单芯电缆测井数据高速传输系统.pdf

本发明公开了一种单芯电缆测井数据高速传输系统，包括地面遥测单元和井下遥测单元，井下遥测单元和地面遥测单元通过单芯电缆连接，每个单元都包含发送单元和接收单元。本系统可以应用在直径28mm以上的测井仪器中，不但可以使用单芯电缆，也可在三芯电缆和七芯电缆上使用，传输距离大于5000米，井下单元耐温可达125℃，传输速率达到8Mbps。

1.  一种单芯电缆测井数据高速传输系统，包括地面遥测单元和井下遥测单元，井下遥测单元和地面遥测单元通过单芯电缆连接，每个单元都包含发送单元和接收单元，其特征是：
所述的发送单元包括串并转换器、OFDM编码装置、功率放大电路、输出阻抗匹配电路，信号经串并转换器后由OFDM编码装置调制到相互正交的多个子载波上，经功率放大电路放大，通过输出阻抗匹配电路以频分复用的方式发送到单芯电缆上；
所述的接收单元包括输入阻抗匹配电路、信号放大电路、OFDM解码装置、并串转换器，信号经输入阻抗匹配电路、信号放大电路放大后，由OFDM解码装置进行解码，然后经并串转换器恢复出原始数据。

2.  根据权利要求1所述的单芯电缆测井数据高速传输系统，其特征是：OFDM编码装置包括IFFT模块。并串转换器、组帧模块、D/A转换器，首先IFFT模块将待发送的串行位流调制到合适的载波上，经并串转换器合成一个信号，并加CP插入循环前缀以减少码间串扰，通过组帧模块加入同步序列和信道估计序列。

3.  根据权利要求1所述的单芯电缆测井数据高速传输系统，其特征是：OFDM解码装置包括捕获同步模块、信道估计模块、解帧模块、串并转换器、FFT模块、并串转换器，捕获同步模块和信道估计模块，首先对接收的OFDM信号进行捕获同步和信道估计，经解帧模块、去CP后，进入FFT模块解码，最后经并串转换器恢复出原始位流信号。

