CN112543027B

CN112543027B - 基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法及系统

Info

Publication number: CN112543027B
Application number: CN202011485920.9A
Authority: CN
Inventors: 武加锋; 赵淑星; 蒋建明; 闫新宇; 兰浩田; 孟洋洋; 秦冬黎
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112543027A

Abstract

本公开发明公开的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法及系统，包括：获取由钻井液流量信息转换成的电压信号；从电压信号中提取参考信号片段；基于模式识别原理从电压信号中提取与参考信号片段波形特征相似的相似片段；基于码元解释算法，根据提取的相似片段对电压信号进行解码，获得码元信号序列；对码元信号序列进行识别，获得控制指令。从电压信号中提取了所有的相似片段，根据相似片段对电压信号进行解码，提高了解码正确率。

Description

基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法及系统

技术领域

本发明涉及油钻井下传信号解码技术领域，尤其涉及基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在石油钻井过程中，地面控制系统与井下工具之间高速发展的双向通讯技术，是加快钻井工程迈向自动化进程的必要环节，对复杂工况条件下实现智能钻井有着重要作用。其中下行通讯技术承担着向井下工具发送地面控制指令的工作，是实现井下工具自动操作的关键部分，这种控制指令信息一般包括方位角、井斜角和工具面角等。

自石油勘探开采以来，信息通讯方式主要有四种：绝缘导线、电磁波、声波和泥浆脉冲，从传输深度、传输速率、可靠性和开发成本考虑，目前泥浆脉冲的传输方式应用最为广泛。下行通讯系统主要采用钻井液负脉冲技术来传输地面控制系统发出的下传指令信号，这种方式虽然传输比特率较低，但它传输性能可靠、可远距离传输。对于目前常用的旁通式下行通讯系统，钻井时，地面控制系统将控制信息编码成“0-1”编码指序列，通过周期性打开或关闭钻井液流通截面上的节流阀门将编码信号调制成钻井液负流量脉冲信号。打开或关闭阀门一次各形成一个脉宽波形，并约定编码的下传信号序列为最小脉宽的整数倍。当节流阀打开时，一般设定分支管线分流出立管正常排量的固定比例返回到泥浆池，当阀门关闭时，循环系统的钻井液流量恢复到正常值。下传信号经钻井液下传至井下，随后井下接收装置利用涡轮发电机感知钻井液流量变化并转为电压脉冲信号，电压信号被接收装置中的数模转换电路检测并储存在电路中进行下一步处理工作。作为下行通讯的关键环节，只有正确地解码出下传信号指令字，才能让井下工具按照控制指令完成特定工作。常见的解码方法主要是以电压阈值为核心通过软件进行处理，一般是以接收到的电压脉冲信号是涡轮发电机初始排量时输出电压的80％为计时阈值，再通过检测电压信号的跳变来计算各个脉宽并求出指令码。

实际钻井过程中，为提高下传通讯的传输速率，在较短时间内通讯更多的信息，实现快速高效钻井作业，可通过减小最小脉冲宽度T_min来提高传输比特率，然而脉宽过小会导致信号波形失真，严重影响下传信号的解码。在此情况下，若仍采用传统的阈值法来确定脉宽和指令，会因信号波形失真无法准确识别跳变点而出现极高误码率。因此，为了下行通讯的传输比特率提高的同时保证其正确的解码率，需要研究一种新的解码方式以避开信号波形失真带来的影响。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法及系统，从电压信号中提取了所有的相似片段，根据相似片段对电压信号进行解码，提高了解码正确率。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，包括：

