CN117768062A - 一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码和传输方法、存储介质和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码和传输方法、存储介质和电子设备,将所有数据转化成四进制数并进行分组，每组数据包含16个四进制的码元，末尾不足16个码元就填0补齐;每个码元表示一个四进制数，传输时共占据5个时间片，四进制数n在时间片n和n+1内的波形频率为f，在其余时间片内为2f，频率变化点位于压力波的波谷处;同步序列占据8个时间片，波形频率均为2f;本发明基于泥浆压力波频率调制的数据进行编码，有效滤除其他频率的杂波干扰，提高了抗干扰能力有和波特率；最后，利用分组传输数据，在接收端便于进行校验和纠错，有利于提升井下数据传输速度，缩短钻井作业周期。

Description

一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码和传输方法、存储 介质和电子设备

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，尤其涉及一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码和传输方法、存储介质和电子设备。

背景技术

目前，随钻测井仪器一般使用泥浆脉冲器对需要上传的数据进行编码传输。泥浆脉冲器设有改变流通面积的机构，根据伯努利方程，流通面积的减小会导致钻铤内泥浆压力增大，反之亦然。如果泥浆脉冲器按预定的编码规则来改变流通面积，钻铤内泥浆的压力就会得到相应的调制，形成有规律的压力波。设置在地面管汇上的压力传感器可将采集到的压力波送至计算机进行译码处理，解析出井下的数据，达到数据传输的目的。

随着石油天然气钻井深度的增加，井下仪器的数据传输面临信号衰减增大，干扰多，背景噪声增加等诸多问题，而需要向地面传输的数据量却在增加。现有的编码技术多依靠脉冲位置调制进行编码，速度慢，抗干扰能力差，造成钻井作业期间不能及时获取井下各类工程和地质参数，影响钻井作业周期。为提升数据传输速度，降低误码率，现提出一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码和传输方法、存储介质和电子设备，能够解决现有数据传输技术速度慢，抗干扰能力差的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，

将所有数据转化成四进制数并进行分组，每组数据包含16个四进制的码元，末尾不足16个码元就填0补齐；

每个码元表示一个四进制数，传输时共占据5个时间片，四进制数n在时间片n和n+1内的波形频率为f，在其余时间片内为2f，频率变化点位于压力波的波谷处；同步序列占据8个时间片，波形频率均为2f；

每次传输25个码元，其中前16个码元为待传输的有效码元，按4×4排列，后续9个码元为校验字；

其中前4个校验字为它所在行的码元的累加和除以4取余数，后续4个校验字为它所在列的码元的累加和除以4取余数，最后一个校验字为前8个校验字的累加和除以4取余数。

每个码元携带2bit数据。

每次数据传输前，需发送8个频率为2f的波为同步序列。

数据传输完成后接收端需进行校验和纠错，当每个分组25个码元中只有一个传输错误时才进行纠错。

若前16个码元中有一个传输出错，则出错的码元对应的行和列将校验错误，据此可确定错误码元的位置；设接收到的错误码元为n，可依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，求得正确值；若中间8个校验字中有一个传输出错，则最后一个校验字将校验错误，无需纠错。

S0：井下编码单元接收到数据后，对数据中的码元进行如权利要求1-5中任一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法进行编码，编码后驱动脉冲器发送同步序列；

S1:对接收到的数据进行统计，当数据个数达到4个字节时，将这4个数据拆分成16个四进制数，存放为4行×4列的数组，每行为一个字节；

S2:计算每行的校验字J行，校验字J行等于它所在行的码元的累加和除以4的余数；

S3:计算每列的校验字J列，校验字J列等于它所在列的码元的累加和除以4的余数；

S4:计算以上8个校验字的校验字J总，校验字J总等于以上8个校验字的累加和除以4的余数；

S5:将以上25个数据拼接成一个数组，前16个数据为待传输的有效码元，有效码元后的4个数据为各行的校验字J行，各行的校验字后的4个数据为各列的检验字J列，最后1个数据为前8个校验字的校验字J总；

