要误差超过π/16，就会产生误码，导致误码率高。因此，对于8PSK或是更高级的PSK，即便采用相位平滑方式进行调制，信号处理的难度也很大，误码率也很高。
相位连续的调制方式还包括连续相位频移键控(CPFSK)或最小频移键控MSK，在采用频移键控时，理论上频率在两个码元间从一个频率值到另一个频率值是瞬间变化的，用在连续波发生器上，意味着连续波发生器驱动电机要瞬间从一个转速直接跳变到另一转速，这从物理上说是不可能实现的。
综上所述，现有技术中对于如何进一步提高钻井液连续波方法传输数据过程中的传输速率的问题，以及如何解决用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时，连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
本发明为了解决上述问题，克服在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，该系统包括编码器、调制器和钻井液连续波发生器，所述编码器将井下传感器采集的井下信息转化为二进制数据，并将二进制数据传输至所述调制器，所述调制器将所述二进制数据分为至少一组的位序列，建立二进制数据中的位序列与钻井液连续波发生器待产生压力波的频率之间的相互关系，根据压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；
将调制信息传输至所述钻井液连续波发生器，所述钻井液连续波发生器根据调制信息规律地产生钻井液连续压力波，将二进制数据调制到钻井液连续压力波中。
进一步的，所述钻井液连续波发生器包括旋转阀、减速机、电机、电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述调制器连接，根据调制器发送来的待产生压力波的信息产生控制信号，并将该控制信号发送至电机驱动器，所述电机驱动器根据其接收的控制信号驱动电机转动，所述电机与所述减速机连接，所述电机驱动所述减速器带动所述旋转阀工作，所述旋转阀设置于空心钻柱内，周期性地阻断流过所述空心钻柱中的钻井液产生钻井液连续压力波。
进一步的，所述旋转阀包括转子和定子，所述转子与所述减速器连接，所述电机驱动减速器带动旋转阀中的转子转动，即可驱动转子匀速、加速或减速转动，所述转子连续转动，使得所述转子与所述定子之间的阀口交互的打开或关闭，周期性地阻碍钻柱中钻井液流动，按照编码调制规律产生钻井液连续波。
本发明为了解决上述问题，克服在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，该方法包括以下步骤：
(1)将井下传感器采集到的井下信息传输至编码器，所述编码器将井下信息转化为二进制数据；
(2)编码器将步骤(1)中的二进制数据传输至调制器，调制器根据数据位将二进制数据划分为一组或多组位序列，每组位序列包括至少两位数据位，建立位序列与符号组合、码元频率组合映射表；并通过压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制，进而得到调制信息，所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；
(3)调制器将步骤(2)中的调制信息发送至钻井液连续波发生器，控制钻井液连续波发生器按照调制信息规律的产生钻井液压力波，将井下信息转化的二进制数据调制到钻井液连续压力波中。
进一步的，所述步骤(2)中，所述位序列与码元一一对应。
进一步的，所述步骤(2)中，所述位序列与码元频率组合映射表中的码元频率组合包括预设频率，在单位码元周期内的码元频率组合包括两个预设频率，所述位序列与所述码元频率组合一一对应，所述预设频率的个数至少为2个。
进一步的，所述步骤(2)中，所述位序列与码元频率组合映射表中的符号组合包括编码符号，所述位序列与符号组合一一对应，所述符号组合由相同编码符号或不同编码符号组合而成，所述编码符号与预设频率一一对应，所述编码符号的个数至少为2个，所述码元周期为符号周期的2倍。
进一步的，所述步骤(2)中，在频率连续的频移键控调制时，单位符号周期内，在符号周期开始发生频率转变，或在符号周期中间发生频率转变，或在符号周期结尾发生频率转变，所述步骤(2)中的频率转变控制步骤(3)中所述钻井液连续波发生器转子转速改变。
进一步的，所述步骤(3)中，在单位符号周期中，所述转子第一次变速时间与所述转子第二次变速时间之和小于单位符号周期。
进一步的，所述步骤(3)中，产生的钻井液压力波为连续压力波。
本发明为了克服在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调系统，一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统与一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调系统相配合使用，该解调系统包括解调器与解码器，所述解调器与所述调制器对应，所述解码器与所述编码器对应，所述解调器根据所述调制器中的位序列与符号组合、码元频率组合映射表，由地面设备检测到的压力波解调得到二进制数据，并将解调后的二进制数据传输至所述解码器，所述解码器与所述编码器相对应，所述解码器将解调后的二进制数据根据编码符号重构原始数字信息，得到井下信息。
