張 爽，王智明，張 崢

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

鉆井液脈沖傳輸方式包括正脈沖、負(fù)脈沖、連續(xù)波三種方式，連續(xù)波脈沖器作為一種新興的泥漿脈沖發(fā)生器，具有數(shù)據(jù)發(fā)送效率更高的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[1-2]。其實(shí)現(xiàn)方式是將井下傳感器測(cè)量到的信號(hào)編碼，由驅(qū)動(dòng)控制電路驅(qū)動(dòng)脈沖器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子產(chǎn)生截流效應(yīng)，使鉆桿內(nèi)泥漿產(chǎn)生壓力脈沖形成連續(xù)的正弦壓力波，在地面通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)壓力變化，經(jīng)過(guò)解碼得到測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)終端顯示。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頻響效果受管路影響較大，該種方式獲得的信號(hào)信噪比更低，譯碼難度更大，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)要求較高。高速率泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正是應(yīng)對(duì)這種新型擺動(dòng)閥脈沖器而研制的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。包含從信號(hào)的調(diào)制、發(fā)送、傳輸、接收及解碼的全過(guò)程。該系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

1 調(diào)制過(guò)程

井下數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)調(diào)制后方可通過(guò)脈沖器驅(qū)動(dòng)泥漿傳送到地面接收系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)三種最基本的調(diào)制方式為調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻。對(duì)于泥漿脈沖信號(hào)遙傳系統(tǒng)，在保證數(shù)據(jù)傳輸效率的前提下需要具有較高的抗噪性，同時(shí)需要考慮電機(jī)的性能，如調(diào)制波形是否平滑，電機(jī)功耗是否滿(mǎn)足等問(wèn)題[3-4]。從振幅鍵控、相移鍵控、連續(xù)相位頻移鍵控進(jìn)行了調(diào)制方式設(shè)計(jì)。

1.1 振幅鍵控

OOK調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)為波形簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)頻率要求適中；在同等轉(zhuǎn)子擺動(dòng)頻率下，數(shù)據(jù)傳輸效率較高；波形區(qū)分度大，有利于解碼。其缺點(diǎn)為在連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時(shí)需要在低位停留，影響底壓變化，且由于采用幅度調(diào)制，受噪聲和長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p影響較為明顯。另外，OOK調(diào)制方式所發(fā)生信號(hào)的頻帶分布較廣，給頻率域消噪帶來(lái)了較大限制。在泵噪周期性較為穩(wěn)定的情況下，此種調(diào)制方式可以實(shí)現(xiàn)較高比特率低誤碼率的實(shí)時(shí)解調(diào)。

1.2 相移鍵控

相移鍵控PSK(Phase Shift Keying)有三種方案：零點(diǎn)調(diào)相PSK，等待調(diào)相PSK及多周期調(diào)相PSK。

零點(diǎn)調(diào)相PSK調(diào)制方式的相位總是在波形的零點(diǎn)發(fā)生改變。設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)流序列為an(n=1,2,3,…,n)，則零點(diǎn)調(diào)相PSK調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)可表示為：

(1)

因此，發(fā)送“1”時(shí)，波形相位為0°，發(fā)送“0”時(shí)，波形相位為180°，調(diào)制波形如圖3所示。

該種調(diào)制方法優(yōu)點(diǎn)在于，可降低底壓變化對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)的影響，且波形在相位上的區(qū)分度非常大，具有較強(qiáng)的抗噪性。其缺點(diǎn)在于，因泥漿脈沖壓力波形與電機(jī)擺動(dòng)角度并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，該波形正確發(fā)生存在較大難度，容易造成前后兩半波形對(duì)稱(chēng)性不佳的效果。

