基于钻柱声波信道的随钻数据V-OFDM传输方法研究

马 东，师奕兵，张 伟，柳国振



基于钻柱声波信道的随钻数据V-OFDM传输方法研究

马 东，师奕兵，张 伟，柳国振

(电子科技大学自动化工程学院 成都 611731)

随钻数据声波传输系统利用声波沿钻柱信道传播，实现井下和地面信息准确高效的实时通信。钻柱信道由钻杆和接箍周期性构成，通过理论分析和建模仿真，得到通阻带交替存在的梳状频谱特性，并采用FIR滤波器逼近，建立信道仿真平台。矢量正交频分复用技术(V-OFDM)可以将多径衰落信道分解为多个矢量子信道，通过加入适量的循环前缀，在消除符号间干扰(ISI)的同时，利用分集增益，可以减小由于信道频谱零点造成的误码，增加系统的鲁棒性。仿真和实测结果表明，该方法在满足低误码率的同时，能降低数据冗余，提高传输效率。

声波传输; 误码率; 钻柱信道; FIR滤波器; V-OFDM

随钻数据传输[1-2]是随钻测井技术的核心之一，通过实时传输测井数据，能有效指导钻井作业。目前随钻传输方法主要有泥浆脉冲、电磁波、智能钻杆、光纤和声波遥传。其中，泥浆脉冲传输速率很低，无法适应大数据要求；电磁波传输受地层电阻率影响较大，局限性强；智能钻杆和光纤传输成本昂贵、技术复杂，不适合在井场现场操作。声波遥传是利用声波沿钻柱传输，实现地面和井下双向通信，传输速率可以达到100 bit/s。该技术具有成本低、实现简单等优点，同时也具有声波传输衰减大、噪声干扰大、钻柱信道复杂多变等缺点。

由文献[3-4]可知，理想钻柱周期性级联信道的频谱特性呈现通阻带交替出现的梳状滤波器结构，这为利用其通带传输提供了理论基础。文献[5]提出了基于OFDM的钻柱声波传输，由于实际钻柱信道多径延时导致的符号间干扰(ISI)，需要添加大量的循环前缀，数据冗余增加；同时其对传输通带内出现的频谱零点显得无力。文献[6]首次提出了V-OFDM原理，是一种预编码OFDM技术，利用分集增益，减小由于信道频谱零点导致的误码。通过对多径信道进行矢量化处理，可以减少克服ISI而加入的循环前缀，提高传输效率[6-8]。

针对以上声波传输研究中所面临的问题，本文提出了基于V-OFDM的钻柱声波传输方法。首先通过等效透射膜法理论分析[4]和建模仿真非一致尺寸的钻杆接箍级联信道的幅频特性，然后通过FIR滤波器逼近，搭建通信系统的仿真平台；其次在详述V-OFDM调制原理后，进行系统仿真实验，对比误码率，最后在实验室完成实测。仿真和实测结果表明，该技术可以增加在深衰落信道下系统鲁棒性，满足误码率的同时，减小冗余数据，提高传输效率。

1 随钻数据声波钻柱传输信道

1.1 随钻声波传输系统模型

随钻声波传输系统模型如图1所示，声波以机械振动的形式在钻柱中传输，钻柱由多个钻杆及接箍级联而成，贯穿井眼，直接到达地面，为声波传输提供通道，同时该通道受地层和钻井液影响较小。上下行发射与接收电路包括声波发射换能器、接收换能器、信号放大器、同步采集电路等。上下行声波通过相同路径传输，在钻头和钻杆连接处放置有隔声体，减小钻头噪声对声波干扰。

图1 随钻声波遥传系统模型图

1.2 钻杆接箍声波传输透射膜法分析

钻柱信道由钻杆和接箍周期性级联，声波在传输的过程中，受到接箍面透射与反射影响。本文使用透射膜法[4]分析了接箍与钻杆横截面积对声波反射与透射影响，图2为钻柱接箍透射模型。

声波在理想钻杆中的纵波波动方程为：

(2)

(4)

可以求解参数为：

(6)

