H.264编码和SHDSL传输技术在井下电视的应用*

刘 康,张家田

(西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

H.264编码和SHDSL传输技术在井下电视的应用*

刘 康,张家田

(西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

井下电视应用一直受到传输速率的影响,数字井下电视可以分析并解决井下复杂状况问题。采用H.264编码技术可以在相同带宽传输更高的图像质量，以及采用单对线高速数字用户线(SHDSL)技术可以解决井下传输距离与速率相矛盾的问题。该传输技术具备自适应能力来适应同轴铠甲电缆，对传输介质降低了要求且节省成本。通过以上两种技术可以解决井下图像传输距离短和分辨率低的问题，并提高井下数据传输速率。

井下电视;H.264;SHDSL;高清; 实时

0 引言

现在油气田开采开发过程主要存在两大方面问题，一是随着大部分油田的长期开采面临着枯竭的状态，开采新的油气资源难度加大；二是常年处于生产过程的生产井面临着套管老化、腐蚀及损坏等。现在多采用多种方法联合测量、准确定位损坏点，成本和风险会很高，缺乏一种直观、低成本的准确定位方法来确定损坏点[1]。井下电视是解决上述问题的有效办法，但井下电视传输距离3.0 km[2]都是极限，对于内陆深井开采帮助不大，所以本文试图采用基于H.264编码压缩技术和SHDSL高速传输技术来使高清、实时图像传输距离达到7 km[3]。本系统涉及的两个部分及对应的重要技术为：井下测井部分、地面软件部分，图像压缩、解压缩主要采用H.264编码压缩技术；传输部分主要采用SHDSL高速传输技术。

1 重要技术简介

1.1 H.264编码压缩技术

视频压缩工作是通过去冗余图像数据的方法来实现，其中主要包括压缩、创建压缩文件、发送、解压缩对视频还原、显示视频几个过程。延时包括压缩过程、发送过程、解压缩过程和显示视频所需时间过程[4]。延时与图像压缩算法高级程度成正比。相比H.263技术,基于前后帧参考二元算术编码(CABAC)算法的H.264技术将峰值信噪比(PSNR)提高0.6 db[5]以上，视频数据得到进一步压缩。在H.264编码技术中，对I帧进行数据压缩编码，减少不必要的冗余数据。这种方法通过连续预测帧中每一个宏块内比较小的像素块，来减少I帧所占数据位。这一点可与在新4×4像素块[6]中其他像素实现匹配。本算法的优势是尽可能利用与前帧相似匹配，减少不必要的数据编码，节省存储空间。

1.2 SHDSL 传输技术

单对线高速数字用户线(SHDSL)技术的传输距离与用户电话线的线径成正比，电话线直径越粗，传输距离也就越长。不管用户的实际传送带宽，比较两线的SHDSL模式和四线的HDSL，HDSL技术的传送带宽是2 Mb/s，并且是固定不变的；而SHDSL具有自适应功能，不同的带宽随着线径变化，随着传送速率的不同，实现的传送距离也不同。以两线SHDSL和四线HDSL相比较，如果是在2 Mb/s传送速率下，前者将比后者提高15%的传送距离。SHDSL提供数据流传输冗余和每秒延迟不超过1.2 ms[7]，这对于视频实时传输非常重要。因此，SHDSL的一个显著优势就是传输距离改变，带宽也改变，对电缆要求降低。

2 整体系统设计

2.1 系统结构组成

数字高清井下测井仪根据工程需要主要分为3个部分：地面系统、传输电缆、井下系统。地面系统由上位机和电源供电系统组成，井下系统由CCD高清网络摄像头组成，传输电缆由一对主从传输板和铠装电缆线组成。结构如图1所示。

图1 井下电视结构图

该系统要达到以下目的：上位机发出控制指令，调节井下采集图像的分辨率和码率，契合传输速率与测井电缆达到传输平衡，实现井下图像信号在地面系统高清实时回放。传输电路系统如图2所示。

图2 传输电路系统结构图

在图2中模拟前端拨码器可以自适应平衡传输速率，拨码器共4位，第一位设置地面系统传输电路系统和井下系统传输电路系统局端或客户端即设置主从关系，传输电路系统绿灯亮表示此为用户端，则另一端应该设置绿灯灭；后三位设置速率，最高可达2.3 Mb/s，具体速率设置参考如图3所示，传输电路结构图如图4所示。由于井下高温高压，传输电路都要在真空保温瓶里[8]，照明光源照射井壁，反射光由CCD传感器接收输出电压，由成像模块将电压转换成数字信号，经数据处理电路压缩编码再经电缆传送给地面系统。

