测井电缆遥传系统.pdf

本发明涉及测井技术领域，提供了一种用于测井电缆遥传的井下装置、地面装置和测井电缆遥传系统，可以提升测井电缆遥传系统中窄带不平坦信道的传输速率与稳定性以及电缆传输容量，修正信号失真，极大的降低电路复杂度，使得从井下仪器向地面系统的数据传输具有高速率、可靠性强、时延低的特性。

1.  一种测井电缆遥传的井下装置，其特征在于，所述井下装置包括依次相连的基带信号产生模块、数字上变频模块、线性驱动模块和井下变压器模块；
所述基带信号产生模块，用于根据原始测井数据产生I路和Q路数字基带信号；
所述数字上变频模块，用于将所述I路和Q路数字基带信号进行上变频，并转化成模拟中频信号；
所述线性驱动模块，用于提高所述模拟中频信号的电压幅值和电流幅值；
所述井下变压器模块，用于将所述线性驱动模块的输出信号进行隔离和放大，再输入到测井电缆中。

2.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基带信号产生模块包括依次连接的编码单元、IQ映射单元、脉冲成形滤波单元和插值滤波单元；所述脉冲成形滤波单元包括平方根升余弦滚降滤波器，所述插值滤波单元包括四级32倍抽取的级联积分梳状滤波器。

3.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字上变频模块包括依次连接的第一直接数字式频率合成器、反SINC滤波器和数模转换器。

4.  如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述井下装置还包括井下低通滤波模块，所述井下低通滤波模块设置于所述数字上变频模块和所述线性驱动模块之间，用于滤除所述模拟中频信号的带外噪声，再输入至所述线性驱动模块。

5.  一种测井电缆遥传的地面装置，其特征在于，所述地面装置包括依次相连的地面变压器模块、线性接收模块、数字下变频模块和基带信号处理模块；
所述地面变压器模块用于将所述地面装置的输入信号进行隔离和缩小；
所述线性接收模块，用于降低所述地面变压器模块的输出信号的电压幅值和电流幅值；
所述数字下变频模块，用于将所述线性接收模块的输出信号进行下变频，并转换成数字信号；
所述基带信号处理模块，用于从所述数字下变频模块的输出信号中恢复出原始测井数据。

6.  如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数字下变频模块包括依次连接的模数转换器、第二直接数字式频率合成器和抽选滤波器；所述抽选滤波器包括具有固定系数的第一抽选滤波器和具有程控系数的第二抽选滤波器。

7.  如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述线性接收模块包括具有共模电压输入的差动线性接收器。

8.  如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基带信号处理模块包括依次连接的匹配滤波单元、均衡单元和信道解码单元；所述匹配滤波单元包括升余弦滤波器；所述均衡单元包括自适应均衡器，所述自适应均衡器采用Godard算法，基于归一化最小均方算法进行幅度均衡。

9.  如权利要求5-8任一项所述的装置，其特征在于，所述地面装置还包括地面低通滤波模块，所述地面低通滤波模块设置于所述线性接收模块和所述数字下变频模块之间，用于滤除所述线性接收模块的输出信号中的带外噪声，再输入至所述数字下变频模块中。

10.  一种测井电缆遥传系统，其特征在于，所述测井电缆遥传系统包括测井电缆、如权利要求1-4任一项所述的井下装置以及如权利要求5-9任一项所述的地面装置；
所述测井电缆，用于将所述井下装置的输出信号传输到地面装置中。