S6:按照步骤S5的排列方式，驱动脉冲器依次发送25个四进制数据；

重复步骤S1～S6，直到待发送数据传输完毕；

S7：解码单元对接收到数据进行解码处理。

所述的步骤S7具体包括如下步骤：

S71：压力传感器采集表示钻铤泥浆压力的电压信号，进入带通滤波器进行信号预处理；

S72：压力信号送入模数转换器，转化成数字信号，然后送入计算机CPU交由解码程序处理；

S73：解码程序根据设置的波形周期读取数据，若检出8个频率为2f的波，标记为同步序列，并开始读取数据解析码元，否则继续搜索同步序列；

S74：解码程序根据设置的波形周期读取数据，从5个时间片周期内解析出4个波，幅值最高的波起始位置记为n，对应的四进制编码为n；

S75：解码程序按照步骤S73：连续解析读取25个码元数据，组成一个数组；

S76：数组的前16个数据按4×4排列，解码程序计算此16个数据每行和每列的校验值，即所在行或列的码元的累加和除以4的余数；

S77：计算8个校验值的校验值，作为最后一个校验值；

S78：分别比对计算得到的9个校验值和解析波形得到的9个校验值是否相等，若前8个校验值中有2个校验错误，说明有一个有效数据传输错误，根据对应的行和列得知哪个数据出错，然后进入到下一步进行纠错；若前8个校验值中有1个校验错误且最后一个数据校验错误，说明有效数据没有传输错误，只是校验位传输错误，无需纠错；最后一个数据校验错误也无需纠错；其他情况说明可能不止一个数据传输错误；

S79：依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，校验正确的值即是n的正确值；

S80：重复步骤S73～S78，依次解码剩余的数据。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，使所述计算机可读存储介质所在设备执行如上所述的编码方法、如上所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。

一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如如上所述的编码方法、如如上所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。

本发明基于泥浆压力波频率调制的方式进行编码，由于载波频率固定，可使用带通滤波器对波形进行预处理，有效滤除其他频率的杂波干扰；而且，每个码元占据的时间相等，解码时只需对比这段时间内4个波形的幅值即可得到所表示的码元，抗干扰能力有了明显的提升；进一步的，每个码元携带2bit数据，一定程度上提升了波特率；最后，利用分组传输数据，在接收端便于进行校验和纠错，当每组数据只有一个传输错误时，可对传输错误的数据进行纠错。综上，所述编码是一种基于频率调制的抗干扰能力强、波特率较高和具备一定纠错能力的编码技术，有利于提升井下数据传输速度，缩短钻井作业周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述码元的示意图；

图2为本发明所述波形变化位置示意图；

图3为本发明所述同步序列波形示意图；

图4为本发明所述数据分组示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动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。

如图1所示，本发明包括将所有数据转化成四进制数并进行分组，每组数据包含16个四进制的码元，末尾不足16个码元就填0补齐；

每个码元表示一个四进制数(0～3)，传输时共占据5个时间片(0～4)，四进制数n在时间片n和n+1内的波形频率为f，在其余时间片内为2f，频率变化点位于压力波的波谷处；同步序列占据8个时间片，波形频率均为2f；

实际应用中，本发明设置有4个码元，每个码元占5个时间片，4个码元在全部5个时间片内的波形由2种频率组合产生，如图1所示，码元0x00在时间片0和1内频率为f，其余为2f；码元0x01在时间片1和2内频率为f，其余为2f；码元0x02在时间片2和3内频率为f，其余为2f；码元0x03在时间片3和4内频率为f，其余为2f。每个码元携带2bit数据。

如图2所示，所述基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，频率发生变化的时刻位于压力波波谷位置。f产生的波形可表示为y1＝sin(x-t)，2f产生的波形可表示为y1＝sin(2*x-t)，由此可以推导出当频率变化发生在波峰或波谷时，两种波形的波峰位置差距最明显，此时解码误码率最低。

每次传输25个码元，其中前16个码元为待传输的有效码元，按4×4排列，后续9个码元为校验字；其中前4个校验字为它所在行的码元的累加和除以4取余数，后续4个校验字为它所在列的码元的累加和除以4取余数，最后一个校验字为前8个校验字的累加和除以4取余数。每个码元携带2bit数据。如图3所示，每次数据传输前，需发送8个频率为2f的波为同步序列，便于地面软件进行数据同步。同步序列不能使用任意两个码元组合构成的波形，并应尽可能的短以节省传输时间。所述编码以8个频率2f产生的波形作为同步序列，可有效防止解码程序将同步波形误当成4个码元进行解码。

数据传输完成后接收端需进行校验和纠错，当每个分组25个码元中只有一个传输错误时才进行纠错。

若前16个码元中有一个传输出错，则出错的码元对应的行和列将校验错误，据此可确定错误码元的位置；设接收到的错误码元为n，可依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，求得正确值；若中间8个校验字中有一个传输出错，则最后一个校验字将校验错误，无需纠错。

本发明基于泥浆压力波频率调制的数据进行编码，由于载波频率固定，可使用带通滤波器对波形进行预处理，有效滤除其他频率的杂波干扰；而且，每个码元占据的时间相等，解码时只需对比这段时间内4个波形的幅值即可得到所表示的码元，抗干扰能力有了明显的提升；进一步的，每个码元携带2bit数据，一定程度上提升了波特率；即通过编码大大提高了数据自身的抗干扰能力。

