馬 東，師奕兵，張 偉，柳國(guó)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(guó)振

(電子科技大學(xué)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)井下和地面信息準(zhǔn)確高效的實(shí)時(shí)通信。鉆柱信道由鉆桿和接箍周期性構(gòu)成，通過(guò)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(tái)。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(gè)矢量子信道，通過(guò)加入適量的循環(huán)前綴，在消除符號(hào)間干擾(ISI)的同時(shí)，利用分集增益，可以減小由于信道頻譜零點(diǎn)造成的誤碼，增加系統(tǒng)的魯棒性。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法在滿足低誤碼率的同時(shí)，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(cè)井技術(shù)的核心之一，通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸測(cè)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(wú)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(qiáng)；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(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)操作。聲波遙傳是利用聲波沿鉆柱傳輸，實(shí)現(xiàn)地面和井下雙向通信，傳輸速率可以達(dá)到100 bit/s。該技術(shù)具有成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)。

由文獻(xiàn)[3-4]可知，理想鉆柱周期性級(jí)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(xiàn)[5]提出了基于OFDM的鉆柱聲波傳輸，由于實(shí)際鉆柱信道多徑延時(shí)導(dǎo)致的符號(hào)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(shí)其對(duì)傳輸通帶內(nèi)出現(xiàn)的頻譜零點(diǎn)顯得無(wú)力。文獻(xiàn)[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(diǎn)導(dǎo)致的誤碼。通過(guò)對(duì)多徑信道進(jìn)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(duì)以上聲波傳輸研究中所面臨的問(wèn)題，本文提出了基于V-OFDM的鉆柱聲波傳輸方法。首先通過(guò)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(jí)聯(lián)信道的幅頻特性，然后通過(guò)FIR濾波器逼近，搭建通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)；其次在詳述V-OFDM調(diào)制原理后，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比誤碼率，最后在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)測(cè)。仿真和實(shí)測(cè)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(shí)，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(jī)械振動(dòng)的形式在鉆柱中傳輸，鉆柱由多個(gè)鉆桿及接箍級(jí)聯(lián)而成，貫穿井眼，直接到達(dá)地面，為聲波傳輸提供通道，同時(shí)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(hào)放大器、同步采集電路等。上下行聲波通過(guò)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(duì)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(jí)聯(lián)，聲波在傳輸?shù)倪^(guò)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(duì)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(dòng)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(jí)聯(lián)時(shí)，塊狀結(jié)構(gòu)由左右半個(gè)鉆桿和接箍構(gòu)成，為無(wú)縫連接，因此首先得出一個(gè)塊狀結(jié)構(gòu)的傳遞參數(shù)。此時(shí)聲波在無(wú)縫處沒(méi)有反射，多個(gè)級(jí)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(shí)際鉆桿和接箍機(jī)械加工過(guò)程中與儀器長(zhǎng)時(shí)間工作后的磨損后，鉆桿與接箍長(zhǎng)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(shí)第根鉆桿傳輸矩陣為：

(10)

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

1.3 FIR濾波器逼近

(12)

為了使得信號(hào)能量能夠更加集中在主瓣，加快頻譜外信號(hào)的衰減，本文選用海明窗[10]作為截?cái)啻昂瘮?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(jì)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(jì)

鉆桿信道是一個(gè)頻譜資源有限，且具有嚴(yán)重頻率選擇性衰落的慢時(shí)變信道。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩枰x擇與信道特性相匹配的信號(hào)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(guò)將多徑信道矢量化多個(gè)子信道，然后在每個(gè)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(shí)，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(shí)噪聲估計(jì)為：

其分布為高斯分布。

2.3 發(fā)射電路與接收電路設(shè)計(jì)

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(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)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(lái)自井下各儀器數(shù)據(jù)(支持不同傳輸接口)，然后通過(guò)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(jìn)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(hào)通過(guò)帶通濾波器(濾波電路由簡(jiǎn)單有源二階帶通濾波器組成)，然后進(jìn)行功率放大。

4) 放大后的模擬信號(hào)通過(guò)激振器(JZK-2)產(chǎn)生激振力，然后通過(guò)鉆柱信道到達(dá)接收端。電源模塊負(fù)責(zé)給電路各單元供電；Flash(M25P16)可以脫機(jī)其程序，使其上電可以工作。看門狗(EM6323)可以監(jiān)測(cè)DSP工作，防止DSP進(jìn)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(jī)械力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)二階帶通濾波器，最后進(jìn)行功率放大。

2) 濾波放大后的信號(hào)通過(guò)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(jìn)行解調(diào)和解碼，SRAM(CY7C1049BV33)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)和最終結(jié)果。

4) 通過(guò)藍(lán)牙(ZX-15MV2.13)傳輸已處理的數(shù)據(jù)到上位機(jī)，進(jìn)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(shí)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(shí)物圖