测井电缆遥传系统
技术领域
本发明涉及测井技术领域，尤其涉及一种测井电缆遥传系统。
背景技术
测井电缆遥传系统是油井地质资料能从井下传输到地面计算机的关键路径，它是包含在测井仪器中一种通信系统，用于将数据转换为物理信号并经过电缆信道上传（或下载）到接收设备。
测井电缆遥传系统主要有三方面的功能：
（1）将井下仪器采集并且量化的数据传输到地面；
（2）将地面系统发出的控制命令发送到井下仪器；
（3）为井下仪器供电。
由于测井数据主要是从井下向地面系统传输数据，而从地面到井下的下行命令数据量较小，因此测井电缆遥传系统的核心问题是研究如何从井下仪器向地面系统快速、稳定、及时的传输大容量数据。
目前的测井电缆遥传系统，由于测井电缆的可用频带范围比较窄，一般不超过200KHz，并且可用带宽不固定，这就限制了传输系统的容量，导致传输容量较低。此外，受电缆的制造材料与加工技术的影响，电缆很难形成严格均匀的传输介质，使得信道不平坦，信号衰减严重并且失真较大，信号在地面难以被恢复。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例一方面提供了一种测井电缆遥传的井下装置，井下装置包括依次相连的基带信号产生模块、数字上变频模块、线性驱动模块和井下变压器模块；
基带信号产生模块，用于根据原始测井数据产生I路和Q路数字基带信号；
数字上变频模块，用于将I路和Q路数字基带信号进行上变频，并转化成模拟中频信号；
线性驱动模块，用于提高模拟中频信号的电压幅值和电流幅值；
井下变压器模块，用于将线性驱动模块的输出信号进行隔离和放大，再输入到测井电缆中。
另一方面，本发明实施例还提供了一种测井电缆遥传的地面装置，地面装置包括地面变压器模块、线性接收模块、数字下变频模块和基带信号处理模块；
地面变压器模块用于将地面装置的输入信号进行隔离和缩小；
线性接收模块，用于降低地面变压器模块的输出信号的电压幅值和电流幅值；
数字下变频模块，用于将线性接收模块的输出信号进行下变频，并转换成数字信号；
基带信号处理模块，用于从数字下变频模块的输出信号中恢复出原始测井数据。
另一方面，本发明实施例还提供了一种测井电缆遥传系统，测井电缆遥传系统包括测井电缆、如上所述的井下装置以及如上所述的地面装置；
测井电缆，用于将井下装置的输出信号传输到地面装置中。
本发明实施例的技术方案，可以提升测井电缆遥传系统中窄带不平坦信道的传输速率与稳定性以及电缆传输容量，修正信号失真，极大的降低电路复杂度，使得从井下仪器向地面系统的数据传输具有高速率、可靠性强、时延低的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的测井电缆遥传的井下装置的实施例的结构示意图；
图2为本发明的测井电缆遥传的井下装置的基带信号产生模块的结构示意图；
图3为本发明的测井电缆遥传的井下装置的数字上变频模块的结构示意图；
图4为本发明的测井电缆遥传的地面装置的实施例的结构示意图；
图5为本发明的测井电缆遥传的地面装置的数字下变频模块的结构示意图；
图6为本发明的测井电缆遥传的地面装置的基带信号处理模块的结构示意图；
图7为本发明的测井电缆遥传系统的实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1，是本发明的测井电缆遥传的井下装置的实施例的结构示意图。
该井下装置100包括基带信号产生模块110、数字上变频模块120、线性驱动模块130和井下变压器模块140。
其中，基带信号产生模块110，用于根据原始测井数据产生I路和Q路数字基带信号。优选的，基带信号产生模块110可包括依次连接的编码单元111、IQ映射单元112、脉冲成形滤波单元113和插值滤波单元114，如图2所示。基带信号产生模块110可将准备发送的前端测井数据进行信道编码，形成I与Q两路数字基带信号，再分别经过脉冲成形滤波单元113、插值滤波单元114送入数字上变频模块120。
