CN110995287A - 一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，包括以下步骤：S1、对传感器采集的测量数据采取线性变换的方式变换为对应bit数的正整数；S2、对测量数据去噪处理；S3、测量数据及Vandermonde矩阵利用测量数据生成的M个RS纠删码经泥浆脉冲发送到地面平台；S4、将泥浆脉冲信号中的测量数据与RS纠删码提取出来，通过RS纠删码判断整个测量数据传输是否正确，若无错码则将此组数据视为正确数据，并显示在人机交互界面；若有误码则进行预测对比校验。本发明根据随钻测量中测量数据的相关特性，通过历史数据进行预测对比校验，同时结合RS纠删码的全局检错与纠删功能实现纠错，对泥浆脉冲数据传输过程中的随机错误与突发错误都有出色的抑制能力。

Description

一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法

技术领域

本发明涉及钻井工程技术领域，具体涉及一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法。

背景技术

在石油钻井工程中，为了实时了解井下信息，通常采用泥浆脉冲的方式向地面平台发送数据。但是由于泥浆泵冲噪声、井下钻井动力噪声、泥浆气泡、脉冲信号反射等因素的影响，泥浆信道质量较差，泥浆脉冲携带的信息经常会出现误码的现象，通常都需要人工现场筛选提取有用信息。同时因为泥浆中可以利用的带宽较窄，数据传输速率通常在1-10bit/s。随钻测量能够使地面平台了解地层深处的信息与当前钻井工作状态，所以其对于提升石油钻井效率有着至关重要的作用。

现有技术中，为了降低随钻测量数据传输中误码的影响，一种方法是采用奇偶校验的方式检错，如果发现错误则通过人机交互界面进行告警提示。这样在发生误码的情况下钻井现场的工作人员可以根据历史数据或者信号波形判断出可能正确的数据，因为随钻测量得到的数据大部分都是平稳变化、没有突变的。但是奇偶校验码降低了编码效率的同时还有较大的概率无法检测出误码。

另一种方法是通过纠错码的方式在接收单元进行自动检错与纠错，这种方式能够显著降低误码率。但是传统纠错码的编码效率较低，引入纠错码将明显导致通信速率的降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法,采用预测对比校验的方法，同时结合RS纠删码的全局检错与纠删功能实现纠错。本发明既能达到比较好的编码效率，又能具有良好的纠错性能，保证了通信速率与可靠性。

本发明采用下述的技术方案：

一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，包括以下步骤：

S1、对传感器采集的测量数据采取线性变换的方式变换为对应bit数的正整数；

S2、对测量数据去噪处理；

S3、测量数据及Vandermonde矩阵利用测量数据生成的M个RS纠删码经泥浆脉冲一同发送到地面平台；

S4、将泥浆脉冲信号中的测量数据与RS纠删码提取出来，通过RS纠删码判断整个测量数据传输是否正确，若无错码则将此组数据视为正确数据，并显示在人机交互界面；若有误码则进行预测对比校验。

