CN115788415B - 一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，属于无线通讯技术领域；在传统编码技术(如曼特编码、频移键控编码)基础上，采用相关筛选的方法，硬阈值调节编码率，提高编码增益；在能量固定时，调节脉冲数量和占空比，可定量提高系统的使用时间；本方法编码适用于各种低速，低耗能传输系统，尤其在高背景噪声环境中有良好的应用前景。具有电路简单、省电、不同数据之间编码相关性低、不易混淆，解码误码率低等优点。

Description

一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法。

背景技术

煤层在掘进前，需先在煤层内钻若干孔系，用于瓦斯的抽采及地下水的防治。钻孔时需用到导向仪器。仪器处于钻头后方，测量钻孔轨迹姿态并将数据传输给孔口人员，用于调整钻孔轨迹。

现有的随钻测量仪器普遍采用电缆传输数据。而电缆接头处容易产生连接不可靠、密封不严、故障率高、寿命短等诸多问题。而且，使用电缆的成本也较高。这就需要一种能够无线传输数据的通讯方式。一般的无线电波(射频频段)无法穿透煤层中传输上千米，较为适宜的是采用极低频电磁波通讯的方式进行数据传输。

极低频电磁波与其它频段的电磁波信号相比，虽然穿透能力强，传输距离远。但经过上千米的衰减，传输至孔口时信号已经非常微弱，对解码具有很高的要求。所以需要设计一套很好的编码格式，在兼顾耗电量的同时使发射能量尽量大，为了节省孔内发射装置能源，提高电池使用时间，抑制现场复杂噪声环境，以提高解码的成功率及降低错误率，无线电磁信号的编码形式需要重点设计。

常规的编码制式，曼彻斯特调整编码：用每个时间格中的上升沿、下降沿代表串行数据的“0”和“1”，其缺点是频率是传输速率的一倍，并且需要连续发射，耗电大。相移键控(PSK)调制编码：在连续发射正弦波时通过相位的翻转代表“0”、“1”的跳变，其缺点是正弦波功率发射电路本身就功率损失大，功率输出的效率低；同时信号必须连续发射，耗电高；并且功率电路实现复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法。

一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据钻孔过程中孔底到孔口的传输距离，选择极低频电磁波的频点作为脉冲信号；频点为f，脉冲宽度即为t＝1/f；

步骤2：根据脉冲信号的宽度t，定义脉冲之间的最小间隔时间为t_p；间隔时间t_p应大于等于脉冲宽度t，即t_p≥t，每个脉冲信号占空比小于50％；通过控制脉冲信号的位置和脉冲间隔，从而产生不同的脉冲序列；

步骤3：用n个脉冲组成脉冲序列a，设组合后脉冲序列的时间宽度t_w；根据步骤2脉冲间隔的限制，有t_w＝(t×n+t_p1+t_p2+t_p3+……+t_pn)；t_w就是脉冲序列a的传输时间；

脉冲序列中每个脉冲后面都有一个间隔时间，且间隔时间是t的整倍数，并大于等于t；

脉冲个数n、间隔时间t_p和t_w调节脉冲序列的分组数量m，分组数量m的大小决定了数据量的大小；

步骤4：n个脉冲组成一个脉冲序列a，根据步骤2和步骤3对脉冲的约束条件，枚举出所有脉冲序列，获取m个脉冲序列a，记作所有脉冲序列的集合A{a₁,a₂,a₃,……,a_m}；

步骤5：计算集合A中，每两个元素之间的相关系数r，获得相关系数矩阵集合B；

在集合B中，矩阵的对角线r₁₁,r₂₂,r₃₃,……,r_mm是元素的自相关系数；用B减去单位矩阵E，即去除自相关系数，获得元素间的互相关系数的矩阵集合R；

步骤6：对互相关系数矩阵集合R的每一行进行大小排序，得到排序后的集合S；

步骤7：对集合S中的元素进行筛选；

依据以下标准进行相关性判别；

当r>0.95表示显著相关；当r≥0.8表示高度相关；当0.5≤r＜0.8表示中度相关；当0.3≤r＜0.5表示低度相关；当r＜0.3则表示不相关；其中r为相关度；

设置相关系数阈值T,统计每行元素中大于阈值T的元素个数s_t，统计后得到m个元素的S_tc子集；

根据如下原则选择设置相关系数阈值T：

1.相关度越低误码的概率越小，但为了保证数据数量不变，编码位数增加，传输时间长；

2.相关度越高误码的概率越大，但编码位数较少，传输时间短；

步骤8：根据需要通讯中数据信息的二进制位数b，即数据量的大小，计算挑选数量：k＝b ²，即需要在m个脉冲序列中选择k个；在Stc子集中，标记数值较大的m-k个元素，提取未标记元素的行号，将k个行号归集到集合Q中；用集合Q的行号，在A集合中提取对应的行，用提取的k行组成基础编码集合M(m₁,m₂,m₃,……,m_k)；