本发明为了克服在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调方法，一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法与一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调方法相配合使用，该解调方法包括以下步骤：
(1)从地面采集井下钻井液连续波发生器产生的压力波，并检测压力波单位码元周期内的两个频率值与相位差，将两个频率值传输至解调器；
(2)解调器将步骤(1)中的两个频率值与相位差根据所述位序列与符号组合、码元频率组合映射表解调出位序列；返回步骤(1)，直至得到全部位序列，将位序列按照获取顺序排列得到二进制数据；
(3)解调器将步骤(2)中解调出的二进制数据发送至解码器，由解码器重构出井下信息。
本发明的有益效果：
1、本发明的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法结合了组合编码方式、相位连续频移键控调制方法以及电机加减速控制方法，在尽可能小改变传统调制波形谱特征的条件下，平滑任意两个码元之间的频率，使任意两个码元间的波形相位连续，在提高连续波传输速率的同时，改善连续波发生器中驱动电机速度控制的平稳性；
2、本发明综合考虑钻井液连续波产生的物理过程，以传统频移键控(FSK)为基础，在编码符号之间，采用调频的方式，实现了钻井液连续波的相位平滑以及频率连续，解决了FSK符号频率之间的直接跳变的问题；
3、本发明采用超过2个的编码符号实现数字信息的组合编码，相比MSK，其传输速率得到很大提高，如：采用3个编码符号，传输速率将会是MSK的1.5倍；
4、本发明采用加减速实现编码符号之间的频率连续，并通过所述调制方程来规划整个波形的频率，进而建立波形频率与旋转阀中转子转速之间的关系，以便于实现所述钻井液连续波发生器中的电机控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的钻井液连续波发生器的结构示意图；
图3为本发明的整体流程示意图；
图4为本发明中频移键控的位序列与码元频率组合的映射表；
图5为本发明中电机转子工作时频率—时间的函数关系示意图；
图6为本发明编码与解码方法的流程示意图；
图7为本发明实施例中相位频率连续调制时的连续波波形示意图；
其中，1-编码器，2-调制器，3-钻井液连续波发生器，4-解调器，5-解码器，6-电机控制器，7-电机驱动器，8-电机，9-减速机，10-旋转阀，11-定子，12-转子，13-步骤(1)，14-步骤(2)，15-步骤(3)，16-步骤(4)，17-步骤(5)，18-步骤(6)，19-位序列，20-符号组合，21-码元频率组合，22-相位差，23-符号频率Fn，24-符号频率Fn+1，25-符号频率，26-计算频率28-时间t2，28-时间t1，29-数据“001 101 100 111”，30-位序列“001”，31-位序列“101”，32-位序列“100”，33-位序列“111”，34-符号周期，35-数据编码，36-第一个位序列第一个符号调制，37-第一个位序列第二个符号调制，38-第一个位序列的解码解调，39-第二个位序列第一个符号调制，40-第二个位序列第二个符号调制，41-第二个位序列的解码解调，42-第三个位序列第一个符号调制，43-第三个位序列第二个符号调制，44-第三个位序列的解码解调，45-第四个位序列第一个符号调制，46-第四个位序列第二个符号调制，47-第四个位序列的解码解调，48-码元周期,49-频率为f0的波形，50-频率为1.25f0的波形，51-频率为1.5f0的波形。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，为了解决如上的技术问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及其方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统与解调系统，如图1所示，该系统包括编码器1、调制器2、钻井液连续波发生器3、解调器4与解码器5；其中，所述编码器1、调制器2和钻井液连续波发生器3设置于井下，所述编码器1的输入端与井下传感器连接，所述编码器1的输出端依次与所述调制器2和钻井液连续波发生器3连接；所述编码器1将井下传感器采集的井下信息转化为二进制数据，并将二进制数据传输至所述调制器2，所述调制器2将所述二进制数据分为至少一组的位序列，根据压力波调制方程建立二进制数据与钻井液连续波发生器3转子转速和位置的相互关系，所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是一个符号周期内第一次频率转变持续时间，t2是一个符号周期第二次频率转变持续时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；