优选的，步骤S1中，所述传感器采集的测量数据包括3轴加速度值、3轴磁力计值、井下温度、自然伽马、高井斜、低井斜、方位角、重力高边工具面角、磁性工具面角。

优选的，步骤S2中，所述去噪处理的方法为：对测量数据进行非线性滤波或者FIR低通滤波，去除测量数据的奇异值。

优选的，步骤S3包括以下步骤：

S31、对于n个测量数据纠错M个，计算出M个RS纠删码：R₁—R_M；

S32、将测量数据和RS纠删码通过PLM编码的方式经泥浆脉冲传输到地面平台。

优选的，步骤S31中，所述计算M个RS纠删码的公式为：

V·X＝R

式中，V为矩阵，由n×n的单位矩阵按行增广Vandermonde矩阵的前M行得到；v₁-v_n为正整数，X为测量数据列向量，R为编码结果列向量。

优选的，步骤S4包括以下步骤：

S41、通过压力传感器得到泥浆脉冲信号，经去噪、识别与PLM解码得到n个测量数据X_1,k-X_n,k与M个RS纠删码R₁-R_M；

S42、使用下列计算方式得到R₁'-R_M'，若R₁＝R₁',...,R_M＝R_M'则判定所有数据传输正确，进入步骤S44，否则进行步骤S43；

式中，v₁-v_n为正整数，X为测量数据列向量，R为编码结果列向量；

S43、利用公式

对每一项测量数据根据历史值计算预测值，若

则判定数据传输错误，最后当存在小于或等于M个错误数据时，通过RS纠删码恢复数据；

其中X_i,k-j为k-j时刻的历史数据，p为预测器阶数，a_ij为需要训练得到的预测器系数，

为k时刻的预测值,T_i为校验阈值；

S44、将测量数据线性变换为正常量纲显示在人机交互界面。

本发明的有益效果是：

本发明根据随钻测量中测量数据的相关特性，提出一种通过历史数据进行预测对比校验的方法，同时结合RS纠删码的全局检错与纠删功能实现纠错，对泥浆脉冲数据传输过程中的随机错误与突发错误都有出色的抑制能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明井下数据发送单元流程图；

图2为本发明地面数据接收单元流程图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图2所示，一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，包括以下两个步骤：

一、井下数据发送单元，流程如图1所示；

首先采集各传感器的测量数据，采取线性变换的方式变换为正整数。然后采用非线性滤波、低通滤波等方式对数据进行去噪，使其具有更好的可信度。最后对测量数据利用Vandermonde矩阵生成M个RS纠删码，所有数据经调制后通过泥浆脉冲发送到地面平台。

需要指出的是本发明中的RS纠删码并非RS纠错码，RS纠错码是利用生成多项式与编码多项式在有限域实现编码，能够实现纠错，但是编码效率较低且编解码计算复杂。且RS纠错码只能对等bit数的数据实现编码，对于随钻测量中各测量数据bit数不相同的情况必须拼接拆分为等bit数的bit组才能编码。RS纠删码是在已知错误位置的情况下实现纠错，编码效率更高且编解码实现简单，且对bit数不同的测量数据能够直接编码，不需要拼接拆分数据。同时RS纠删码具有全局检错功能，对于接收单元进行同发送单元一样的编码方式得到M个RS纠删码，若接收单元生成的M个纠删码和通信接收到的M个纠删码不同则证明存在数据传输错误。这种检错的可靠性远优于奇偶校验。

具体步骤如下：

S1、对传感器采集的测量数据采取线性变换的方式变换为对应bit数的正整数；所述测量数据包括3轴加速度值、3轴磁力计值、井下温度、自然伽马、高井斜、低井斜、方位角、重力高边工具面角、磁性工具面角。如表1所示，总共有15种类型，总长度153bit。

表1目标井随钻测量中的测量数据表

S2、对测量数据进行非线性滤波、FIR低通滤波等方式，去除测量数据的奇异值；

部分传感器采集的数据因为工作环境的影响存在较大噪声，如加速度传感器由于钻头机械振动而在真实值上产生较大幅度的波动，井下自然电位可能产生奇异值(在波形上表现为突变的尖峰等)。这些噪声不仅给地面平台工作人员带来判断上的困难，且不利于本发明的数据校验方案。所以对于这些噪声可以采用非线性滤波、低通滤波等方式予以去除，使滤波后的数据具有更好的可信度。

S3、测量数据及测量数据利用Vandermonde矩阵生成的M个RS纠删码经泥浆脉冲发送到地面平台；

选择15个测量数据纠错一个，即M＝1。所以Vandermonde矩阵n＝15，如公式1所示。利用编码方式为公式2所示的矩阵运算，矩阵V为15×15单位矩阵增补Vandermonde矩阵第一个行向量的16×15矩阵，得到RS纠删码

根据表1可知R1需要15个bit表示。

最后将153+15＝168bit的数据通过PLM编码的方式通过泥浆脉冲传输到地面平台。

V·X＝R

式中，X为测量数据列向量，R为编码结果列向量。

S4、将泥浆脉冲信号中的测量数据与RS纠删码提取出来，通过RS纠删码判断整个测量数据传输是否正确，若无错码则将此组数据视为正确数据，并显示在人机交互界面；若有误码则进行预测对比校验。