等待調(diào)相PSK調(diào)制方式可定義壓力先上升再下降為“1”，壓力先下降再上升為“0”。調(diào)制波形如圖4所示。

圖4中陰影部分為調(diào)制部分，采用一個(gè)擺動(dòng)周期加載一個(gè)數(shù)據(jù)，在12 bps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，擺動(dòng)頻率為18 Hz。陰影間的部分為調(diào)相部分，采用半個(gè)擺動(dòng)周期實(shí)現(xiàn)調(diào)相，如果調(diào)相部分前后數(shù)據(jù)不同，則轉(zhuǎn)子需在半個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)從開(kāi)到閉或從閉到開(kāi)的運(yùn)動(dòng)，如調(diào)相部分前后數(shù)據(jù)相同，則轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)，等待半個(gè)擺動(dòng)周期。該種調(diào)制方式優(yōu)點(diǎn)在于不易引起底壓變化而影響數(shù)據(jù)解調(diào)，缺點(diǎn)在于因需要實(shí)現(xiàn)在正弦及直流波形間的切換，電機(jī)控制難度增大，且該種調(diào)制方式對(duì)疊加在調(diào)相周期上的反射波信號(hào)敏感。

零點(diǎn)調(diào)相方式存在相位突變狀態(tài)，等待調(diào)相方式存在電機(jī)停擺狀態(tài)，這都將引導(dǎo)致壓力波形畸變，不利于信號(hào)解調(diào)。因此考慮使用多周期正弦波調(diào)制信號(hào)，如采用三個(gè)全周期高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，一個(gè)周期高頻正弦波或半個(gè)周期低頻正弦波進(jìn)行調(diào)相，以犧牲碼率的方式獲得信噪比更高的壓力信號(hào)。其調(diào)制波形如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)證明，多周期調(diào)相方式具有更優(yōu)良的信號(hào)質(zhì)量，更便于信號(hào)處理，適合泥漿脈沖調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

1.3 連續(xù)相位頻移鍵控

設(shè)計(jì)并測(cè)試了三種CPFSK(Continuous-Phase Frequency Shift Keying,)調(diào)制方式，即二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式，二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式和四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式。

二進(jìn)制半周期CPFSK方案采用二進(jìn)制四星座點(diǎn)調(diào)制，傳送數(shù)據(jù)“1”使用一個(gè)周期的12 Hz正弦波，傳送數(shù)據(jù)“0”使用半個(gè)周期的6 Hz正弦波。由于相位需要保持連續(xù)，因此，每一位特定的二進(jìn)制數(shù)具體映射為哪種波形由其本身及上一位二進(jìn)制數(shù)的波形末相位所共同決定。具體映射方式如圖6所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：其調(diào)制波形都是連續(xù)的正弦波，且僅有兩種頻率，能夠減輕電機(jī)控制方面的壓力。且不需要騰出額外的調(diào)相周期進(jìn)行調(diào)相，可以以12 Hz的最高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)12 bps的數(shù)據(jù)傳輸。其缺點(diǎn)在于，需要對(duì)半周期波形進(jìn)行檢測(cè)，難度較大，且該種調(diào)制方式下電機(jī)功耗略有提升。

二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式由于包含有半周期的正弦波，會(huì)給波形檢測(cè)帶來(lái)一定的困難。因此引入二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方案。除了將半周期波形替換為完整的正弦波形外，其余均與二進(jìn)制半周期CPFSK保持一致。其對(duì)應(yīng)的波形映射表如圖7所示。

二進(jìn)制全周期CPFSK繼承了二進(jìn)制半周期CPFSK的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了其在半周期波形檢測(cè)方面的劣勢(shì)，在解調(diào)方案中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但由于采用了完整的正弦波形進(jìn)行調(diào)制，因此對(duì)電機(jī)運(yùn)行頻率提出了較高的要求。在12 bps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，要求電機(jī)擺動(dòng)頻率至少達(dá)到24 Hz，從而產(chǎn)生12 Hz 與24 Hz頻率的正弦波用于數(shù)據(jù)調(diào)制。

四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式采用四種不同頻率的正弦波分別映射00，01，10，11四個(gè)數(shù)據(jù)。在本方案中，四種頻率分別取為6 Hz，9 Hz，12 Hz，15 Hz。因此該方案共有8個(gè)星座點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)星座點(diǎn)映射一個(gè)數(shù)據(jù)。具體對(duì)應(yīng)的波形如圖8所示。