一种基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法，包括如下步骤：

S0：井下编码单元接收到数据后，对数据中的码元进行如权利要求1-5中任一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法进行编码，编码后驱动脉冲器发送同步序列；

S1:对接收到的数据进行统计，当数据个数达到4个字节时，将这4个数据拆分成16个四进制数，存放为4行×4列的数组，每行为一个字节；

S2:计算每行的校验字J_行，校验字J_行等于它所在行的码元的累加和除以4的余数；

S3:计算每列的校验字J_列，校验字J_列等于它所在列的码元的累加和除以4的余数；

S4:计算以上8个校验字的校验字J_总，校验字J_总等于以上8个校验字的累加和除以4的余数；

S5:将以上25个数据拼接成一个数组，前16个数据为待传输的有效码元，有效码元后的4个数据为各行的校验字J_行，各行的校验字后的4个数据为各列的检验字J_列，最后1个数据为前8个校验字的校验字J_总；

S6:按照步骤S5的排列方式，驱动脉冲器依次发送25个四进制数据；

重复步骤S1～S6，直到待发送数据传输完毕；

S7：解码单元对接收到数据进行解码处理。

所述的步骤S7具体包括如下步骤：

S71：压力传感器采集表示钻铤泥浆压力的电压信号，进入带通滤波器进行信号预处理；

S72：压力信号送入模数转换器，转化成数字信号，然后送入计算机CPU交由解码程序处理；

S73：解码程序根据设置的波形周期读取数据，若检出8个频率为2f的波，标记为同步序列，并开始读取数据解析码元，否则继续搜索同步序列；

S74：解码程序根据设置的波形周期读取数据，从5个时间片周期内解析出4个波，幅值最高的波起始位置记为n，对应的四进制编码为n；

S75：解码程序按照步骤S73：连续解析读取25个码元数据，组成一个数组；

S76：数组的前16个数据按4×4排列，解码程序计算此16个数据每行和每列的校验值，即所在行或列的码元的累加和除以4的余数；

S77：计算8个校验值的校验值，作为最后一个校验值；

S78：分别比对计算得到的9个校验值和解析波形得到的9个校验值是否相等，若前8个校验值中有2个校验错误，说明有一个有效数据传输错误，根据对应的行和列得知哪个数据出错，然后进入到下一步进行纠错；若前8个校验值中有1个校验错误且最后一个数据校验错误，说明有效数据没有传输错误，只是校验位传输错误，无需纠错；最后一个数据校验错误也无需纠错；其他情况说明可能不止一个数据传输错误；

S79：依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，校验正确的值即是n的正确值；

S80：重复步骤S73～S78，依次解码剩余的数据。

实际使用时，以具体的示例进行进一步的解释说明，地面解码程序在接收到同步序列后会对波形周期进行测量修正，通过与前几次测量值进行对比分析，逐步修正误差，利于下一次解码。此方法使井下脉冲器可根据实际情况更改压力波频率。

所述基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，传输前需将数据拆分转换成四进制数，并分成16个码元的分组，不足16个码元的在末尾填0补齐。这16个码元记为a0～a15，按4×4排列，如图4所示。J0～J8为校验字，其中J0～J3的校验结果为它所在行的码元的累加和除以4取余数，同样J4～J7的校验结果为它所在列的码元的累加和除以4取余数，J8为J0～J7的累加和除以4取余数。每次传输先发送码元a0～a15，接着发送校验码J0～J8，共25个码元。

地面解码程序接收到数据后会进行校验和纠错。校验过程如下：先对码元a0～a15按上文所述方法计算行和列的校验结果，之后比对相应位置的上传的校验码J0～J8，若两者数值相等，表示该行或该列数据未发生传输错误，否则表示对应的行或列中有传输错误的码元。若每一组25个码元中只有1个传输错误，那么校验错误的行和列相交的位置即为错误码元的位置。举例说明，假设正常码元a4传输错误，则J1和J4会校验错误，程序将对a4进行纠错，纠错过程下文进行描述。若校验字J0～J7中有一个发生传输错误，则会出现J0～J7中只有一个校验错误，同时J8校验错误的情形，因只有校验字出错，无需进行纠错。若只有J8检验错误，则说明其他码元均传输正确，同样无需纠错。

由图1所示的波形可知，因传输过程中受到干扰和发生衰减，压力波发生变形最大可能的情况是f1产生的波形与其相邻的两个波幅值相似而无法准确判读码元，即错误码元比正确码元大1或小1，据此可对错误的码元进行纠错。仍以a4传输错误举例，若接收到的错误码元为a4′，以a4′+1替换a4′重新进行校验，如果检验结果正确说明a4′+1即为a4正确的值，如果校验错误可用a4′-1再进行校验，如果仍不正确尝试用a4′+2进行校验，如果再次校验错误则表示整个分组中传输错误的码元不止一个。因错误2个或以上码元的分析计算过于复杂，并且可能无法进行纠错，在此不做进一步的阐述。综上，该编码可对分组数据只有一个码元传输时错误时进行纠错。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时，使所述计算机可读存储介质所在设备执行如上任意一项所述的编码方法、如上所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。