并将二进制数据对应的钻井液发生器待产生压力波的信息传输至所述钻井液连续波发生器3，所述钻井液连续波发生器根据待产生压力波的信息规律产生钻井液连续压力波。
该系统中的解调器4与解码器5设置于地面，所述解调器4的输入端与地面压力波检测设备连接，所述解调器4的输出端与所述解码器5连接；所述解调器4与所述调制器2对应，所述解码器5与所述编码器1对应，所述解调器4根据所述调制器2中的位序列与符号组合、码元频率组合映射表，由地面设备检测到的压力波解调得到二进制数据，并将解调后的二进制数据传输至所述解码器5，所述解码器5与所述编码器1相对应，所述解码器5将解调后的二进制数据根据编码符号重构原始数字信息，得到井下信息。
如图2所示，所述钻井液连续波发送器包括旋转阀10、减速机9、电机8、电机驱动器7和电机控制器6，所述电机控制器6与所述调制器连接，根据调制器发送来的待产生压力波的信息产生控制信号，并将该控制信号发送至电机驱动器7，所述电机驱动器7根据其接收的控制信号驱动电机8转动，所述电机8与所述减速机9连接，所述电机8驱动所述减速器带动所述旋转阀10工作，所述旋转阀10设置于空心钻柱内，周期性地阻断流过所述空心钻柱的钻井液产生钻井液连续压力波。所述旋转阀10包括转子12和定子11，所述转子12与所述减速器连接，所述电机8驱动减速器带动旋转阀10中的转子12转动，所述电机8既可驱动转子12匀速、加速或减速转动，所述转子12连续转动，使得所述转子12与所述定子11之间的阀口交互的打开或关闭，周期性地阻碍钻柱中钻井液流动，按照编码调制规律产生钻井液连续压力波。
在钻井液连续波调制系统中，由井下传感器得到的井下信号在编码器中编码成易于传输的二进制数据，并通过调制器将二进制数据调制控制钻井液连续波发送器中旋转阀10转子12转速将二进制数据调制到连续压力波信号中，每次对连续的m个二进制数据位进行调制，共有M(M＝2m)种调制形式，为M进制调制，其中m个二进制位成为一个码元。码元传输速率简称为传码率，它表示单位时间内系统传输的码元数目，记为RB，单位是波特(Baud)。信息传输速率简称传信率，它表示单位时间内系统传输的信息量的多少，记为Rb，单位是比特/秒(bit/s)。对于M进制的信号调制系统，信息传输速率与码元传输速率之间的关系为：
Rb＝RBlog2M
由信息传输速率与码元传输速率之间的关系得出，当码元传输速率一定时，M值越大，信息传输速率越高，频带利用率越高，表1为不同进制信号调制系统的参数对比。
表1
在本实施例中，一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调方法的流程图如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤(1)13：将井下传感器采集到的井下信息传输至编码器，所述编码器将井下信息转化为二进制数据；
步骤(2)14：编码器将步骤(1)中的二进制数据传输至调制器，调制器根据数据位将二进制数据划分为一组或多组位序列，每组位序列包括至少两位数据位，并建立位序列与符号组合、码元频率组合映射表；并通过压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；
步骤(3)15：调制器将步骤(2)中的调制信息发送至钻井液连续波发生器，控制钻井液连续波发生器按照调制信息规律的产生钻井液压力波。
步骤(4)16：从地面采集井下钻井液连续波发生器产生的压力波，并检测压力波单位码元周期内的两个频率值与相位差，将两个频率值传输至解调器；
步骤(5)17：解调器将步骤(4)中的两个频率值与相位差根据所述位序列与符号组合、码元频率组合映射表解调出位序列；返回步骤(1)，直至得到全部位序列，将位序列按照获取顺序排列得到二进制数据；
步骤(6)18：解调器将步骤(5)中解调出的二进制数据发送至解码器，由解码器重构出井下信息。
所述步骤(2)中，所述位序列与码元一一对应。所述步骤(2)中，所述位序列与符号组合、码元频率组合映射表中的码元频率组合包括预设频率，在单位码元周期内的码元频率组合包括两个预设频率，所述位序列与所述码元频率组合一一对应，所述预设频率的个数至少为2个。所述步骤(2)中，位序列与符号组合、码元频率组合映射表中的符号组合包括编码符号，所述位序列与符号组合一一对应，所述符号组合由相同编码符号或不同编码符号组合而成，所述编码符号与预设频率一一对应，所述编码符号的个数至少为2个，所述码元周期为符号周期的2倍。所述步骤(2)中，在频率连续的频移键控调制时，单位符号周期内，在符号周期开始发生频率转变，或在符号周期中间发生频率转变，或在符号周期结尾发生频率转变，所述步骤(2)中的频率转变控制步骤(3)中所述钻井液连续波发生器转子转速改变。所述步骤(3)中，在单位符号周期中，所述转子第一次变速时间与所述转子第二次变速时间之和小于转子匀速转动持续时间。所述步骤(3)中，产生的钻井液压力波为连续压力波。