图3 拨码器图

图4 井下设备连接图

2.2 电缆传输方式选择

本系统的地面系统和井下系统采用220 V交流电，所以需要把交流电转换为低压直流电源，地面系统采用AC/DC转换模块电源为电源提供+12 V电压，但井下系统需要将220 V交流电经过长距离电缆传输至井下再用AC/DC转换模块电源为井下仪器供电，这就需要选择合适的电缆供电和传输连接方式。在本系统中采用七芯电缆传输信息和通电，当采用七芯电缆方式进行数据传输时，由于传输距离长达7 000 m，电缆本身阻抗对信号传输影响很大，所以采用2、5，3、6并联传输信号，1、4供电，如图5所示。

图5 七芯电缆连接方式

3 测试过程及结果分析

在测试之前，需要连接硬件，通电等待传输板红灯闪烁结束变为绿灯，证明传输板已连接，地面系统和井下系统可以通信。打开上位机，将本地连接中TCP/IPv4地址改为192.168.0.55，子网掩码为255.255.255.0。完成之后打开地面系统软件进行网络摄像头的IP地址搜索，连接成功后会出现井下套管图像，如图6所示。

图6 套管井壁捕获图像

画面出现之后会出现画面升格或延时的问题，这时需要不断调试码流和图像分辨率直到画面清晰且实时为止，参数调试界面如图7所示。其中码流控制改为非限定码率，帧率为30 FPS,分辨率和画质平衡调节，如果是多摄像头传输数据流，可以分别对不同通道的摄像头进行上述参数设置。测试过程中，在2 Mb/s传输速率下，四通道传输数据流基本不会出现延时问题，但更多通道传输数据需要采用电缆并联方式以提高传输速率。多通道数据传输在硬件上需要加上以太网交换机，以太网交换机分配给每个网口的传输速率相同。

图7 参数调试界面

用MATLAB绘出在直径为0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm的电缆中测试数据传输速率与传输距离的关系，如图8所示。从图中可知链路速率与传输距离成反比趋势，在井下6 km深度，直径为0.6 mm电缆传输速率可达2 Mb/s。平原井深一般不会超过4 km，采用直径0.4 mm电缆即可达到2 Mb/s，节省大量成本。实际应用中应该根据当地情况选择合适的电缆，达到效率和性价比最高。

图8 链路速率与传输距离关系

4 结论

本文介绍了基于H.264编码技术和SHDSL传输技术的井下电视的优势及实践中的可行性，通过对7 000 m以内测井电缆传输实验和测试结果分析，采用一对线传输速率可达2 Mb/s，采用两对线传输速率有望达到3 Mb/s。

SHDSL传输技术自适应电缆传输及自动匹配、自动连接，且符合IEEE802.3/3u/3x和IEEE802.1Q标准，支持桥/路由模式。

根据MATLAB分析可知在普通电缆状况下，基于上述两种技术的传输系统可自动适应平衡各种电缆要求，以达到最佳传输速率和图像清晰度，这种图像压缩技术和自适应高速传输技术可以使更多井下仪器仪表数据通过此技术传输至地面，具有广泛的应用前景和推广价值。

[1] TAGUE J R, HOLLMAN G F.Chevron USA production co.downhole video: a cost/benefit analysis[R].SPE 62522,2000.

[2] 张家田，李慧玲.井下电视成像技术研究[J].石油仪器，2005，19(5):11-12.

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[5] ANSARI M A, KHAN I U. Recent developments in control, automation and power engineering[C].RDCAPE on International Conference， Noida，2015: 371-376.

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Application of H.264 encoding and SHDSL transmission technique for downhole video

Liu Kang，Zhang Jiatian

(The Key Laboratory of Photo Electricity Gas & Oil Logging and Detecting of Ministry of Education, Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China )

The application of downhole video has been affected by the transmission rate, digital downhole video can analyze and solve complicated situation in the downhole. The H.264 coding technology can transport higher quality image in the same bandwidth,and single-pair high speed digital subscriber line (SHDSL) technology can solve the contradictory of transmission distance and rate. The transmission technology has adaptive ability to adapt to the coaxial cable armor, to reduce the demand and save the cost of transmission medium.Through the above two kinds of technology,the problem of low resolution and short transmission distance can be solved, and the downhole data transmission rate is improved.

downhole video; H.264; SHDSL; high definition; real time

教育厅重点科研计划(15JS097，11JS051)

TE953

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.027

刘康,张家田.H.264编码和SHDSL传输技术在井下电视的应用[J].微型机与应用，2017,36(3)：93-95.

2016-10-10)

刘康(1990-)男，硕士研究生，主要研究方向：测试计量技术与仪器、信号与信息处理。