示例性的，编码单元111可采用如下编码规则：
A_n=2D^’_n-1，B_n=A_n-A_n-2
其中，{D_n}是待传输的数字序列，{A_n}是电平转换后的序列，{B_n}是{A_n}经相关编码得到的序列，{ D^’_n }是接收端接收序列{R_n}经相关译码获得的数据序列。
IQ映射单元112可利用TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2812将数据分成I与Q两路，而后加插一些冗余码元，从而提高信号的检错纠错能力。
脉冲成形滤波单元113可使用平方根升余弦滚降滤波器，升余弦成型滤波器滚降系数0.2，16:1采样，以消除因定时误差带来的码间串扰。
为了减少频谱混叠的影响，提高采样率，插值滤波单元114可使用四级32倍抽取的CIC（内插级联积分梳状滤波器）滤波器进行级联，对源数据码流进行插值，从而取得较好的信号带内平坦度。
数字上变频模块120，用于将I路和Q路数字基带信号进行上变频，并转化成模拟中频信号。如图3所示，数字上变频模块120可包括依次连接的第一直接数字式频率合成器（DDS）121、反SINC滤波器122和数模转换器（DAC）123。数字上变频模块120用于将来自基带信号产生模块110的信号与载波混合，从而将信号的中心频率搬移到更高的频率上，并且直接将数字信号转换成模拟信号。
优选的，数字上变频模块120可采用ADI公司生产的高集成度的数字上变频芯片AD9857，可将常规模拟域的问题放到数字域以离散信号的方式解决，简化了电路实现的难度。AD9857对输入的IQ两路信号进行调制形成已调信号，并且经过AD9857内部的反CIC滤波器、插值滤波器、反 SINC滤波器、幅度乘法器，而后将已调信号送入14位的DAC，形成调制后的模拟中频信号。选择200KHz的频率作为载波的基频。低端能避开下行通道的串扰（大致在30~50KHz），高端不超过320KHz，能够远离井场电源45~65Hz及其51次以下谐波分量的干扰。数字上变频芯片AD9857可接受复合IQ数据输入，实现PAM、QAM、ASK、FSK等多种信号的上变频调制，带有14Bit积分数字上变频器，200MHz内部时钟速度，集成了带锁定指示器的4~20倍可编程时钟倍频器，可选择单端或者差分输入时钟。当使用64QAM调制，在信噪比不小于26dB时，频带利用率为6bps/Hz，按200KHz的信道带宽，则采用64QAM时电缆的遥传速率可达1.2Mbps，从而实现数据的高速传输。
线性驱动模块130，用于提高数字上变频模块120输出的模拟中频信号的电压幅值和电流幅值。为了保证电信号在长电缆上的传输，需要增强电信号的电流驱动能力。如果从上变频模块出来的信号不经过线性驱动模块，提高信号的电压幅值及电流，由于长电缆的阻性衰减作用，将无法把信号传送到地面解码系统。优选的，根据测井电缆的特性，线性驱动模块可将信号电压提高到大于15V，电流不小于100mA。示例性的，线性驱动模块可使用TI公司生产的SN75454B芯片，将信号的电流值提高到200mA，电压提高到30V，从而克服信号在长电缆上的衰减。
井下变压器模块140，用于将线性驱动模块130的输出信号进行隔离和放大，再送入测井电缆。示例性的，可在井下使用自行绕制的方式变压器进行信号隔离，其匝数比为1：1。
优选的，该井下装置100还可包括井下低通滤波模块，井下低通滤波模块设置于数字上变频模块120和线性驱动模块130之间，用于滤除模拟中频信号的带外噪声，再输入至线性驱动模块130。示例性的，该井下低通滤波模块可使用由ADI公司生产的ADA4841-1构成的二阶低通滤波器来滤除信号的带外噪声。ADA4841-1是一款单位增益稳定、低噪声和低失真、轨到轨输出放大器，最大静态电流为1.5 mA。ADA4841-1的输出摆幅可以达到任一供电轨的50 mV以下，输入共模电压范围可以低至负电源电压。该器件可以驱动最高10 pF的容性负载，峰化极小。