所述位序列与符号组合、码元频率组合映射表如图4所示，在本实施例中每次对连续的3个二进制数据位进行调制，采用三种不同连续波的频率构建的码元频率组合21表示三种符号组合20，这些符号在一个码元周期内两两组合，共构成九种组合，每个符号周期为码元周期的一半。选取一种同频率的符号组合20作为载波(1.25f0，1.25f0)，将其它八种不同的符号组合20构成三个比特的位序列19，即在一个码元周期内发送三个比特的位序列19。从一个符号到另一个符号转变的开始，通过控制电机的加速或减速，改变转子的转速，实现从一个码元频率到下一个码元频率的转变。所述位序列19与相位差22映射。
在本实施例的位序列与符号组合、码元频率组合映射表中，编码符号“-1”与码元频率f0对应，编码符号“0”与码元频率1.25f0对应，编码符号1与码元频率1.5f0对应；位序列“000”，映射符号组合“-1，-1”，映射码元频率组合“f0，f0”，映射相位差“0”；位序列“001”，映射符号组合“-1，0”，映射码元频率组合“f0，1.25f0”，映射相位差“π/2”；位序列“010”，映射符号组合“-1，1”，映射码元频率组合“f0，1.5f0”，映射相位差“π”；位序列“011”，映射符号组合“0，-1”，映射码元频率组合“1.25f0，f0”，映射相位差“-π/2”；载波的符号组合“0，0”，映射码元频率组合“1.25f0，1.25f0”，映射相位差“0”；位序列“100”，映射符号组合“0，1”，映射码元频率组合“1.25f0，1.5f0”，映射相位差“π/2”；位序列“101”，映射符号组合“1，-1”，映射码元频率组合“1.5f0，f0”，映射相位差“-π”；位序列“110”，映射符号组合“1，0”，映射码元频率组合“1.5f0，1.25f0”，映射相位差“-π/2”；位序列“111”，映射符号组合“1，1”，映射码元频率组合“1.5f0，1.5f0”，映射相位差“0”。
在钻井液连续波发生器中的电机转子工作时频率—时间的函数关系示意图如图5所示，根据压力波调制方程，要将一个符号频率Fn转换到下一个不同的频率Fn+1，在表达符号的Fn+1的开始，钻井液连续波发生器的转子先在t1时间内匀加速或匀减速至频率的转速，再在t2时间内匀减速或匀加速至波形频率Fn+1的转速，最后以波形频率为Fn+1的转速匀速旋转至符号周期结束，以使编码符号之间的频率连续。
两个相邻的符号周期之间的频率转化，需依据转子加速时间和减速时间构建的压力波调制方程，建立编码符号频率间的转换规则，最终依据该转换规则，控制电机，驱动转子旋转，将采集的井下信息转换为钻井液连续波，上传至地面进入解调器和解码器进行解调和解码，以有效地实现钻井液连续波传输的可行性和提高井下信息的传输速率。
例如，在第一个码元周期内，要将频率f0转换到下一个不同的频率1.25f0，在第一个符号周期内，钻井液连续波发生器的转子先在T时间内以f0频率的匀速旋转，在第二个符号周期内，钻井液连续波发生器的转子在时间t1内匀加速至频率的转速，再在t2时间内匀减速至波形频率1.25f0的转速，最后以波形频率为1.25f0的转速匀速旋转至符号周期结束，以使编码符号之间的频率连续。
在第二个码元周期内，要将频率1.5f0转换到下一个不同的频率f0，首先由频率1.25f0转换到下一个不同的频率1.5f0，钻井液连续波发生器的转子在时间t1内匀加速至频率的转速，再在t2时间内匀减速至波形频率1.5f0的转速，在第一个符号周期内，钻井液连续波发生器的转子以1.5f0频率的匀速旋转，在第二个符号周期内，钻井液连续波发生器的转子在时间t1内匀减速至频率的转速，再在t2时间内匀加速至波形频率f0的转速，最后以波形频率为f0的转速匀速旋转至符号周期结束，以使编码符号之间的频率连续。
本发明提出如下压力波调制方程，用于确定符号频率间的转换规格，以实现频率连续且相位平滑高速钻井液连续波的调制。
式中：A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数。
当钻井液压力波的频率需要从Fn调制到Fn+1时，钻井液连续波发生器的转子先在t1时间内匀加速或匀减速至波形频率为的转速，再在t2时间内匀减速或匀减速至波形频率为Fn+1的转速，最后以波形频率为Fn+1的转速进行匀速旋转，以平滑各频率特征之间的频率。