获取由钻井液流量信息转换成的电压信号；

从电压信号中提取参考信号片段；

基于模式识别原理从电压信号中提取与参考信号片段波形特征相似的相似片段；

基于码元解释算法，根据提取的相似片段对电压信号进行解码，获得码元信号序列；

对码元信号序列进行识别，获得控制指令。

进一步的，基于模式识别原理从电压信号中提取与参考信号片段波形特征相似的相似片段，包括：

将电压信号划分为多个对比片段；

计算参考信号片段与每个对比片段的欧式距离；

将多个欧式距离形成曲线；

确定曲线中除零点外的局部最小值；

根据局部最小值，确定参考信号片段的相似片段。

进一步的，采用k-means算法从电压信号的上升沿或下降沿中提取参考信号片段。

进一步的，基于码元解释算法，根据相似片段对电压信号进行解码的具体过程为：

计算每个相似片段的脉宽间隔点；

计算相似片段的脉宽间隔点的实际最小脉宽；

从相似片段的中间数据点开始以最小脉宽为步长记为新的数据序列，计算序列的均值；

通过比较序列的均值与相似片段的中间数据点进行解码。

进一步的，通过编码规则对码元信号序列进行识别，获得控制指令。

进一步的，对电压信号进行滤波，获取滤波信号，从滤波信号中提取参考信号片段和相似片段。

第二方面，提出了基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码系统，包括：

涡轮发电机，用于将钻井液流量信息转换为电压信号；

井下信号处理单元，用于从电压信号中提取参考信号片段，基于模式识别原理从电压信号中提取与参考信号片段波形特征相似的相似片段，基于码元解释算法，根据提取的相似片段对电压信号进行解码，获得码元信号序列，对码元信号序列进行识别，获得控制指令；

井下工具，用于根据控制指令作业。

进一步的，采用涡轮发电机的涡轮感知钻井液流量变化，涡轮受钻井液负流量脉冲的影响，涡轮转速发生变化，使得涡轮发电机产生电压脉冲信号。

第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法所述的步骤。

第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开的信号解码方法，从电压信号的上升沿或下降沿中提取了参考信号片段，根据参考信号片段从电压信号中提出了所有的相似片段，根据相似片段对电压信号进行解码，提高了解码的正确率，解码效果更好。

2、本公开适用于窄脉宽的下传信号解码处理，只要信号波形具有上升沿或下降沿波形片段，就可以通过本公开的信号解码方法进行解码。

3、本公开的信号解码方法相比常规的码元计算方式，具有高效、可靠的优点。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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为本公开实施例1公开的信号解码方法的流程图；

图2为本公开实施例1公开的码元解释算法流程图；

图3为本公开实施例1中电压信号滤波前后对比图；

图4为本公开实施例1中确定的参考信号片段图；

图5为本公开实施例1中求解的欧式距离矩阵结果图；

图6为本公开实施例1中确定的相似信号片段图；

图7为本公开实施例1获得的解码结果图；

图8为采用实施例1方法获得解码结果与常规阈值解码法对比图；

图9为本公开实施例2公开系统的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

在该实施例中，公开了基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，对下传信号进行基本数字预处理之后，基于模式识别原理确定信号波形中所有具有相同波形特征的下降沿信号片段(或上升沿，本发明均以下降沿为例)，计算信号波形失真时的实际最小脉宽，并通过码元解释算法来确定下传信号控制指令，以此实现井下工具的特定操作，包括：

获取由钻井液流量信息转换成的电压信号；

从电压信号中提取参考信号片段；

对码元信号序列进行识别，获得控制指令。

结合图2-8对基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法进行详细说明。

如图2所示，基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法的具体步骤如下：

(1)基本数字预处理：对采集的电压信号数据做数字预处理，包括去除两次数据差的绝对值超过某特定阈值的信号数据，再进行卡尔曼滤波处理，对预处理后的电压信号进行解码；

(2)确定参考信号片段：参考信号片段需选取电压信号的上升沿或下降沿信号波形中具有明显波形特征的片段，可采用k-means算法初始聚类中心的选取方式，如密度法，确定上升沿或下降沿中具有波形特征的片段，为参考信号片段，包括以下步骤：

(2.1)计算某上升沿或下降沿信号片段的信号幅值均值a；

(2.2)对任意确定一个无穷小正整数d,若在该片段中存在某一片段序列满足条件

则可确定信号片段B₀为具有上升沿或下降沿波形特征的参考信号片段，T_s为该片段的时间长度。

(3)计算欧式距离矩阵：参考最近邻法中欧式距离判别函数的思想，确定电压信号中与参考信号相似的所有相似片段，包括以下步骤：

(3.1)将电压信号划分为多个对比片段，计算参考信号段与对比片段幅值间的差值矩阵L₁；

(3.2)计算差值矩阵L₁的均值为L₂；

(3.3)计算步骤(3.1)获得的差值矩阵L₁与步骤(3.2)获得的均值L₂的欧式距离矩阵D。

(4)识别出电压信号中与参考矩阵相似的所有相似片段：以欧式距离矩阵D中的元素作函数曲线以便直观了解匹配信号片段与参考信号片段波形相似程度的变化规律，分析曲线可计算曲线中每个局部最小值T，并计算局部最小值所代表的信号片段序列为B_j，为相似片段，通过获取的相似片段，计算电压信号的实际最小脉宽T_A-min以便计算码元。