步骤9：编码集合M做为一个基础编码，采用更多个基础编码M的线性组合，最终组成编码序列，用于表示需要传输的数据信息。

本发明有益技术效果：

本发明在传统编码技术(如曼特编码、频移键控编码)上，采用相关筛选的方法，硬阈值调节编码率，提高编码增益。在能量固定时，调节脉冲数量和占空比，可定量提高系统的使用时间。该编码适用于各种低速，低耗能传输系统，尤其在高背景噪声环境中有良好的应用前景。

综上所述，由于探管采用电池供电，为满足探管在孔中的使用时长，需要考虑尽量省电。连续输出的信号波形能耗较高，不适用于使用需要，故采用间歇性脉冲信号可以减少电池能量消耗。本发明具有电路简单、省电、不同数据之间编码相关性低、不易混淆，解码误码率低等优点。

附图说明

图1本发明实施例一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法流程图；

图2本发明实施例一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法的脉冲序列；

图3本发明实施例采用曼彻斯特码进行分组编码示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明；

一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，如附图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：根据钻孔过程中孔底到孔口的传输距离，选择极低频电磁波的频点作为脉冲信号，一般为5Hz～20Hz，频率越高传输距离越短；频点为f，脉冲宽度即为t＝1/f；

步骤2：根据脉冲信号的宽度t，定义脉冲之间的最小间隔时间为t_p；间隔时间t_p应大于等于脉冲宽度t，即t_p≥t，每个脉冲信号占空比小于50％；通过控制脉冲信号的位置和脉冲间隔，从而产生不同的脉冲序列；

图2每行为一个脉冲序列，一共128个脉冲序列，其中1表示脉冲，0表示保护时隙。128个脉冲序列表示2⁷＝128个状态，可以表示7bit的二进制数。其中一个格设置为时间宽度0.2秒，一个脉冲占2个格为0.4秒，一个脉冲序列时间宽度是0.2秒×24格＝4.8秒。

步骤3：用n个脉冲组成脉冲序列a，设组合后脉冲序列的时间宽度t_w；根据步骤2脉冲间隔的限制，有t_w＝(t×n+t_p1+t_p2+t_p3+……+t_pn)；t_w就是脉冲序列a的传输时间；

脉冲系列中每个脉冲后面都有一个间隔时间，且间隔时间是t的整倍数，并大于等于t；下表1示例：4个脉冲组成脉冲序列a；脉冲：数字1，间隔时间：数字0，t_w＝16t。

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
																1	0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0

脉冲个数n、间隔时间t_p和t_w调节脉冲序列的分组数量m，分组数量m的大小决定了数据量的大小，例如m＝16、64、128、256等；

步骤4：n个脉冲组成一个脉冲序列a，根据步骤2和步骤3对脉冲的约束条件，枚举出所有脉冲序列，获取m个脉冲序列a，记作所有脉冲序列的集合A{a₁,a₂,a₃,……,a_m}；

步骤5：计算集合A中，每两个元素之间的相关系数r，获得相关系数矩阵集合B；

在集合B中，矩阵的对角线r₁₁,r₂₂,r₃₃,……,r_mm是元素的自相关系数；用B减去单位矩阵E，即去除自相关系数，获得元素间的互相关系数的矩阵集合R；

步骤6：对互相关系数矩阵集合R的每一行进行大小排序，得到排序后的集合S；

步骤7：对集合S中的元素进行筛选；

依据下表2进行相关性判别；

	相关度r	相关结果
			1	r>0.95	显著相关
2	r≥0.8	高度相关
			3	0.5≤r＜0.8	中度相关
4	0.3≤r＜0.5	低度相关
			5	r＜0.3	不相关

设置相关系数阈值T,统计每行元素中大于阈值T的元素个数st，统计后得到m个元素的S_tc子集；

根据如下原则选择设置相关系数阈值T：

1.相关度越低误码的概率越小，但为了保证数据数量不变，编码位数增加，传输时间长；

2.相关度越高误码的概率越大，但编码位数较少，传输时间短；

步骤8：根据需要通讯中数据信息的二进制位数b，即数据量的大小，计算挑选数量：k＝b²，即需要在m个脉冲序列中选择k个；在S_tc子集中，标记数值较大的m-k个元素，提取未标记元素的行号，将k个行号归集到集合Q中；用集合Q的行号，在A集合中提取对应的行，用提取的k行组成基础编码集合M(m₁,m₂,m₃,……,m_k)；

步骤9：编码集合M做为一个基础编码，采用更多个基础编码M的线性组合，最终组成编码序列，用于表示需要传输的数据信息。

本发明实施例采用3个脉冲组合一个脉冲序列，单脉冲宽度0.4秒，脉冲序列宽度4.8秒，最小脉冲间隔0.4秒。改变脉冲的位置和间隔时间，共产生353个脉冲序列。对353个脉冲序列之间进行相关计算，对每个脉冲序列的相关系数统计，相关系数大于0.8的个数作为依据。按筛选依据，提取了数值最小的128个所对应的脉冲序列。用这128个脉冲序列做为数据编码。