如图6所示，在本实施例中的编码器传输至解码器一组12位的二进制数据“001101 100111”29。该组数据可以分为四个码元，每一码元代表一个位序列，如位序列“001”30、位序列“101”31、位序列“100”32和位序列“111”33；参照图4的位序列与符号组合、码元频率组合映射表，每组位序列与预设的符号组合一一对应，位序列“001”30用符号组合中的“-1，0”表示，位序列“101”31用符号组合中的“1，-1”表示，位序列“100”32用“0，1”表示，位序列“111”33用“1，1”表示；其中编码符号“-1”、“0”与“1”在单位符号周期内分别采用三个不同频率f0、1.25f0与1.5f0表示。任意三比特的码元都可以采用三种不同频率中的某两种频率组合而成，这种组合我们称之为码元频率组合，码元频率组合“f0，1.25f0”表示位序列“001”30，码元周期内的相位差为π/2；“1.5f0，1.25f0”表示位序列“101”31，码元周期内的相位差为-π；“1.25f0，1.5f0”表示位序列“100”32，码元周期内的相位差为π/2；“1.5f0，1.5f0”表示位序列“111”33，码元周期50内的相位差18为0。
首先将二进制数据“001 101 100 111”29分成四个位序列，位序列“001”30、位序列“101”31、位序列“100”32和位序列“111”33，每个位序列代表一个码元，并对这四个码元进行组合编码35，分别形成四个码元频率组合“f0，1.25f0”、“1.5f0，1.25f0”、“1.25f0，1.5f0”、“1.5f0，1.5f0”。采用本发明所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，在一个符号周期内将钻井液压力波的频率调制至f036，即采用所述压力波调制方程，计算符号周期内的频率值，并控制电机3驱动转子7，使产生的钻井液连续波的频率达到计算频率值，在t1时间内电机加速到波形频率为的转速，然后在t2时间内电机减速到波形频率为1.25f0的转速，直至该符号周期结束，记录此刻相位；同理，采用压力波调制方程，下一符号周期内将钻井液压力波的频率调制到1.25f037；进而完成了位序列“001”30位序列的发送。当第一个码元周期结束后，地面上采集到压力波信号，分别检测其中两个符号周期内信号的频率，得到f0和1.25f0，然后分析出码元相位差为π/2，可以解调38出位序列“001”30。
依次类推，分别完成位序列“101”31、位序列“100”32和位序列“111”33的调制。以及解调出位序列“101”31、位序列“100”32和位序列“111”33，最终实现了钻井液连续波的调制与解调。
图7为图6中实施例调制过程的图形描述。
在第一个码元周期48内，前一个符号周期34中的波形的频率为f0，即频率为f0的波形49，后一个符号周期34中的波形的频率为1.25f0，即频率为1.25f0的波形50，码元间的相位差22为π/2，所以码元周期48内的位序列19可以表示为“001”30。
第二个码元周期48内，前一个符号周期34中的波形的频率为1.5f0，即频率为1.5f0的波形51，后一个符号周期34中的波形的频率为f0，即频率为f0的波形49，码元间的相位差22为-π，所以第二个码元周期48内的位序列19可以表示为“101”31。
第三个码元周期48内，前一个符号周期34中的波形的频率为1.25f0，即频率为1.25f0的波形50，后一个符号周期34中的波形的频率为1.5f0，即频率为1.5f0的波形51，码元间的相位差22为π/2，所以第三个码元周期48内的位序列19可以表示为“100”32。
第四个码元周期50内，前一个符号周期34中的波形的频率为1.5f0，即频率为1.5f0的波形51，后一个符号周期34中的波形的频率为1.5f0，即频率为1.5f0的波形51，码元间的相位差22为0，所以第三个码元周期48内的位序列19可以表示为“111”33。
在本实施例的图7中在任意两个符号周期34之间的波形频率均是连续的，而且相位也是连续的，所以通过合理控制钻井液连续波发生器中电机的加速、减速和匀速，能够实现本发明所提调制技术。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (12)

1.一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，该系统包括编码器、调制器和钻井液连续波发生器，其特征是：
所述编码器将井下传感器采集的井下信息转化为二进制数据，并将二进制数据传输至所述调制器，所述调制器将所述二进制数据分为至少一组的位序列，建立二进制数据中的位序列与钻井液连续波发生器待产生压力波频率的相互关系，根据压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，将调制信息传输至所述钻井液连续波发生器，所述钻井液连续波发生器根据调制信息规律的产生钻井液连续压力波，将二进制数据调制到钻井液连续压力波中。
2.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述钻井液连续波发送器包括旋转阀、减速机、电机、电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述调制器连接，根据调制器发送来的待产生压力波的信息产生控制信号，并将该控制信号发送至电机驱动器，所述电机驱动器根据其接收的控制信号驱动电机转动，所述电机与所述减速机连接，所述电机驱动所述减速器带动所述旋转阀工作，所述旋转阀设置于空心钻柱内，周期性地阻断流过所述空心钻柱的钻井液产生钻井液连续压力波。
