張家田，秦宏偉

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油作為能源工業(yè)的戰(zhàn)略地位已經(jīng)到了舉足輕重的地位，在石油勘探開發(fā)方面，測(cè)井電纜傳輸技術(shù)就顯得格外重要［1］。

要想在井下電視中得到流暢的視頻圖像，測(cè)井電纜的傳輸性能尤為重要，其電纜的種類、品牌、纜芯的數(shù)量等都是制約其傳輸性能的關(guān)鍵因素。只要能減少外界或自身對(duì)測(cè)井電纜的干擾，電纜的傳輸性能就會(huì)提高，井下電視的視頻圖像會(huì)更流暢，其中可見光井下電視測(cè)井技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用，主要的可見光井下電視經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：同軸電纜井下電視、光纖井下電視、鷹眼井下電視、測(cè)井電纜彩色全幀率井下電視［2］。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和視頻編碼技術(shù)的發(fā)展，在普通鎧裝測(cè)井電纜上傳輸彩色流暢的視頻圖像成為了可能，為新一代井下電視技術(shù)的研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［3］。井下電視測(cè)井系統(tǒng)的高速傳輸系統(tǒng)對(duì)傳輸性能起到關(guān)鍵作用，與不同電纜的匹配有不同的傳輸速率，對(duì)視頻圖像的清晰度有非凡的意義。

1 鎧裝測(cè)井電纜傳輸性能的影響因素

測(cè)井電纜主要有單芯電纜、3芯電纜、4芯電纜和7芯電纜，國內(nèi)主要使用的測(cè)井電纜有CAMESA電纜和華能電纜。通過實(shí)驗(yàn)研究得知不同電纜有不同的傳輸性能。

1.1 電阻的影響

查資料顯示，隨著溫度的升高，銅芯的電阻率不斷增大，不同纜芯的電纜單位阻值逐漸升高；電纜纜芯直徑越大，電阻越小；當(dāng)電纜的阻值變大時(shí)，其信號(hào)傳輸速率會(huì)下降。

1.2 信號(hào)衰減的影響

電纜對(duì)信號(hào)的衰減參數(shù)要考慮以下幾個(gè)方面：1）電纜傳輸介質(zhì)；2）電纜的彎曲程度；3）電纜的施工工藝；4）直線的粗糙度導(dǎo)致?lián)p失；5）電纜的長度，即傳播距離，傳播距離越長，信號(hào)衰減越大。由于這些因素的存在，會(huì)對(duì)電纜的傳輸性能造成影響。

1.3 信噪比的影響

由香農(nóng)定理揭示了信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾逝c信道信噪比和帶寬的關(guān)系式［4］。從式（1）看出，在系統(tǒng)帶寬系數(shù)H確定的情況下，通過提高信噪比S／N來提高信道容量C。

式中：C為信道容量，即信道能夠?qū)崿F(xiàn)的最高傳輸速率，單位為 bit／s；H為信道帶寬，單位為Hz；S為信號(hào)功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W。

根據(jù)香農(nóng)定理，得出幾種提高電纜傳輸速率的途徑和辦法：1）增加信帶帶寬。2）提高信噪比。3）提高頻帶利用率。

在傳輸中，可通過改善傳輸手段和增大設(shè)備能力來實(shí)現(xiàn)電纜的傳輸性能。

1.4 串音干擾的影響

串音干擾有近端串音和遠(yuǎn)端串音。遠(yuǎn)端串音影響不大，因?yàn)殡S著距離大增大，遠(yuǎn)端串音會(huì)衰減。而近端傳音剛開始就有，影響較大。

近端串音衰減B的公式為：

1.5 碼間干擾的影響

碼間干擾主要有符號(hào)間干擾（ISI）和信道間干擾（ICI）。在實(shí)際的電纜傳輸過程中，ISI影響最大，有時(shí)候會(huì)把“0”錯(cuò)誤判決為“1”或者把“1”變成“0”，使得線性失真嚴(yán)重，波形畸變。

1.6 結(jié)構(gòu)回波損耗的影響

在測(cè)井電纜的制造過程中，難免會(huì)使電纜結(jié)構(gòu)不均勻，使其阻抗不匹配，在不均勻的地方產(chǎn)生信號(hào)，接收端收到的脈沖信號(hào)就會(huì)有重疊現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)信號(hào)的發(fā)射產(chǎn)生干擾。

