基于鉆柱聲波信道的隨鉆數(shù)據(jù)V-OFDM傳輸方法研究

馬 東，師奕兵，張 偉，柳國振

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基于鉆柱聲波信道的隨鉆數(shù)據(jù)V-OFDM傳輸方法研究

馬 東，師奕兵，張 偉，柳國振

(電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院 成都 611731)

隨鉆數(shù)據(jù)聲波傳輸系統(tǒng)利用聲波沿鉆柱信道傳播，實現(xiàn)井下和地面信息準(zhǔn)確高效的實時通信。鉆柱信道由鉆桿和接箍周期性構(gòu)成，通過理論分析和建模仿真，得到通阻帶交替存在的梳狀頻譜特性，并采用FIR濾波器逼近，建立信道仿真平臺。矢量正交頻分復(fù)用技術(shù)(V-OFDM)可以將多徑衰落信道分解為多個矢量子信道，通過加入適量的循環(huán)前綴，在消除符號間干擾(ISI)的同時，利用分集增益，可以減小由于信道頻譜零點造成的誤碼，增加系統(tǒng)的魯棒性。仿真和實測結(jié)果表明，該方法在滿足低誤碼率的同時，能降低數(shù)據(jù)冗余，提高傳輸效率。

聲波傳輸; 誤碼率; 鉆柱信道; FIR濾波器; V-OFDM

隨鉆數(shù)據(jù)傳輸[1-2]是隨鉆測井技術(shù)的核心之一，通過實時傳輸測井?dāng)?shù)據(jù)，能有效指導(dǎo)鉆井作業(yè)。目前隨鉆傳輸方法主要有泥漿脈沖、電磁波、智能鉆桿、光纖和聲波遙傳。其中，泥漿脈沖傳輸速率很低，無法適應(yīng)大數(shù)據(jù)要求；電磁波傳輸受地層電阻率影響較大，局限性強；智能鉆桿和光纖傳輸成本昂貴、技術(shù)復(fù)雜，不適合在井場現(xiàn)場操作。聲波遙傳是利用聲波沿鉆柱傳輸，實現(xiàn)地面和井下雙向通信，傳輸速率可以達到100 bit/s。該技術(shù)具有成本低、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，同時也具有聲波傳輸衰減大、噪聲干擾大、鉆柱信道復(fù)雜多變等缺點。

由文獻[3-4]可知，理想鉆柱周期性級聯(lián)信道的頻譜特性呈現(xiàn)通阻帶交替出現(xiàn)的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)，這為利用其通帶傳輸提供了理論基礎(chǔ)。文獻[5]提出了基于OFDM的鉆柱聲波傳輸，由于實際鉆柱信道多徑延時導(dǎo)致的符號間干擾(ISI)，需要添加大量的循環(huán)前綴，數(shù)據(jù)冗余增加；同時其對傳輸通帶內(nèi)出現(xiàn)的頻譜零點顯得無力。文獻[6]首次提出了V-OFDM原理，是一種預(yù)編碼OFDM技術(shù)，利用分集增益，減小由于信道頻譜零點導(dǎo)致的誤碼。通過對多徑信道進行矢量化處理，可以減少克服ISI而加入的循環(huán)前綴，提高傳輸效率[6-8]。

針對以上聲波傳輸研究中所面臨的問題，本文提出了基于V-OFDM的鉆柱聲波傳輸方法。首先通過等效透射膜法理論分析[4]和建模仿真非一致尺寸的鉆桿接箍級聯(lián)信道的幅頻特性，然后通過FIR濾波器逼近，搭建通信系統(tǒng)的仿真平臺；其次在詳述V-OFDM調(diào)制原理后，進行系統(tǒng)仿真實驗，對比誤碼率，最后在實驗室完成實測。仿真和實測結(jié)果表明，該技術(shù)可以增加在深衰落信道下系統(tǒng)魯棒性，滿足誤碼率的同時，減小冗余數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。