本实施例，可大幅度提高测井电缆遥传的井下装置中的数据传输速率，有效提升数据传输效率，减小信号失真，降低电路的复杂度。
图4，是本发明的测井电缆遥传的地面装置的实施例的结构示意图。
该地面装置200包括地面变压器模块210、线性接收模块220、数字下变频模块230和基带信号处理模块240；
地面变压器模块210用于将地面装置的输入信号进行隔离和缩小。可使用自行绕制的方式变压器进行信号隔离，其匝数比为1：1。
线性接收模块220，用于降低地面变压器模块210的输出信号的电压幅值和电流幅值；信号在经过地面变压器模块210后，仍可能有较大的电流或较高的电压，不能直接送到下一级的仪器或主编码芯片。优选的，可使用高共模电压输入的差动线路接收器DS78C20J，降低信号的电流与电压，使之适合作为低通滤波器的输入。
数字下变频模块230，用于将线性接收模块220的输出信号进行下变频，并转换成数字信号；优选的，数字下变频模块230可包括依次连接的模数转换器（ADC）231、第二直接数字式频率合成器（DDS）232和抽选滤波器233，如图5所示。抽选滤波器233包括具有固定系数的第一抽选滤波器和具有程控系数的第二抽选滤波器。数字下变频模块230可将线性接收模块220的输出信号与载波混合，将其中心频率搬移到更低的频率上，并且直接将模拟信号转换成数字信号。
示例性的，数字下变频模块230可采用ADI公司的数字下变频芯片AD6620，将接收的模拟信号首先转换成数字信号，解调还原出I路与Q路信号，再分别经过其内部的抽取滤波器，而后按一定的格式输出IQ数据。
与模拟的变频处理方式不同，数字下变频模块230是在数字域对信号进行处理时，不需再要将误差反馈到混频器进行调整，这样就可以通过某些数字算法来精确消除传输中的失真，简化了下变频的过程。
基带信号处理模块240，用于从数字下变频模块230的输出信号中恢复出原始测井数据。如图6所示，基带信号处理模块240可包括依次连接的匹配滤波单元241、均衡单元242和信道解码单元243。
匹配滤波单元241可采用升余弦滤波器，滚降系数与基带成形滤波器相同，使输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值最大。
均衡单元242可采用自适应均衡器，自适应均衡器采用Godard算法，基于归一化最小均方算法进行幅度均衡，可采用128抽头。Godard算法可以较好的利用QAM信号的统计特性，同时可以解决盲均衡算法的收敛性和收敛速度问题。
示例性的，基带信号处理模块240可采用TI公司生产的数字信号处理器TMS320F2812对IQ数据进行均衡处理，对电缆的信道不平坦特性进行补偿，而后进行信道解码，去除冗余的编码并且获取定时信息，从而恢复出原始信号，再送入后续的数据处理环节。
优选的，地面装置200还包括地面低通滤波模块，地面低通滤波模块设置于线性接收模块220和数字下变频模块230之间，用于滤除线性接收模块220的输出信号中的带外噪声，再输入至数字下变频模块230中。示例性的，地面低通滤波模块可使用由ADI公司生产的ADA4841-1芯片构成的二阶低通滤波器来滤除信号的带外噪声。
本实施例，可大幅度提高测井电缆遥传的地面装置中的数据传输速率，有效提升数据传输效率，减小信号失真，降低电路的复杂度。
图7，是本发明的测井电缆遥传系统的实施例的结构示意图。
测井电缆遥传系统包括测井电缆、井下装置以及地面装置；
测井电缆，用于将井下装置的输出信号传输到地面装置中。
其中，该井下装置可为上述实施例中的井下装置，该地面装置可为上述实施例中的地面装置，在此不再赘述。
本发明实施例的技术方案，可以提升测井电缆遥传系统中窄带不平坦信道的传输速率与稳定性以及电缆传输容量，修正信号失真，极大的降低电路复杂度，使得从井下仪器向地面系统的数据传输具有高速率、可靠性强、时延低的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。