图2 钻柱接箍透射模型

当如图2中所示结构周期性级联时，块状结构由左右半个钻杆和接箍构成，为无缝连接，因此首先得出一个块状结构的传递参数。此时声波在无缝处没有反射，多个级联可以直接将传递参数相乘。将参数转化为参数：

式中，

(8)

在实际钻杆和接箍机械加工过程中与仪器长时间工作后的磨损后，钻杆与接箍长度，内外径大小都与标准尺寸存在一定的误差。假设各尺寸误差为高斯分布，均值为标准尺寸，标准差为标准尺寸值的。设此时第根钻杆传输矩阵为：

(10)

假设总共有根钻杆周期性级联，并且假设声波在最后一根钻杆无反射，即，则有：

1.3 FIR滤波器逼近

(12)

为了使得信号能量能够更加集中在主瓣，加快频谱外信号的衰减，本文选用海明窗[10]作为截断窗函数，其形式为：

最终可以将99.963%的能量集中在窗谱的主瓣内，与汉宁窗相比，主瓣宽度同为，但旁瓣幅度更小，旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%。下面给出FIR滤波器设计方法。

2 随钻声波数据传输方案

2.1 随钻声波传输总体设计

钻杆信道是一个频谱资源有限，且具有严重频率选择性衰落的慢时变信道。为了提高数据传输的效率，需要选择与信道特性相匹配的信号调制方式。传输部分由发射模块和接收模块组成，如图3所示。发射模块包括QPSK调制[11-12]、功率分配、V_OFDM、上变频调制和声波换能器；接收模块包括接收传感器、放大电路、QPSK解调、V_OFDM和下变频解调。本文中功率分配采取各子载波平均分配原则。

图3 随钻声波传输模型

2.2 V-OFDM调制技术

V-OFDM在OFDM基础上，通过将多径信道矢量化多个子信道，然后在每个发送矢量块中插入循环前缀，加入循环前缀总数为OFDM的，减少了数据冗余。V-OFDM在接收端有和MIMO相同的接收形式，利用了分集增益，增加了系统鲁棒性。当时，V-OFDM退变为OFDM。

图4 V-OFDM系统框图

(17)

(18)

(20)

(22)

(24)

(26)

式中，*表示共轭。同时噪声估计为：

其分布为高斯分布。

2.3 发射电路与接收电路设计

随钻数据传输电路主要由发射电路和接收电路组成，所选芯片均需要满足高温要求。发射电路主要对发送数据进行编码、调制、D/A变换、滤波、功率放大等处理，接收电路主要完成对接收信号进行滤波、放大、A/D变换、解调、解码等处理。

发射电路工作流程如图5所示，主要流程如下：

1) FPGA芯片(XC3S250E)接收来自井下各仪器数据(支持不同传输接口)，然后通过DSP将其有序存入外部SRAM(CY7C1049BV33)。

2) DSP芯片(TMS320C6713B)读取外部SRAM中的数据，并进行星座映射，然后做V-OFDM变换，最后将变换后的数据送入D/A数模转换器(AD5546)。

3) 转换后的模拟信号通过带通滤波器(滤波电路由简单有源二阶带通滤波器组成)，然后进行功率放大。

4) 放大后的模拟信号通过激振器(JZK-2)产生激振力，然后通过钻柱信道到达接收端。电源模块负责给电路各单元供电；Flash(M25P16)可以脱机其程序，使其上电可以工作。看门狗(EM6323)可以监测DSP工作，防止DSP进入死循环。