1 隨鉆數(shù)據(jù)聲波鉆柱傳輸信道

1.1 隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)模型

隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示，聲波以機械振動的形式在鉆柱中傳輸，鉆柱由多個鉆桿及接箍級聯(lián)而成，貫穿井眼，直接到達地面，為聲波傳輸提供通道，同時該通道受地層和鉆井液影響較小。上下行發(fā)射與接收電路包括聲波發(fā)射換能器、接收換能器、信號放大器、同步采集電路等。上下行聲波通過相同路徑傳輸，在鉆頭和鉆桿連接處放置有隔聲體，減小鉆頭噪聲對聲波干擾。

圖1 隨鉆聲波遙傳系統(tǒng)模型圖

1.2 鉆桿接箍聲波傳輸透射膜法分析

鉆柱信道由鉆桿和接箍周期性級聯(lián)，聲波在傳輸?shù)倪^程中，受到接箍面透射與反射影響。本文使用透射膜法[4]分析了接箍與鉆桿橫截面積對聲波反射與透射影響，圖2為鉆柱接箍透射模型。

聲波在理想鉆桿中的縱波波動方程為：

(2)

(4)

可以求解參數(shù)為：

(6)

圖2 鉆柱接箍透射模型

當(dāng)如圖2中所示結(jié)構(gòu)周期性級聯(lián)時，塊狀結(jié)構(gòu)由左右半個鉆桿和接箍構(gòu)成，為無縫連接，因此首先得出一個塊狀結(jié)構(gòu)的傳遞參數(shù)。此時聲波在無縫處沒有反射，多個級聯(lián)可以直接將傳遞參數(shù)相乘。將參數(shù)轉(zhuǎn)化為參數(shù)：

式中，

(8)

在實際鉆桿和接箍機械加工過程中與儀器長時間工作后的磨損后，鉆桿與接箍長度，內(nèi)外徑大小都與標(biāo)準(zhǔn)尺寸存在一定的誤差。假設(shè)各尺寸誤差為高斯分布，均值為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)尺寸值的。設(shè)此時第根鉆桿傳輸矩陣為：

(10)

假設(shè)總共有根鉆桿周期性級聯(lián)，并且假設(shè)聲波在最后一根鉆桿無反射，即，則有：

1.3 FIR濾波器逼近

(12)

為了使得信號能量能夠更加集中在主瓣，加快頻譜外信號的衰減，本文選用海明窗[10]作為截斷窗函數(shù)，其形式為：

最終可以將99.963%的能量集中在窗譜的主瓣內(nèi)，與漢寧窗相比，主瓣寬度同為，但旁瓣幅度更小，旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%。下面給出FIR濾波器設(shè)計方法。

2 隨鉆聲波數(shù)據(jù)傳輸方案

2.1 隨鉆聲波傳輸總體設(shè)計

鉆桿信道是一個頻譜資源有限，且具有嚴(yán)重頻率選擇性衰落的慢時變信道。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，需要選擇與信道特性相匹配的信號調(diào)制方式。傳輸部分由發(fā)射模塊和接收模塊組成，如圖3所示。發(fā)射模塊包括QPSK調(diào)制[11-12]、功率分配、V_OFDM、上變頻調(diào)制和聲波換能器；接收模塊包括接收傳感器、放大電路、QPSK解調(diào)、V_OFDM和下變頻解調(diào)。本文中功率分配采取各子載波平均分配原則。

圖3 隨鉆聲波傳輸模型

2.2 V-OFDM調(diào)制技術(shù)

V-OFDM在OFDM基礎(chǔ)上，通過將多徑信道矢量化多個子信道，然后在每個發(fā)送矢量塊中插入循環(huán)前綴，加入循環(huán)前綴總數(shù)為OFDM的，減少了數(shù)據(jù)冗余。V-OFDM在接收端有和MIMO相同的接收形式，利用了分集增益，增加了系統(tǒng)魯棒性。當(dāng)時，V-OFDM退變?yōu)镺FDM。

圖4 V-OFDM系統(tǒng)框圖

(17)

(18)

(20)

(22)

(24)

(26)

式中，*表示共軛。同時噪聲估計為：

其分布為高斯分布。

2.3 發(fā)射電路與接收電路設(shè)計

隨鉆數(shù)據(jù)傳輸電路主要由發(fā)射電路和接收電路組成，所選芯片均需要滿足高溫要求。發(fā)射電路主要對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制、D/A變換、濾波、功率放大等處理，接收電路主要完成對接收信號進行濾波、放大、A/D變換、解調(diào)、解碼等處理。