同二進(jìn)制半周期CPFSK一樣，每個(gè)數(shù)據(jù)映射為哪種波形由其本身以及上一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的波形共同決定，原則是保持相位的連續(xù)。

方案的優(yōu)點(diǎn)在于：其調(diào)制波形都是連續(xù)的正弦波，電機(jī)控制精度相對(duì)容易得到保證。且其波形特點(diǎn)能夠降低基底壓力的變化對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)的影響。缺點(diǎn)在于：該種調(diào)制方式調(diào)制波形復(fù)雜，種類(lèi)多，匹配濾波時(shí)需要多個(gè)匹配濾波器，增加了解調(diào)的難度和復(fù)雜性。且需要電機(jī)在四種不同頻率下平滑切換，對(duì)電機(jī)的性能要求較高。

經(jīng)過(guò)綜合測(cè)試，選擇了倍頻和非倍頻的二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式進(jìn)行波形調(diào)制。

2 解調(diào)過(guò)程

從接收到的泥漿壓力信號(hào)中獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)采樣、數(shù)據(jù)去噪、消除泵噪、匹配濾波、同步、均衡解碼等過(guò)程，其流程如圖9所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱實(shí)現(xiàn)，配合上位機(jī)程序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓力脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、觀測(cè)、儲(chǔ)存和處理。其核心部件為兩塊DT9816DAQ數(shù)據(jù)采集板，單塊采集板可以實(shí)現(xiàn)六通道并行采集，信號(hào)彼此無(wú)相位滯后與延時(shí)，多塊采集板可以公用時(shí)鐘和觸發(fā)。根據(jù)需求，可采集多路壓力脈沖信號(hào)及泵沖信號(hào)，其中壓力脈沖信號(hào)為模擬信號(hào)，1 000 Hz采樣率，泵沖信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)。

2.2 信號(hào)預(yù)處理

泥漿壓力脈沖信號(hào)以一定的速度在鉆柱中沿軸向向地面?zhèn)鞑ィ酀{壓力脈沖信號(hào)傳到地面后，會(huì)受到一定的衰減，與很多干擾信號(hào)混合在一起。在泥漿介質(zhì)中有很多噪聲源以及由于現(xiàn)場(chǎng)條件變化而產(chǎn)生的噪聲，如頻率與MWD數(shù)據(jù)脈沖類(lèi)似但幅度更大的泵噪聲、井下鉆頭或井下動(dòng)力工具產(chǎn)生的頻譜很寬的鉆井噪聲、低頻高幅度的脈動(dòng)噪聲、脈沖遇到鉆頭或泵反射形成的反射信號(hào)等。這些噪聲在同一時(shí)間可能混合在一起，使得信號(hào)識(shí)別困難，需要應(yīng)用特定算法進(jìn)行濾除。通過(guò)對(duì)這些噪聲的頻譜分布特性分析，可發(fā)現(xiàn)大部分均與泥漿壓力脈沖頻率不同。泥漿壓力脈沖信號(hào)頻譜范圍在0～30 Hz之間，而上述各噪聲信號(hào)頻譜范圍較寬，超出該范圍，因此在檢測(cè)泥漿脈沖信號(hào)時(shí)，需設(shè)計(jì)低通濾波器讓頻率較低的有用信號(hào)通過(guò)，消除其他頻率范圍的信號(hào)。

采用巴特沃茲低通濾波器進(jìn)行該步驟處理，巴特沃茲低通濾波器具有在通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，且其通帶隨頻率單調(diào)遞減。其幅度平方函數(shù)具有如下形式：

(2)

另一部分可分析噪聲為泵噪，泵噪頻率與信號(hào)頻率相近，但幅度更大。泵噪通常有一個(gè)規(guī)則的噪聲剖面。可以進(jìn)行時(shí)域消噪，其基本原理是利用發(fā)送信號(hào)的隨機(jī)性，獲取較為純凈的泵噪波形，與接收信號(hào)對(duì)齊后，用接收信號(hào)減去周期噪聲從而達(dá)到去除泵噪的效果。其具體步驟如下：