采用曼彻斯特码进行分组编码与本发明方法对比说明；

附图3中一个格设置为时间宽度0.2秒，一个脉冲占2个格为0.4秒，一个脉冲序列时间宽度是0.2秒×28格＝5.6秒。采用曼彻斯特编码表示的0～127种状态，即128个脉冲序列表示2⁷＝128个状态，可以表示7bit的二进制数。

与曼码对比，同样传输7bit的数据，曼码的信息传输速率7bit/5.6秒＝1.25bps。文中设计Em分组码信息传输速率7bit/4.8秒＝1.46bps。

Em分组码共用353种脉冲序列，其中128种作为有效码，其余的225种作为禁用码，禁用码在这个分组码进行检错或纠错。

曼彻斯特码的脉冲信号占空比为50％，EM分组码的占空比可以调节，上例占空为6/24＝25％，使用EM分组码相对曼彻斯特码可以节约1半的能量。

表3：编码对比总结：

	信息传输速率	检错能力	脉冲占空比
				曼彻斯特码	1.25bps	无	50％
Em分组码	1.46bps	有	25％

如5Ah电池供电，探管静态电流0.05A，信号输出所需电流0.2A。使用连续波形信号输出时，电池使用时间T＝5Ah÷(0.2A+0.05A)＝20小时。

采用占空比30％的脉冲信号时，信号输出平均电路0.2Ah×25％＝0.05A，电池使用时间T＝5Ah÷(0.05A+0.05A)＝50小时。

Claims (4)

1.一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据钻孔过程中孔底到孔口的传输距离，选择极低频电磁波的频点作为脉冲信号；频点为f，脉冲宽度即为t＝1/f；

步骤2：根据脉冲信号的宽度t，定义脉冲之间的间隔时间为t_p；间隔时间t_p应大于等于脉冲宽度t，即t_p≥t，每个脉冲信号占空比小于50％；通过控制脉冲信号的位置和脉冲间隔，从而产生不同的脉冲序列；

步骤3：用n个脉冲组成脉冲序列a，组合后脉冲序列的时间宽度t_w；根据步骤2脉冲间隔的限制，有t_w＝(t×n+t_p1+t_p2+t_p3+……+t_pn)；t_w就是脉冲序列a的传输时间；

步骤4：n个脉冲组成一个脉冲序列a，根据步骤2和步骤3对脉冲的约束条件，枚举出所有脉冲序列，获取m个脉冲序列a，记作所有脉冲序列的集合A{a₁,a₂,a₃,……,a_m}；

步骤5：计算集合A中，每两个元素之间的相关系数r，获得相关系数矩阵集合B；

步骤6：对互相关系数矩阵集合R的每一行进行大小排序，得到排序后的集合S；

步骤7：对集合S中的元素进行筛选；

步骤8：根据需要通讯中数据信息的二进制位数b计算挑选数量k，所述二进制位数b代表数据量的大小，并且满足k＝b²，在m个脉冲序列中选择k个；在Stc子集中，标记数值较大的m-k个元素，提取未标记元素的行号，将k个行号归集到集合Q中；用集合Q的行号，在A集合中提取对应的行，用提取的k行组成基础编码集合M{m₁,m₂,m₃,……,m_k}；

步骤9：编码集合M做为一个基础编码，采用更多个基础编码M的线性组合，最终组成编码序列，用于表示需要传输的数据信息；

步骤7筛选依据以下标准进行相关性判别；

当r>0.95表示显著相关；当r≥0.8表示高度相关；当0.5≤r＜0.8表示中度相关；当0.3≤r＜0.5表示低度相关；当r＜0.3则表示不相关；其中r为相关度；

设置相关系数阈值T,统计每行元素中大于阈值T的元素个数s_t，统计后得到m个元素的S_tc子集；

根据如下原则选择设置相关系数阈值T：

相关度越低误码的概率越小，但为了保证数据数量不变，编码位数增加，传输时间长；相关度越高误码的概率越大，但编码位数较少，传输时间短。

2.根据权利要求1所述的一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，其特征在于，步骤3所述脉冲序列中每个脉冲后面都有一个间隔时间，且间隔时间是t的整倍数，并大于等于t；

脉冲个数n、间隔时间t_p和时间宽度t_w调节脉冲序列的分组数量m，分组数量m的大小决定了数据量的大小。

3.根据权利要求1所述的一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，其特征在于，步骤5所述相关系数矩阵集合B为：

在相关系数矩阵集合B中，矩阵的对角线r₁₁,r₂₂,r₃₃,……,r_mm是元素的自相关系数；用相关系数矩阵集合B减去单位矩阵E，即去除自相关系数，获得元素间的互相关系数的矩阵集合R；

4.根据权利要求1所述的一种随钻测量仪器低频电磁波信号通讯的编码设计方法，其特征在于，步骤6所述排序后的集合S为：