接收电路工作流程如图6所示，主要流程如下：

1) 加速度传感器芯片(CA-YD-186)将接收钻杆信道上的机械力转换成电信号，然后通过二阶带通滤波器，最后进行功率放大。

2) 滤波放大后的信号通过模数转换器A/D(AD7985)，送入到FPGA(XC3S250E)。

3) DSP芯片(TMS320C6713B)读取FPGA处理后的数据，进行解调和解码，SRAM(CY7C1049BV33)负责存储计算数据和最终结果。

4) 通过蓝牙(ZX-15MV2.13)传输已处理的数据到上位机，进行最后地层数据反演，完成随钻数据的上行传输。

5) 看门狗、Flash和电源模块完成和发射电路相同的功能。

随钻传输电路实物图如图7所示。

图5 发射电路流程图

图6 接收电路流程图

图7 随钻传输电路实物图

3 仿真与实测结果分析

3.1 周期性钻柱信道仿真和FIR逼近

仿真钻杆标准参数如表1所示。

表1 钻杆接箍标准尺寸

图8为钻杆级联时理论频谱特性和FIR滤波器逼近对比图，图中纵轴幅度为输出与输入的比值。假设40根钻杆，41根接箍的尺寸为高斯分布，其中均值为表1中各个标准值，标准差为各个标准值的4%。通过图8a中仿真幅频特性曲线可以看出，1 500～1 600 Hz下，多个频率衰减严重，最大衰减超过80%；0～1 350 Hz下有4个通带可以选择使用，但通带内幅度高低不一。

图8b为350～650 Hz下信道幅频特性，从图中可以看出420～620 Hz频带内，没有出现频谱零点且FIR滤波器逼近效果较好。钻头噪声经过隔声体后，再沿钻杆长距离衰减，到达地面信号已经严重衰减，此时主要噪声来自地表工作环境噪声，大量实测数据显示地表噪声频率主要集中在0～400 Hz范围[14]。同时，由于井下环境和功率限制，发射换能器产生最大频率信号低于2 000 Hz，因此，选择420～620 Hz作为传输频带。最后通过FIR滤波器逼近，可以得到较好通阻带间隔，作为仿真实验平台。

图8 40根钻杆级联0～2 000 Hz和280～620 Hz信道幅频特性图

3.2 V-OFDM传输系统仿真

选择420～620 Hz作为信号传输频带，同时设各个子载波功率平均分配。考虑到实际中由于环境的影响以及钻杆不同程度的磨损，实际信道通带内可能出现深衰落，因此仿真时应予以考虑。钻柱信道最大多径时延约为s[15]。通过阶FIR滤波器逼近，则，为时域采样周期，V-OFDM子符号周期为，其中FFT变换点数，子载波间隔为。仿真参数如表2所示。

表2 V-OFDM仿真参数表

从图9a可以看出，当选择调制的带宽内没有出现深衰落即传输带宽内没有频谱零点，BER主要由SNR决定，其性能和在高斯白噪声信道下相同，选择QPSK时，BER为：

从图9b可以看出，当选择调制的带宽内出现深衰落即在传输带宽内出现多个频谱零点，当时，BER主要由SNR和信道深衰落共同导致，OFDM的BER和V-OFDM的BER可比，但V-OFDM循环前缀数减小了倍，减少了冗余数据；当时，BER随值的增加而减小，由于分集增益，信道深衰落造成的误码对V-OFDM影响较小，此时V-OFDM性能强于OFDM。但随着值增大，计算复杂度增加，在井下恶劣环境下，电路设计难度加大，因此本文选择。

图9 有无深衰落时传输误码率对比曲线

图10 两种信噪比下，接收信号点星座分布图

3.3 实测结果分析

在实验室中选择4根钻杆级联，信道总长度为39.96 m，误差为1%。此时，同样选择420～620 Hz作为信号传输频带。在上变频时，分别选择420 Hz和450 Hz作为载波频率，则传输频带分别为420～620 Hz和450～650 Hz，其中620～650 Hz内，信号将出现深衰落。发射端发送数据量为，分别计算此时接收端无码数和误码率，如表3所示。

表3 实测误码数和误码率

4 结束语

本文通过对钻杆和接箍周期性级联结构的钻柱声波信道分析，得到了通阻带交替出现的梳状频谱特性，并使用FIR滤波器逼近，搭建信道仿真平台，得到了较好的效果。然后建立V-OFDM传输系统，计算不同长度矢量块和不同质量信道下，系统传输误码率。仿真和实测结果表明，该方法可以增加深衰落信道下系统的鲁棒性，在满足低误码率的同时，降低冗余数据，提高传输效率。

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编 辑 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

国家自然科学基金(61201131)；“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05020-005)

马东(1989-)，男，博士生，主要从事深井声波通信、随钻数据无线传输等方面的研究.