3.如权利要求2所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述旋转阀包括转子和定子，所述转子与所述减速器连接，所述电机驱动减速器带动旋转阀中的转子转动，所述电机既可驱动转子匀速、加速或减速转动，所述转子连续转动，使得所述转子与所述定子之间的阀口交互的打开或关闭，周期性地阻碍钻柱中钻井液流动，按照编码调制规律产生钻井液连续压力波。
4.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数。
5.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：该系统与一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调系统相配合使用，解调系统包括解调器与解码器，所述解调器与所述调制器对应，所述解码器与所述编码器对应，所述解调器根据调制器中的位序列与符号组合、码元频率组合映射表，由地面设备检测到的压力波解调得到二进制数据，并将解调后的二进制数据传输至所述解码器，所述解码器与所述编码器相对应，所述解码器将解调后的二进制数据根据编码符号重构原始数字信息，得到井下信息。
6.如权利要求1-4任一所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
(1)将井下传感器采集到的井下信息传输至编码器，所述编码器将井下信息转化为二进制数据；
(2)编码器将步骤(1)中的二进制数据传输至调制器，调制器根据数据位将二进制数据划分为一组或多组位序列，每组位序列包括至少两位数据位，建立位序列与符号组合、码元频率组合映射表；并通过压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，所述压力波调制方程为：
其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；
(3)调制器将步骤(2)中的调制信息发送至钻井液连续波发生器，控制钻井液连续波发生器按照调制信息规律的产生钻井液压力波。
7.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：所述步骤(2)中，所述位序列与码元一一对应；所述位序列与码元频率组合映射表中的码元频率组合包括预设频率，在单位码元周期内的码元频率组合包括两个预设频率，所述位序列与所述码元频率组合一一对应，所述预设频率的个数至少为2个。
8.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：所述步骤(2)中，所述位序列与码元频率组合映射表中的符号组合包括编码符号，所述位序列与符号组合一一对应，所述符号组合由相同编码符号或不同编码符号组合而成，所述编码符号与预设频率一一对应，所述编码符号的个数至少为2个，所述码元周期为符号周期的2倍。
9.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：所述步骤(2)中，在频率连续的频移键控调制时，单位符号周期内，在符号周期开始发生频率转变，或在符号周期中间发生频率转变，或在符号周期结尾发生频率转变，所述步骤(2)中的频率转变控制步骤(3)中所述钻井液连续波发生器转子转速改变。
10.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：所述步骤(3)中，在单位符号周期中，所述转子第一次变速时间与所述转子第二次变速时间之和小于转子匀速转动持续时间。
11.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：所述步骤(3)中，产生的钻井液压力波为连续压力波。
12.如权利要求6所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：该方法与一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调方法相配合使用，该解调方法包括以下步骤：
(1)从地面采集井下钻井液连续波发生器产生的压力波，并检测压力波单位码元周期内的两个频率值与相位差，将两个频率值传输至解调器；
(2)解调器将步骤(1)中的两个频率值与相位差根据位序列与符号组合、码元频率组合映射表解调出位序列；返回步骤(1)，直至得到全部位序列，将位序列按照获取顺序排列得到二进制数据；
(3)解调器将步骤(2)中的解调出的二进制数据发送至解码器，由解码器重构出井下信息。
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