(5)确定实际最小脉宽，通过同步头特定的结构计算信号波形失真时的实际最小脉宽，具体为：

(5.1)计算每个相似片段的脉宽间隔点ΔT；

(5.2)求对步骤(5.2)的结果ΔT计算实际最小脉宽T_A-min的取整数值

(6)解码指令字：通过如图2所示的码元解释算法框图对信号进行指令字解码，具体为：

(6.1)去除同步头所占的信号片段，从相似片段B_v(v＝2,3,…,k-1)的中间数据点

开始以T_A-min为步长记为新的数据序列C_l，计算该序列的均值记为

其中w为指令字(码元)的个数；

(6.2)通过比较对比每个指令脉宽间信号片段幅值的均值与相似信号片段幅值中间数的大小来给该指令脉宽时间ΔT的码元M赋值：

获得码元信号序列。

(6.3)对解码获得0、1码元信号序列进行识别，具体规则与地面控制系统编码规则一一对应，为编码规则的逆过程。

为说明问题，对一组现场数据进行仿真分析，该信号数据设定最小脉冲宽度为8s，同步头为“8s-8s-20s-8s”，复合钻进默认导向工作模式，控制指令编码为“110000001011011101110101”。

图3出示了步骤(1)采集的电压信号经过基本数字预处理后得到的滤波前后对比图。本实施例采用卡尔曼滤波，但并不局限于仅仅以卡尔曼滤波进行数字预处理。

图4出示了步骤(2)的处理结果，通过“密度法”原理

确定第一个下降沿片段中的参考信号片段B₀，B₀起始点坐标为(39.81，99.95)，终点坐标为(41.80，95.14)，参考片段起始点T₀＝39.81s，从图3可知参考信号片段波形特征明显，可作为下降沿参考片段。

图5出示了步骤(3)确定了参考信号片段后，利用特征识别的欧式距离矩阵模型

将参考片段与对比片段的差值矩阵L₁(L₁＝{L₁₁ L₁₂ … L_1n})和差值的均值矩阵L₂(L₂为一个数值，可做1×1矩阵)作为最近邻法中欧式距离矩阵模型中的样本集矩阵和参考矩阵，可确定欧式距离矩阵D，以该矩阵作为曲线进行下步分析，从曲线图中可看出，除零点外(参考线号片段)共有8个局部最小值，可作为8个与参考信号片段具有相同波形特征的下降沿片段，这些片段的数据起始点分别为T₁＝55.21s，T₂＝83.23s，T₃＝148.11s，T₄＝163.61s，T₅＝187.11s，T₆＝219.21s，T₇＝251.05s，T₈＝266.80s。

图6出示了步骤(4)依据局部最小值可依次确定相似片段在整个信号图中的具体位置即B₁、B₂、…、B₈，。并且由步骤(5)依据同步头特定的结构“8s-8s-20s-8s”可计算实际最小脉宽数据点T_A-min＝7.70s。

图7出示了步骤(5)码元结果图。参考图1码元解释算法流程图，去除同步头的信号片段，从相似信号片段B₂开始计算。记每个相似片段的脉宽间隔数据点ΔT＝{T₁-T₀、T₂-T₁、…、T_j-T_j-1}，求ΔT对实际最小脉宽的取整数值

在相似信号片段B₂与B₃中，从B₂片段的中间数据点

开始，以T_A-min为间隔的信号数据为新数据序列

其中l＝1,2,…,T_A-min，计算该序列的均值记为

w是不大于q_j的最小整数。通过比较数值给该ΔT的码元M赋值，若

则M_w记为0，否则M_w记为1。重复上述过程，并且对数据x(ΔT-q_j·T_A-min)做剔除处理，可得本实施例的方法得到的结果为“110000001011011101110101”，与预置指令完全一致。

将本实施例公开的信号解码方法与常规阈值解码法的解码结果进行对比分析，图8出示了常规阈值解码法与本实施例公开解码方法的解码结果对比图。对比实际发送的控制指令可知，本实施例公开的解码方法解码结果与预置指令一致，而常规的阈值法在此种情形下误码率极高。