二、地面数据接收单元，流程如图2所示；

泥浆脉冲信号经压力传感器采集后通过去噪、识别和解调后得到二进制流数据。然后将其中的测量数据与RS纠删码提取出来。首先利用RS纠删码的检错功能判断整体数据出错情况，若无错码则将此组数据视为正确数据，并显示在人机交互界面，若有误码则进行预测对比校验。校验方法为通过测量数据的历史值对当前测量值进行预测，对当前接收的测量数据与预测值求差，若差的绝对值小于对应的预测阈值则判定为误码。最后若错误数据小于或等于M个，则利用正确数据与纠删码进行恢复，并将恢复的数据显示在人机交互界面。

具体步骤如下：

S41、通过压力传感器得到泥浆脉冲信号，经去噪、识别与PLM解码得到15个测量数据与RS纠删码R1；

S42、对测量数据求和

若R1^*＝R1则判定所有数据传输正确，进入步骤S44，否则进行步骤S43；

S43、利用公式

对每一项测量数据根据历史值计算预测值，其中X_i,k-j为k-j时刻的历史数据，p为预测器阶数，a_ij为需要训练得到的预测器系数，

为k时刻的预测值；得到的预测模型需使预测的均方误差最小，即使

最小，其中M为训练数据的数量。将预测器阶数定为p＝3，通过Levinson-Durbin算法求解预测器系数，根据数据

的类正态分布特性得到其标准差为a，确定校验阈值T_i＝3a；

若

则判定数据传输错误，最后当存在一个错误数据时通过RS纠删码恢复数据；如公式2所示，对于数据X_i,k-j的错误，删除V矩阵和列向量R的第i行得到15×15的矩阵V’和列向量R’，计算V’的逆矩阵V’^-1，然后即可通过计算X＝V'^-1·R'得到正确的X_i,k-j。

S44、将测量数据线性变换为正常量纲显示在人机交互界面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对传感器采集的测量数据采取线性变换的方式变换为对应bit数的正整数；

S2、对测量数据去噪处理；

S3、测量数据及Vandermonde矩阵利用测量数据生成的M个RS纠删码经泥浆脉冲一同发送到地面平台；

S4、将泥浆脉冲信号中的测量数据与RS纠删码提取出来，通过RS纠删码判断整个测量数据传输是否正确，若无错码则将此组数据视为正确数据，并显示在人机交互界面；若有误码则进行预测对比校验。

2.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，步骤S1中，所述传感器采集的测量数据包括3轴加速度值、3轴磁力计值、井下温度、自然伽马、高井斜、低井斜、方位角、重力高边工具面角、磁性工具面角。

3.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，步骤S2中，所述去噪处理的方法为：对测量数据进行非线性滤波或者FIR低通滤波，去除测量数据的奇异值。

4.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31、对于n个测量数据纠错M个，计算出M个RS纠删码：R₁—R_M；

S32、将测量数据和RS纠删码通过PLM编码的方式经泥浆脉冲传输到地面平台。

5.根据权利要求4所述的一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，步骤S31中，计算M个RS纠删码的公式为：

V·X＝R

式中，V为矩阵，由n×n的单位矩阵按行增广Vandermonde矩阵的前M行得到；v₁-v_n为正整数，X为测量数据列向量，R为编码结果列向量。

6.根据权利要求1所述的一种泥浆脉冲信号的校验与纠错方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、通过压力传感器得到泥浆脉冲信号，经去噪、识别与PLM解码得到n个测量数据X_1,k-X_n,k与M个RS纠删码R₁-R_M；

S42、使用下列计算方式得到R₁'-R_M'，若R₁＝R₁',...,R_M＝R_M'则判定所有数据传输正确，进入步骤S44，否则进行步骤S43；

式中，v₁-v_n为正整数，X为测量数据列向量，R为编码结果列向量；

S43、利用公式

对每一项测量数据根据历史值计算预测值，若

则判定数据传输错误，最后当存在小于或等于M个错误数据时通过RS纠删码恢复数据；

其中X_i,k-j为k-j时刻的历史数据，p为预测器阶数，a_ij为需要训练得到的预测器系数，

为k时刻的预测值,T_i为校验阈值；

S44、将测量数据线性变换为正常量纲显示在人机交互界面。

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