發(fā)射電路工作流程如圖5所示，主要流程如下：

1) FPGA芯片(XC3S250E)接收來自井下各儀器數(shù)據(jù)(支持不同傳輸接口)，然后通過DSP將其有序存入外部SRAM(CY7C1049BV33)。

2) DSP芯片(TMS320C6713B)讀取外部SRAM中的數(shù)據(jù)，并進行星座映射，然后做V-OFDM變換，最后將變換后的數(shù)據(jù)送入D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器(AD5546)。

3) 轉(zhuǎn)換后的模擬信號通過帶通濾波器(濾波電路由簡單有源二階帶通濾波器組成)，然后進行功率放大。

4) 放大后的模擬信號通過激振器(JZK-2)產(chǎn)生激振力，然后通過鉆柱信道到達接收端。電源模塊負責(zé)給電路各單元供電；Flash(M25P16)可以脫機其程序，使其上電可以工作。看門狗(EM6323)可以監(jiān)測DSP工作，防止DSP進入死循環(huán)。

接收電路工作流程如圖6所示，主要流程如下：

1) 加速度傳感器芯片(CA-YD-186)將接收鉆桿信道上的機械力轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過二階帶通濾波器，最后進行功率放大。

2) 濾波放大后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(AD7985)，送入到FPGA(XC3S250E)。

3) DSP芯片(TMS320C6713B)讀取FPGA處理后的數(shù)據(jù)，進行解調(diào)和解碼，SRAM(CY7C1049BV33)負責(zé)存儲計算數(shù)據(jù)和最終結(jié)果。

4) 通過藍牙(ZX-15MV2.13)傳輸已處理的數(shù)據(jù)到上位機，進行最后地層數(shù)據(jù)反演，完成隨鉆數(shù)據(jù)的上行傳輸。

5) 看門狗、Flash和電源模塊完成和發(fā)射電路相同的功能。

隨鉆傳輸電路實物圖如圖7所示。

圖5 發(fā)射電路流程圖

圖6 接收電路流程圖

圖7 隨鉆傳輸電路實物圖

3 仿真與實測結(jié)果分析

3.1 周期性鉆柱信道仿真和FIR逼近

仿真鉆桿標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆桿接箍標(biāo)準(zhǔn)尺寸

圖8為鉆桿級聯(lián)時理論頻譜特性和FIR濾波器逼近對比圖，圖中縱軸幅度為輸出與輸入的比值。假設(shè)40根鉆桿，41根接箍的尺寸為高斯分布，其中均值為表1中各個標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)差為各個標(biāo)準(zhǔn)值的4%。通過圖8a中仿真幅頻特性曲線可以看出，1 500～1 600 Hz下，多個頻率衰減嚴(yán)重，最大衰減超過80%；0～1 350 Hz下有4個通帶可以選擇使用，但通帶內(nèi)幅度高低不一。

圖8b為350～650 Hz下信道幅頻特性，從圖中可以看出420～620 Hz頻帶內(nèi)，沒有出現(xiàn)頻譜零點且FIR濾波器逼近效果較好。鉆頭噪聲經(jīng)過隔聲體后，再沿鉆桿長距離衰減，到達地面信號已經(jīng)嚴(yán)重衰減，此時主要噪聲來自地表工作環(huán)境噪聲，大量實測數(shù)據(jù)顯示地表噪聲頻率主要集中在0～400 Hz范圍[14]。同時，由于井下環(huán)境和功率限制，發(fā)射換能器產(chǎn)生最大頻率信號低于2 000 Hz，因此，選擇420～620 Hz作為傳輸頻帶。最后通過FIR濾波器逼近，可以得到較好通阻帶間隔，作為仿真實驗平臺。

圖8 40根鉆桿級聯(lián)0～2 000 Hz和280～620 Hz信道幅頻特性圖

3.2 V-OFDM傳輸系統(tǒng)仿真

選擇420～620 Hz作為信號傳輸頻帶，同時設(shè)各個子載波功率平均分配。考慮到實際中由于環(huán)境的影響以及鉆桿不同程度的磨損，實際信道通帶內(nèi)可能出現(xiàn)深衰落，因此仿真時應(yīng)予以考慮。鉆柱信道最大多徑時延約為s[15]。通過階FIR濾波器逼近，則，為時域采樣周期，V-OFDM子符號周期為，其中FFT變換點數(shù)，子載波間隔為。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 V-OFDM仿真參數(shù)表