本实施例公开的信号解码方法利用信号在上升沿或下降沿具有相似波形特征从而确定所有相似片段，再进行解码处理。相比常规阈值法在窄脉宽下以电压阈值判别各指令字脉宽容易出现错码现象，本实施例公开的方法解码正确率更好，并且脉宽越小，其解码效果越好。

本实施例公开的信号解码方法适用于窄脉宽的下传信号解码处理，理论上只要信号波形具有上升沿或下降沿波形片段，就可以通过模式识别的方式进行解码。

本公开设计的信号解码方法相比常规的码元计算方式，具有高效、可靠的优点。

实施例2

在该实施例中，公开了基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码系统，如图9所示，包括，涡轮发电机、井下工具和井下信号处理单元，涡轮发电机、井下工具分别与井下信号处理单元连接；

涡轮发电机，用于感知井下钻井液流量变化，采集负流量脉冲，并将钻井液流量压力信号转换成电压信号；电压信号经井下信号处理单元处理后解码为地面指令信息，进而实现对井下工具进行特定的控制。

实施例1公开的解码方法嵌入井下信号处理单元中，包括确定参考信号片段、识别出所有相似片段以及计算码元等三个部分，该方法通过下传信号波形上升沿或下降沿的相似性，建立各指令字间的脉宽计算方式，从而实现信号的正确解码。

涡轮发电机感知井下钻井液流量变化涡轮发电机的涡轮受钻井液负流量脉冲的影响，涡轮转速发生变化进而产生电压脉冲信号，实现钻井液负流量脉冲到电压信号的转化，并将电压信号传输至所述井下信号处理单元。所述的井下工具依据解码出的地面控制信息参数分别进行特定作业。

井下信号处理单元包括去噪处理单元、信号解码处理单元和控制指令识别单元，三个处理单元依次连接。所述去噪处理单元将采集的电压信号进行信号预处理与滤波处理；所述信号解码处理单元通过实施例1公开的信号解码方法对预处理后的信号进行解码，并将解码出的0、1信号序列传输至控制信息识别单元；所述控制指令识别单元需结合地面控制指令编码规则对信号序列进行相应的识别生成控制指令，通过控制指令控制井下工具进行特定的作业。

实施例3

在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法所述的步骤。

实施例4

在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法所述的步骤。

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

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，其特征在于，包括：

获取由钻井液流量信息转换成的电压信号；

从电压信号中提取参考信号片段；

对码元信号序列进行识别，获得控制指令；

基于码元解释算法根据相似片段对电压信号进行解码的具体过程为：

计算每个相似片段的脉宽间隔点；

计算相似片段的脉宽间隔点的实际最小脉宽；

通过比较序列的均值与相似片段的中间数据点进行解码。

2.如权利要求1所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，其特征在于，所述的基于模式识别原理从电压信号中提取与参考信号片段波形特征相似的相似片段，包括：

将电压信号划分为多个对比片段；

计算参考信号片段与每个对比片段的欧式距离；

将多个欧式距离形成曲线；

确定曲线中除零点外的局部最小值；

根据局部最小值，确定参考信号片段波形特征相似的相似片段。

3.如权利要求1所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，其特征在于，采用k-means算法从电压信号的上升沿或下降沿中提取参考信号片段。

4.如权利要求1所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，其特征在于，通过编码规则对码元信号序列进行识别，获得控制指令。

5.如权利要求1所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法，其特征在于，对电压信号进行滤波，获取滤波信号，从滤波信号中提取参考信号片段和相似片段。

6.基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码系统，其特征在于，包括：

涡轮发电机，用于将钻井液流量信息转换为电压信号；

井下信号处理单元，用于从电压信号中提取参考信号片段，从电压信号中提取与参考信号片段相似的相似片段，对相似片段进行解码，获得码元信号序列，对码元信号序列进行识别，获得控制指令；

井下工具，用于根据控制指令作业。

7.如权利要求6所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码系统，其特征在于，采用涡轮发电机的涡轮感知钻井液流量变化，涡轮受钻井液负流量脉冲的影响，涡轮转速发生变化，使得涡轮发电机产生电压脉冲信号。

8.一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-5任一项所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-5任一项所述的基于模式识别的窄脉宽负脉冲式下传信号解码方法的步骤。