一種基于無線隨鉆測量系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油、地質(zhì)勘探等隨鉆測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于無線隨鉆測量 系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線隨鉆測量系統(tǒng)近年來得到了良好的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于實時鉆井，實時監(jiān)測 井下鉆井地層和安全狀況，為定向井和水平井的鉆進提供了良好的條件。
[0003] 鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是井下信息傳輸，目前，無線傳輸按照介質(zhì)的不同分為電磁波、聲 波和泥漿脈沖三種方式。電磁波受外界影響大，衰減快，不適用于遠距離傳輸；聲波只適用 于含泥質(zhì)的單礦物巖石，且需要壓實校正；泥漿脈沖由于可靠性較高，易于工程操作，應(yīng)用 最為廣泛。
[0004] 對于泥漿脈沖，井下信息傳輸技術(shù)多采用傳統(tǒng)方法，將泥漿脈沖信號傳輸至地面 進行濾波處理，實現(xiàn)噪聲的濾除和信號的重構(gòu)，常用的濾波方法有基于傅里葉變換的去噪 法、FIR數(shù)字濾波器和小波變換等。但是，采用傳統(tǒng)的濾波方法只能在地面盡可能的進行原 始信號的重構(gòu)，此時的泥漿脈沖信號已被噪聲干擾嚴(yán)重，濾波去噪的能力有限。所以井下信 息傳輸已經(jīng)成為制約鉆井技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，如何實現(xiàn)更加高效可靠的傳輸成為隨鉆測 量系統(tǒng)亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對無線隨鉆測量系統(tǒng)泥漿信道衰減大、噪聲復(fù)雜以及傳輸?shù)哪酀{信號可 靠性不高，信息量少的特點，提出了一種基于無線隨鉆測量系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼 方法；
[0006] 無線隨鉆測量系統(tǒng)分為傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、地面接收模塊和電 源豐吳塊。
[0007] 傳感器模塊包括3軸加速度計、3軸磁通門、溫度傳感器以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，傳感器 模塊為數(shù)據(jù)采集模塊提供數(shù)據(jù)；
[0008] 3軸加速度計、3軸磁通門、溫度傳感器分別采集三路重力分量信息、三路磁場分 量信息和溫度信息，共7路數(shù)據(jù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采用MAX186芯片，獲取7路數(shù)據(jù)后進行采樣 轉(zhuǎn)換，具體為：對每一路數(shù)據(jù)均采集128次，計算該路數(shù)據(jù)的平均值，7路數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換完成 后，通過SPI 口（Serial Peripheral Interface)傳送給數(shù)據(jù)采集模塊；
[0009] 數(shù)據(jù)采集模塊又名MCU采集模塊，用來采集傳感器模塊的數(shù)據(jù)；并對采集的數(shù)據(jù) 進行相應(yīng)的校準(zhǔn)、計算得到需要的工程參數(shù)、編碼、發(fā)送及存儲等操作；
[0010] 數(shù)據(jù)采集模塊包括：微控制器，驅(qū)動電路，脈沖發(fā)生器，flash存儲模塊，防沖擊電 路以及電源電流檢測電路；
[0011] 微控制器選用SM470R1B1M，是整個電路的核心部分，用來控制傳感器模塊的3軸 加速度計、3軸磁通門、溫度傳感器分別采集數(shù)據(jù)；處理由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器傳送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù) 據(jù)的解算、校驗和編碼，并將編碼之后的數(shù)據(jù)分別傳送給脈沖發(fā)生器和flash存儲模塊；
[0012] 脈沖發(fā)生器向地面接收模塊發(fā)送泥漿脈沖信號，flash存儲模塊將數(shù)據(jù)進行存 儲；
[0013] 驅(qū)動電路主要有兩個功能，一是通過微控制器的控制信號驅(qū)動傳感器模塊進行工 作，二是驅(qū)動脈沖發(fā)生器進行泥漿脈沖信號的發(fā)送；
[0014] 微控制器控制防沖擊電路以及電源電流檢測電路保護并監(jiān)測電路正常工作。
[0015] 地面接收模塊包括上位機，主要完成人機交互界面的設(shè)計、對數(shù)據(jù)采集模塊進行 設(shè)置、解碼并顯示數(shù)據(jù)采集模塊傳上來的數(shù)據(jù)；
[0016] 通信模塊主要用來配置MCU模塊，具體包括：1)、標(biāo)定文件的下傳，用于校準(zhǔn)傳感 器模塊的參數(shù)，并存儲在flash存儲模塊中；2)、配置井下發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式，存儲在flash 存儲模塊中，井下發(fā)送的脈沖碼元順序根據(jù)配置的幀格式進行；3)、配置測井參數(shù)，如發(fā)送 延時、轉(zhuǎn)速閾值、井深閾值和脈沖寬度等；4)、時間同步，下井前發(fā)送一個當(dāng)前時間到MCU模 塊，然后通過RTI中斷周期和次數(shù)來得到任意時刻的時間。
[0017] 通信模塊通過串行通信接口完成地面接收模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通信；