单芯电缆测井数据高速传输系统
技术领域
本发明涉及一种通过测井电缆在地面测井采集系统和井下仪器之间高速传输数据的遥测系统，更具体地说，把数据从井下仪器实时高速地传输到地面测井采集系统，同时，将命令从地面测井采集系统下传到测井仪器。
背景技术
测井过程是一个复杂的测量控制工程，通过测井电缆将测井仪器下放到油井的某个位置，测井仪器上的传感器将井的地层信息、流体信息、井况信息转换成物理量(通常为电信号)，组合编码后通过电缆发送到地面测井采集系统，地面井采集系统也可发送控制命令到井下仪器。测井电缆不但用来悬挂仪器，作为数据传输的通道，同时还作为井下仪器的供电回路。
测井使用的电缆一般为单芯，三芯和七芯。七芯电缆也称为多芯电缆，通过缆芯复用技术可以获得比单芯电缆和三芯电缆高得多的传输数率。缆芯越少，可提供的传输通道越少。单芯电缆只有一根缆芯，因此供电和信号传输都必须使用相同的通道。单芯电缆的缆芯和外铠构成供电回路。由于电缆的特性分布不均匀，需要在电缆两端设计阻抗匹配电路。
由于油井内管柱内径和井内工具的限制，生产测井的仪器外径不能超过42mm，一般使用单芯电缆。在单芯电缆数据传输技术应用上，国内外大多使用基于曼彻斯特编码的遥测技术，这种编码通过判断时钟周期内的电平跳变来判断码元信号，由于存在码间干扰，速率一般不高，通常为5Kbps，20Kbps，最高不超过100Kbps。随着多参数测量和阵列式传感器的应用，以及信号采样率的提高，需要更高的传输率来实时传输数据。
通讯技术的发展为测井数据传输提供了更多更快的技术平台，但由于测井条件的限制，电缆长度变化带来的电缆分布参数的不均匀，以及油井内高温高压环境的影响，使得这些技术在应用在单芯电缆上时传输率提高不多，难以达到1Mbps以上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题提供一种单芯电缆测井数据高速传输系统，可以实现在单芯测井电缆上远距离、高速率数据实时传输。
本发明是通过以下技术方案实现：
单芯电缆测井数据高速传输系统，包括地面遥测单元和井下遥测单元两部分，地面遥测单元和井下遥测单元两个部分通过单芯电缆连接，每个部分都包含发送单元和接收单元两个部分，所述的发送单元包括串并转换器、OFDM编码装置、功率放大电路、输出阻抗匹配电路，信号经串并转换器后由OFDM编码装置调制到相互正交的多个子载波上，经功率放大电路放大，通过输出阻抗匹配电路以频分复用的方式发送到单芯电缆上；所述的接收单元包括输入阻抗匹配电路、信号放大电路、OFDM解码装置、并串转换器，信号经输入阻抗匹配电路、信号放大电路放大后，由OFDM解码装置进行解码，然后经并串转换器恢复出原始数据。
进一步的技术方案是：
所述的OFDM编码装置包括IFFT模块、并串转换器、组帧模块、D/A转换器，IFFT模块将待发送的串行位流调制到合适的载波上，经并串转换器合成一个信号，并加CP以减少码间串扰，通过组帧模块加入同步序列和信道估计序列。
所述的OFDM解码装置包括捕获同步模块、信道估计模块、解帧模块、串并转换器、FFT模块、并串转换器，捕获同步模块和信道估计模块首先对接收的OFDM信号进行捕获同步和信道估计，经解帧模块后去CP，然后进入FFT模块解码，最后经并串转换器恢复出原始位流信号。
本发明基于正交频分复用技术(OFDM)，在电缆上传输的是经过调制的正交基带模拟信号，传输只需要一根缆芯。在形成码元时加入同步序列和信道估计序列，接收端可进行突发预测、同步和信道估计，从而自适应利用信道带宽。在接收端和发送端都设计了专用的阻抗匹配电路，可很好地抑制反射波。因此，本发明能够实现在单芯测井电缆上远距离、高速率数据实时传输。
本系统可以应用在直径28mm以上的测井仪器中，不但可以使用单芯电缆，也可在三芯电缆和七芯电缆上使用，传输距离大于5000米，井下单元耐温可达125℃，传输速率达到8Mbps。
附图说明
图1是本发明用于测井传输状况示意图。
图2是本发明井下发送/接受单元原理图。
图3是本发明地面发送/接受单元原理图。
图4是本发明中OFDM编解码系统结构图。
具体实施方式
本发明用于测井传输状况见图1，地面遥测单元4、单芯电缆3、井下遥测单元2依次连接，井下遥测单元2通过单芯电缆3下放到油井套管或油管中1。井下遥测单元2下挂各种测量传感器，将油井信息变换为电信号，处理后统一发送到井下遥测单元仪器的井下发送单元，编码后经单芯电缆3发送到地面遥测单元4。使用的传感器有流量、温度、压力、电阻率等。
本发明的一个实施例见图2至图3，包括地面遥测单元4和井下遥测单元2两部分，地面遥测单元4和井下遥测单元2两个部分通过单芯电缆3连接。