3 仿真與實(shí)測(cè)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(jí)聯(lián)時(shí)理論頻譜特性和FIR濾波器逼近對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)準(zhǔn)差為各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的4%。通過(guò)圖8a中仿真幅頻特性曲線可以看出，1 500～1 600 Hz下，多個(gè)頻率衰減嚴(yán)重，最大衰減超過(guò)80%；0～1 350 Hz下有4個(gè)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(méi)有出現(xiàn)頻譜零點(diǎn)且FIR濾波器逼近效果較好。鉆頭噪聲經(jīng)過(guò)隔聲體后，再沿鉆桿長(zhǎng)距離衰減，到達(dá)地面信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重衰減，此時(shí)主要噪聲來(lái)自地表工作環(huán)境噪聲，大量實(shí)測(cè)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(shí)，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(hào)低于2 000 Hz，因此，選擇420～620 Hz作為傳輸頻帶。最后通過(guò)FIR濾波器逼近，可以得到較好通阻帶間隔，作為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖8 40根鉆桿級(jí)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(hào)傳輸頻帶，同時(shí)設(shè)各個(gè)子載波功率平均分配?？紤]到實(shí)際中由于環(huán)境的影響以及鉆桿不同程度的磨損，實(shí)際信道通帶內(nèi)可能出現(xiàn)深衰落，因此仿真時(shí)應(yīng)予以考慮。鉆柱信道最大多徑時(shí)延約為s[15]。通過(guò)階FIR濾波器逼近，則，為時(shí)域采樣周期，V-OFDM子符號(hào)周期為，其中FFT變換點(diǎn)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(méi)有出現(xiàn)深衰落即傳輸帶寬內(nèi)沒(méi)有頻譜零點(diǎn)，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(shí)，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(gè)頻譜零點(diǎn)，當(dāng)時(shí)，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(shí)，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(duì)V-OFDM影響較小，此時(shí)V-OFDM性能強(qiáng)于OFDM。但隨著值增大，計(jì)算復(fù)雜度增加，在井下惡劣環(huán)境下，電路設(shè)計(jì)難度加大，因此本文選擇。

圖9 有無(wú)深衰落時(shí)傳輸誤碼率對(duì)比曲線

圖10 兩種信噪比下，接收信號(hào)點(diǎn)星座分布圖

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室中選擇4根鉆桿級(jí)聯(lián)，信道總長(zhǎng)度為39.96 m，誤差為1%。此時(shí)，同樣選擇420～620 Hz作為信號(hào)傳輸頻帶。在上變頻時(shí)，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(hào)將出現(xiàn)深衰落。發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)量為，分別計(jì)算此時(shí)接收端無(wú)碼數(shù)和誤碼率，如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)誤碼數(shù)和誤碼率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鉆桿和接箍周期性級(jí)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(tái)，得到了較好的效果。然后建立V-OFDM傳輸系統(tǒng)，計(jì)算不同長(zhǎng)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(shí)測(cè)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(shí)，降低冗余數(shù)據(jù)，提高傳輸效率。

[1] 王麗忱, 朱桂清, 甄鑒. 隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J]. 石油科技論壇, 2014, 33(6): 42-45.

WANG Li-chen, ZHU Gui-qing, ZHEN Jian. New progress in LWD data transmission technology[J]. Oil Forum, 2014, 33(6): 42-45.

[2] 趙平, 郭永旭, 張秋海. 隨鉆測(cè)井技術(shù)新進(jìn)展[J]. 國(guó)外測(cè)井技術(shù), 2013(2): 7-13.

ZHAO Ping, GUO Yong-xu, ZHANG Qiu-hai. Recent advances in logging while drilling[J]. World Well Logging Technology, 2013(2): 7-13.

[3] DRUMHELLER D S. Acoustic properties of drill strings[J]. Acoust Soc Am, 1989, 85(3): 1048-1064.

[4] 尚海燕, 周靜, 燕并男. 聲波鉆桿信息及信息傳輸仿真研究[J]. 測(cè)井技術(shù), 2015, 39(2): 165-170.

SHANG Hai-yan, ZHOU Jing, YAN Bing-nan. On simulation of acoustic drill string channel and information transmission[J]. Well Logging Technology, 2015, 39(2): 165-170.

[5] 高瑾. 基于OFDM的鉆桿聲波信道數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2014.

GAO Jin. Research on the data transmission technology of drillstring acoustic channel using OFDM[D]. Xi’an: Xidian University, 2014.

[6] XIA Xiang-gen. Precoed and vector OFDM robust to channel spectral nulls and with reduced cyclic prefix length in single transmit antenna systems[J]. IEEE Transactions on Communication, 2001, 49(8): 1363-1374.

[7] ZHANG Hong, XIA Xiang-gen. Iterative decoding and demodulation for single-antenna vector OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular, 2006, 4(55): 1447-1454.

[8] HAN Cheng-gao, HASHIMOTO T, SUEHIRO N. Constellation-rotated vector OFDM and its performance analysis over rayleigh fading channels[J]. IEEE Transactions on Communication, 2010, 58(3): 828-838.

[9] MUKHOPADHYAY A, KAR R, MANDAL D, et al. Optimal design of linear phase FIR band stop filter using particle swarm optimization with improved inertia weight technique[C]//Joint Conference on Computer Science and Software Engineering. Bangkok: IEEE, 2012: 168-173.

[10] USTUN B, AVCI K. A new hybrid window based on cosh and hamming windows for nonrecursive digital filter design[C]//2015 23nd Signal Processing and Communications Applications Conference. Malatya: IEEE, 2015: 2282-2285.

[11] PAPILAYA V N, SHONGWE T, VINCK A J H, et al. Selected subcarriers QPSK-OFDM transmission schemes to combat frequency disturbances[C]//Internation Symposium on Power Line Communication and Its Application. Beijing: IEEE, 2012: 200-205.

[12] ZOU Bing-rong, YU Yu, HUANG Xi, et al. All-optical format conversion for multichannel QPSK signals[J]. Lightwave Technology, 2012, 3(31): 375-384.

[13] LI Mei, WANG Xiang. QR decomposition-based LS channel estimation algorithm in MIMO-OFDM systems [C]//International Conference on Industrial Mechatronics and Automation. [S.l.]: IEEE, 2010, 2: 711-714.

[14] SINANOVIC S. Limits of acoustic waveguide communication [D]. Houston, Texax: Rice University, 2006.

[15] MEMARZADEH M. Optimal borehole communication using multicarrier modulation[D]. Houston, Texax: Rice University, 2007.

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(guó)家自然科學(xué)基金(61201131)；“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(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(wú)線傳輸?shù)确矫娴难芯?