從圖9a可以看出，當(dāng)選擇調(diào)制的帶寬內(nèi)沒有出現(xiàn)深衰落即傳輸帶寬內(nèi)沒有頻譜零點，BER主要由SNR決定，其性能和在高斯白噪聲信道下相同，選擇QPSK時，BER為：

從圖9b可以看出，當(dāng)選擇調(diào)制的帶寬內(nèi)出現(xiàn)深衰落即在傳輸帶寬內(nèi)出現(xiàn)多個頻譜零點，當(dāng)時，BER主要由SNR和信道深衰落共同導(dǎo)致，OFDM的BER和V-OFDM的BER可比，但V-OFDM循環(huán)前綴數(shù)減小了倍，減少了冗余數(shù)據(jù)；當(dāng)時，BER隨值的增加而減小，由于分集增益，信道深衰落造成的誤碼對V-OFDM影響較小，此時V-OFDM性能強于OFDM。但隨著值增大，計算復(fù)雜度增加，在井下惡劣環(huán)境下，電路設(shè)計難度加大，因此本文選擇。

圖9 有無深衰落時傳輸誤碼率對比曲線

圖10 兩種信噪比下，接收信號點星座分布圖

3.3 實測結(jié)果分析

在實驗室中選擇4根鉆桿級聯(lián)，信道總長度為39.96 m，誤差為1%。此時，同樣選擇420～620 Hz作為信號傳輸頻帶。在上變頻時，分別選擇420 Hz和450 Hz作為載波頻率，則傳輸頻帶分別為420～620 Hz和450～650 Hz，其中620～650 Hz內(nèi)，信號將出現(xiàn)深衰落。發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)量為，分別計算此時接收端無碼數(shù)和誤碼率，如表3所示。

表3 實測誤碼數(shù)和誤碼率

4 結(jié)束語

本文通過對鉆桿和接箍周期性級聯(lián)結(jié)構(gòu)的鉆柱聲波信道分析，得到了通阻帶交替出現(xiàn)的梳狀頻譜特性，并使用FIR濾波器逼近，搭建信道仿真平臺，得到了較好的效果。然后建立V-OFDM傳輸系統(tǒng)，計算不同長度矢量塊和不同質(zhì)量信道下，系統(tǒng)傳輸誤碼率。仿真和實測結(jié)果表明，該方法可以增加深衰落信道下系統(tǒng)的魯棒性，在滿足低誤碼率的同時，降低冗余數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。

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編 輯 漆 蓉

Research on the Logging While Drilling Data Transmission Method of V-OFDM Based on Drillstring Acoustic Channel

MA Dong, SHI Yi-bing, ZHANG Wei, and LIU Guo-zhen

(School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

Data transmission system of logging while drilling achieves real-time communication between ground and under well accurately and effectively by acoustic wave transmitting along the drillstring. A drillstring channel is periodically constructed by pipes and joints. By theoretical analysis and modeling simulation, the spectrum of drillstring channel is a comb-filtering-like transfer function composed of alternating passed bands and stop bands. A finite impulse response (FIR) filter is used to approximate the spectrum and to build a simulation platform of the channel. Vector orthogonal frequency division multiplexing technology (V-OFDM) can convert the multipath fading channel into a number of vector sub-channels. The number of error bits which are leaded by channel spectral nulls can be reduced and the robustness can be increased by diversity gain when eliminating symbol interference by adding right amount of cyclic prefix. Simulation and test results show that this technology can reduce data redundancy and increase transmission efficiency extremely when meeting the need of low bit error rate.

acoustic wave transmission; bit error rate; drillstring channel; FIR filter; V-OFDM

TN92

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.01.008

2015-11-10；

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金(61201131)；“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05020-005)

馬東(1989-)，男，博士生，主要從事深井聲波通信、隨鉆數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)确矫娴难芯?