井下遥测单元2包括井下仪器控制器24、串行发送器25、井下发送单元21、井下接收单元22、串行接收器23。井下发送数据流程为由井下仪器控制器24对来自各个传感器的数据串行转化为比特流，通过串行发送器25进入井下发送单元21，编码调制后传输到单芯电缆上3。井下接收发送数据流程为由井下接收单元22检测到来自单芯电缆3的数据信号到达时，进行解码得到传输数据比特流通过串行接收器23由井下仪器控制器24转化为字节数据。
地面遥测单元4包括地面测井系统46、EtherNet接口44、串行发送器45、地面发送单元41、地面接收单元42、串行接收器43。地面发送数据流程为由地面测井系统通过EtherNet接口发送命令，通过串行发送器进入地面发送单元41编码调制后传输到单芯电缆上3。地面接收数据流程为由地面接收单元42检测到来自单芯电缆3的数据信号到达时，进行解码得到传输数据比特流通过串行接收器43，再通过EtherNet接口44进入地面测井系统46。    
井下遥测单元2的井下发送单元21与地面遥测单元的地面发送单元41结构完全一致，由串并转换器211、411、OFDM编码装置212、412、功率放大电路213、413、输出阻抗匹配电路214、414组成。
井下遥测单元2的井下接收单元22与地面遥测单元的地面接收单元42结构完全一致，由并串转换器221、421、OFDM解码装置222、422、信号放大电路223、423、输入阻抗匹配电路224、424组成。
OFDM编码装置212、412由IFFT模块2121、4121、并串转换器2122、4122、加CP2123、4123、同步序列2124、4124、组帧模块2125、4125、信道估计序列2127、4127、D/A模块2126、4126组成。信号经IFFT模块2121、4121进行IFFT变换，再通过并串转换器2122、4122将并行数据转化为串行数据，由加CP2123、4123加入循环前缀，经组帧模块2125、4125形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列2124、4124和信道估计序列2127、4127，以便接收端进行突发预测、同步和信道估计，最后经D/A模块2126、4126输出正交的基带信号。
OFDM解码装置222、422由FFT模块2221、4221、串并转换器2222、4222、捕捉同步模块2223、4223、去CP2224、4224、组帧模块2225、4225、信道估计模块序列2226、4226组成。信号经捕捉同步模块2223、4223同步和信道估计模块序列2226、4226进行信道估计后，由去CP2224、4224去除循环前缀，然后经过由FFT模块2221、4221进行FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，得到传输数据比特流，最后经串并转换器2222、4222输出到下一级。
图4为本发明中OFDM调制解调的主要硬件结构，是集成OFDM编码装置和OFDM解码装置的一个模块。根据选用的芯片，实施的模块结构可有不同。它由5个部分组成：DSP、FPGA、正交数字上变频器(Quadrature Digital Upconverter)、正交数字下变频器(QuadratureDigital Downconverter)，FLASH存储器。
调制时由串行接收器，DSP1、FLASH1、FPGA、正交数字上变频器依次连接。DSP1完成IFFT变换，FPGA完成OFDM组帧，正交数字上变频器完成OFDM码元的调制，FLASH1为DSP1存储数据。
解调时由串行接收器，DSP2、FLASH2、FPGA、正交数字下变频器依次连接。DSP2完成FFT变换，FPGA完成信号的突发检测和定时，正交数字下变频器完成OFDM码元的解调，FLASH2为DSP2存储数据。
选用的DSP具有以下特性：最高工作频率为300MHz，3.3ns指令周期；6MB片内SRAM；2个计算模块，每个模块都有1个ALU、1个乘法器、1个移位寄存器和1个寄存器组；2个整型ALU，用来提供寻址和指针操作；14个DMA控制器。进行256点的复数FFT变换，仅需3.67μs。
正交数字上变频器工作频率为200MHz，内部集成半带滤波器、CIC(CascadedIntegrator Cornb)滤波器，反SINC滤波器和高速的14位数/模转换器，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizcr)。在本系统中，正交数字上变频器工作在正交调制模式。
正交数字下变频器内部集成了一个14位、92Msps的模/数转换器和4/6通道的数字下变频器。每个通道可独立配置。数字下变频内部集成了频率变换器、可编程级联梳状滤波器(CIC)、2个滤波器组和数字自动增益控制。其中：频率变换是通过32位数控振荡器实现的；CIC实现1～32倍的抽取；2个滤波器组包括FIR滤波器和2倍抽取的半带滤波器。输入的中频模拟信号经过ADC和频率变换后，使用滤波器组进行滤波和抽取，最后并行输出正交基带数字信号。