1)在一段單純的噪聲數(shù)據(jù)段中，以泵噪周期為單位長(zhǎng)度連續(xù)截取多個(gè)數(shù)據(jù)段，并將所得的數(shù)據(jù)段疊加，以削弱接收信號(hào)中的高斯噪聲；2)將疊加所得的信號(hào)除以所截的周期數(shù)，得出周期噪聲的平均值；3)將周期噪聲進(jìn)行周期性延拓，與接收信號(hào)對(duì)齊后，用接收信號(hào)減去周期噪聲。

2.3 匹配濾波

為保證信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，這里選擇輸出信噪比在某一特定時(shí)刻達(dá)到最大的最佳線性濾波器—匹配濾波器。匹配濾波器能夠依據(jù)信號(hào)的幅頻特性對(duì)輸入波形進(jìn)行加權(quán)，以便最有效地接收信號(hào)能量而抑制干擾的輸出功率。

2.4 均衡解碼

系統(tǒng)中，信道時(shí)延比較大，而且具有時(shí)變性，使得接收數(shù)據(jù)碼間串?dāng)_嚴(yán)重，因此需要對(duì)信道進(jìn)行均衡。均衡器可采用濾波器的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整濾波器的參數(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行校正和補(bǔ)償，減少碼間串?dāng)_的影響。均衡器可以分為線性均衡器與非線性均衡器。采用非線性均衡器中的判決反饋均衡器(DFE)。判決反饋均衡的基本方法就是一旦信息符號(hào)經(jīng)檢測(cè)和判決以后，它對(duì)隨后信號(hào)的干擾可以在其檢測(cè)之前被估計(jì)并消減，因此對(duì)信道的時(shí)延畸變有良好的補(bǔ)償作用。一般情況下，其性能要優(yōu)于線性均衡器，而相對(duì)MLSE而言又擁有較低的運(yùn)算復(fù)雜度。判決反饋均衡器結(jié)構(gòu)如圖10所示。

同時(shí)，還需要使用一種自適應(yīng)算法，用于自動(dòng)調(diào)整均衡器的系數(shù)，使指定的性能指數(shù)最佳化，并能自適應(yīng)地補(bǔ)償信道特性的時(shí)變。經(jīng)過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)，RLS(遞歸最小二乘算法)自適應(yīng)均衡算法可以有效地解決碼間串?dāng)_和信道時(shí)變特性帶來(lái)的問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將所述方法軟件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收解調(diào)，如下表為2016年10月在新疆基地進(jìn)行實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)制解調(diào)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)井深2 700～3 016 m，排量1.8～2.1 m3/min,采用文中所述三種調(diào)制方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。

表1 OOK調(diào)制解調(diào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 PSK調(diào)制解調(diào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 FSK調(diào)制解調(diào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)表1、2、3可知，目前可以在實(shí)井鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)OOK、FSK、PSK調(diào)制方式的實(shí)時(shí)解調(diào)，傳輸速率可達(dá)13 bps。以上數(shù)據(jù)均選自信號(hào)質(zhì)量較良好的情況，當(dāng)信號(hào)質(zhì)量受到干擾形成陡峭壓力波動(dòng)時(shí)，解調(diào)效果將受到極大影響，因此仍需研究其他方法應(yīng)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)擺動(dòng)閥泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)方案，設(shè)計(jì)了三類(lèi)信號(hào)調(diào)制方案及信號(hào)解調(diào)流程，并實(shí)現(xiàn)了高速率隨鉆信號(hào)傳輸系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能的搭建；2)目前可以實(shí)現(xiàn)3 000 m井深，OOK、PSK、CPFSK的實(shí)時(shí)解調(diào)，解調(diào)效果可以滿(mǎn)足應(yīng)用需求；3)目前該系統(tǒng)所采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)及主要零部件可達(dá)到150 ℃耐溫，及20 000psi耐壓；4)當(dāng)前消噪及解碼流程仍存在可改進(jìn)空間，未來(lái)可通過(guò)增加頻域消噪，改進(jìn)解調(diào)方案，增加校驗(yàn)等方法進(jìn)一步降低誤碼率，實(shí)現(xiàn)更高標(biāo)準(zhǔn)的高速率數(shù)據(jù)傳輸。