1.7 發(fā)射功率的影響

發(fā)射功率越大，通信距離越大。從理論上說，發(fā)射功率可無限制地增加，但實(shí)際上由于受成本和實(shí)際條件的制約，發(fā)射機(jī)的輸出功率也是有限的，特別是對(duì)于低功耗系統(tǒng)的要求。

2 鎧裝測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)研究

在可見光測(cè)井領(lǐng)域中，傳輸介質(zhì)主要有電纜和光纜，電纜的傳輸頻帶和傳輸速率都比較低，光纜有極寬的傳輸頻帶，但是由于光纜的機(jī)械性能差、造價(jià)比較昂貴，所以沒有大規(guī)模推廣使用。另外隨著電纜遙傳技術(shù)的發(fā)展，電纜也具有較高的傳輸速率。

2.1 測(cè)井電纜傳輸技術(shù)和傳輸模式

測(cè)井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)主要有正交頻分復(fù)用（OFDM）、正交振幅按鍵（QAM）和自適應(yīng)（SRA），各種技術(shù)在文獻(xiàn)［4］中有詳細(xì)介紹。

數(shù)據(jù)傳輸模式是基于STU-C和STU-R建立的，在文獻(xiàn)［5］中有詳細(xì)介紹有關(guān)SHDSL的技術(shù)?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)高清井下電視采用一種TC-PAM編碼調(diào)制方式，其通過鏈路收發(fā)單元（STU）實(shí)現(xiàn)。鏈路收發(fā)單元由用戶端收發(fā)單元（STU-R）和局端收發(fā)單元（STU-C）兩大塊組成。圖1為鏈路收發(fā)單元參考模型。STU-C和STU-R中間有放置再生器（SRU），形成一個(gè)完整的傳輸鏈路。

圖1 鏈路收發(fā)單元模型

電纜高速傳輸系統(tǒng)中使用局端收發(fā)單元（STU-C）和用戶端收發(fā)單元（STU-R）的物理媒體相關(guān)層PMD作為傳輸系統(tǒng)的參考模型，PMD層參考模型如圖2所示。其主要完成擾碼，TCM編碼，預(yù)編碼和頻譜成型。

圖2 PDM層數(shù)據(jù)參考模型

其中：n為比特時(shí)間；m為碼元時(shí)間；t為模擬時(shí)間。

其基本流程為擾碼器首先對(duì)系統(tǒng)輸入f（n）進(jìn)行擾碼操作，TCM編碼器對(duì)加擾器輸出的串行比特流s（n）進(jìn)行TC-PAM編碼后送入預(yù)編碼器，最后預(yù)編碼器的輸出經(jīng)過頻譜生成器生成模擬輸出z（t）。

2.2 調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)

高速傳輸系統(tǒng)主要有三個(gè)部分：調(diào)制解調(diào)器、井下儀器總線控制器和井下儀器接口。調(diào)制解調(diào)器是核心技術(shù)。調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖

3 鎧裝測(cè)井電纜傳輸性能的應(yīng)對(duì)措施

1）使用CAMESA電纜比國產(chǎn)華能電纜性能好，工作穩(wěn)定可靠，傳輸圖像流暢。

2）在使用多芯測(cè)井電纜時(shí)，可以使用纜芯的不同組合方式來提高傳輸速率。

3）單芯測(cè)井電纜的傳輸速度慢，如果想提高傳輸速率，可以在連續(xù)油管中使用，傳輸性能會(huì)好一些。

4）測(cè)井電纜在今后的發(fā)展過程中，復(fù)合光纜比重會(huì)越來越高，所以在不注重成本的情況下，可以采用復(fù)合光纜代替電纜，傳輸速率高，抗干擾因素強(qiáng)。

4 結(jié)論

對(duì)于不同的測(cè)井電纜，其傳輸性能受不同因素的影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的干擾。不同測(cè)井電纜都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

1）相對(duì)于單芯測(cè)井電纜來說，多芯測(cè)井電纜效果更好，傳輸速率更快。

2）在多芯測(cè)井電纜當(dāng)中，7芯測(cè)井電纜傳播速度最快，但是它的外徑大，密封性較難控制，3芯和4芯測(cè)井電纜外徑比7芯電纜小，但它的電感、電阻比較大，傳播速率較7芯的差，所以在氣井中不推薦使用7芯電纜，最好使用3芯或4芯電纜。

3）7芯電纜使用非常廣泛，是因?yàn)?芯電纜傳播速率比較快，主要用于勘探測(cè)井，而單芯電纜、3芯電纜和4芯電纜主要用于生產(chǎn)測(cè)井。