一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意所述的编码方法、如上任意一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以做出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：

将所有数据转化成四进制数并进行分组，每组数据包含16个四进制的码元，末尾不足16个码元就填0补齐;

每个码元表示一个四进制数，传输时共占据5个时间片，四进制数n在时间片n和n+1内的波形频率为f，在其余时间片内为2f，频率变化点位于压力波的波谷处;同步序列占据8个时间片，波形频率均为2f;

每次传输25个码元，其中前16个码元为待传输的有效码元，按4×4排列，后续9个码元为校验字;

其中前4个校验字为它所在行的码元的累加和除以4取余数，后续4个校验字为它所在列的码元的累加和除以4取余数，最后一个校验字为前8个校验字的累加和除以4取余数。

2.根据权利要求1所述的一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：每个码元携带2bit数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：每次数据传输前，需发送8个频率为2f的波为同步序列。

4.根据权利要求3所述的一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：数据传输完成后接收端需进行校验和纠错，当每个分组25个码元中只有一个传输错误时才进行纠错。

5.根据权利要求4所述的一种基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：若前16个码元中有一个传输出错，则出错的码元对应的行和列将校验错误，据此可确定错误码元的位置；设接收到的错误码元为n，可依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，求得正确值；若中间8个校验字中有一个传输出错，则最后一个校验字将校验错误，无需纠错。

6.一种基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

S0：井下编码单元接收到数据后，对数据中的码元进行如权利要求1-5中任一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法进行编码，编码后驱动脉冲器发送同步序列；

S1:对接收到的数据进行统计，当数据个数达到4个字节时，将这4个数据拆分成16个四进制数，存放为4行×4列的数组，每行为一个字节；

S2:计算每行的校验字J_行，校验字J_行等于它所在行的码元的累加和除以4的余数；

S3:计算每列的校验字J_列，校验字J_列等于它所在列的码元的累加和除以4的余数；

S4:计算以上8个校验字的校验字J_总，校验字J_总等于以上8个校验字的累加和除以4的余数；

S5:将以上25个数据拼接成一个数组，前16个数据为待传输的有效码元，有效码元后的4个数据为各行的校验字J_行，各行的校验字后的4个数据为各列的检验字J_列，最后1个数据为前8个校验字的校验字J_总；

S6:按照步骤S5的排列方式，驱动脉冲器依次发送25个四进制数据；

重复步骤S1~S6，直到待发送数据传输完毕；

S7：解码单元对接收到数据进行解码处理。

7.根据权利要求6所述的基于泥浆压力波频率调制的数据编码方法，其特征在于：所述的步骤S7具体包括如下步骤：

S71：压力传感器采集表示钻铤泥浆压力的电压信号，进入带通滤波器进行信号预处理；

S72：压力信号送入模数转换器，转化成数字信号，然后送入计算机CPU交由解码程序处理；

S73：解码程序根据设置的波形周期读取数据，若检出8个频率为2f的波，标记为同步序列，并开始读取数据解析码元，否则继续搜索同步序列；

S74：解码程序根据设置的波形周期读取数据，从5个时间片周期内解析出4个波，幅值最高的波起始位置记为n，对应的四进制编码为n;

S75：解码程序按照步骤S73：连续解析读取25个码元数据，组成一个数组；

S76：数组的前16个数据按4×4排列，解码程序计算此16个数据每行和每列的校验值，即所在行或列的码元的累加和除以4的余数；

S77：计算8个校验值的校验值，作为最后一个校验值；

S78：分别比对计算得到的9个校验值和解析波形得到的9个校验值是否相等，若前8个校验值中有2个校验错误，说明有一个有效数据传输错误，根据对应的行和列得知哪个数据出错，然后进入到下一步进行纠错；若前8个校验值中有1个校验错误且最后一个数据校验错误，说明有效数据没有传输错误，只是校验位传输错误，无需纠错；最后一个数据校验错误也无需纠错；其他情况说明可能不止一个数据传输错误；

S79：依次尝试用n-1、n+1、n+2替换n计算所在行和列的累加和除以4取余数，校验正确的值即是n的正确值；

S80：重复步骤S73~ S78，依次解码剩余的数据。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时，使所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1-5任意一项所述的编码方法、如权利要求6-7任意一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任意一项所述的编码方法、如权利要求6-7任意一项所述的基于泥浆压力波频率调制的数据传输方法的至少一种。