[0018] 電源模塊為整個系統(tǒng)供電。
[0019] -種無線隨鉆測量系統(tǒng)井下信源信道聯(lián)合編碼算法，具體步驟如下：
[0020] 步驟一、通信模塊對數(shù)據(jù)采集模塊配置參數(shù)并存入flash存儲模塊；
[0021] 具體為：1)、寫入傳感器模塊的校準(zhǔn)系數(shù)；2)、配置井下發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式，即脈 沖碼元順序；3)、配置測井參數(shù)；4)、設(shè)置當(dāng)前時間。
[0022] 步驟二、針對某段時間，傳感器模塊采集井下測井?dāng)?shù)據(jù)，并傳送給數(shù)據(jù)采集模塊；
[0023] 3軸加速度計、3軸磁通門、溫度傳感器分別采集三路重力分量信息、三路磁場分 量信息和溫度信息，共7路數(shù)據(jù)作為信源，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采集每一路數(shù)據(jù)的平均值，通過SPI 口傳送給數(shù)據(jù)采集模塊。
[0024] 步驟三、數(shù)據(jù)采集模塊讀取校準(zhǔn)系數(shù)并對采集得到的數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)后數(shù) 據(jù)進行M-ary編碼和存儲；
[0025] 步驟四、數(shù)據(jù)采集模塊讀取存儲的測井?dāng)?shù)據(jù)并采用LZW壓縮算法進行壓縮；
[0026] LZW編碼算法利用Hash函數(shù)建立一個大小為256的哈希表，LZW壓縮的數(shù)據(jù)輸入 格式為八位無符號整型數(shù)。
[0027] 步驟五、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)定井深閾值并進行判斷，如果井深值大于閾值，對LZW壓 縮之后的數(shù)據(jù)采用RS(31，15)的編碼算法，否則，采用RS(31，25)的編碼算法；
[0028] LZW壓縮后的信息碼為m(x)，對m(x)編碼之后的碼組為T (X):
[0029] T (X) = xn km (X) +xn km (X) mod G (X)
[0030] 其中，n為碼元長度，k為信息碼元個數(shù)。
[0031] 步驟六、微控制器將RS-LZW聯(lián)合編碼之后的測井?dāng)?shù)據(jù)通過脈沖發(fā)生器發(fā)送到地 面接收模塊。
[0032] 碼組T(x)經(jīng)過脈沖發(fā)生器發(fā)給地面接收模塊，地面接收模塊接收到的碼字為 r(x)；
[0033] RS譯碼糾錯的過程如下：
[0034] 步驟1、計算RS碼的校驗生成多項式G(x)的根；
[0035] G (x) = (x_l) (χ- α ) (χ- α 2) · · · (χ- a 2t 3
[0036] 其中，t為RS碼的糾錯距離；α，α 2...... a 2t 1為G(x)根；
[0037] 步驟2、根據(jù)接收碼字r(x)和校驗生成多項式G(x)的根得到伴隨多項式S(x):
[0040] b表示錯誤值，i = 1，2, . . · τ ; τ為發(fā)生錯碼的個數(shù)，β β 2, . . .，β τ表示錯 誤位置；
[0041] 步驟3、對伴隨多項式S(x)求解，得到錯誤位置和錯誤值；
[0042] 首先，根據(jù)錯誤位置多項式σ (X)計算錯誤位置：
[0043] σ (X) = (1- β 3) (1- β 2χ) · · · (1- β τ X) = σ 〇+ σ 3+ σ 2χ2+· · · σ τ Xτ
[0044] 采用錢氏搜索法求解出〇 (χ) = 〇的根Χι, χ2, . . . χτ^誤位置β χ ; = 1, 2, . . . τ ; τ為發(fā)生錯碼的個數(shù)；
[0045] 然后，根據(jù)錯誤值多項式ω (X)計算錯誤值e]i:
[0048] 多項式σ_(χ)是由σ (X)的奇數(shù)次項組成的多項式；
[0049] 步驟4、錯誤位置和對應(yīng)位置的錯誤值形成錯誤圖樣Ε (X);
[0050] Ε(χ) = θηχ·η++θ?2χ?2+. . . +ejTxJT
[0051] 其中，xjl表示第i個錯誤位置，i = 1，2, · · . τ ;
[0052] 步驟5、得到經(jīng)過糾錯后的碼字C(x):
[0053] C (X) = r (X) +E (X)
[0054] 脈沖數(shù)據(jù)的格式按照通信模塊配置的數(shù)據(jù)幀格式進行發(fā)送，地面接收模塊接收到 脈沖信號后，根據(jù)協(xié)定的編碼方式進行相應(yīng)的解碼，得到井下的測井?dāng)?shù)據(jù)。
[0055] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0056] 1)、一種基于無線隨鉆測量系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼方法，提高了測井?dāng)?shù)據(jù) 的壓縮比，測井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮比最大可達3:1。
[0057] 2)、一種基于無線隨鉆測量系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼方法，降低了數(shù)據(jù)的誤 碼率，在較低的信噪比下，能較好地重構(gòu)出原始數(shù)據(jù)。
[0058] 3)、一種基于無線隨鉆測量系統(tǒng)的井下信源信道聯(lián)合編碼方法，將壓縮性能較好 的信源編碼和能糾正隨機和突發(fā)錯誤的RS信道編碼進行聯(lián)合，結(jié)合了二者的優(yōu)點，在不增 加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下達到了降低誤碼率的效果，突破了常規(guī)測井中的編碼方法，對信道 誤碼率有良好的改進。
【附