旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具中聲波短傳的信號(hào)處理方法研究

前言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的各種先進(jìn)鉆井技術(shù)與工藝中具突破性和戰(zhàn)略意義的技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)揉合于鉆井工具，代表了當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平。西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所研究的可控偏心器是智能導(dǎo)向鉆井工具，可實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)。

聲波短傳的提出

要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井就離不開(kāi)地面和井下組合間的通訊，對(duì)于井下到地面的信號(hào)傳輸，石油界已有較為成熟且商業(yè)化的技術(shù)——隨鉆測(cè)量（MWD），該技術(shù)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)井下工作情況，并將其傳輸至地面。但是近鉆頭數(shù)據(jù)的短距離傳輸目前還沒(méi)有成熟的技術(shù)。

1993年以來(lái)，西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所一直致力于井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)，其中就包括把靠近鉆頭位置傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送給主軸，最初是在可控偏心器主軸和不旋轉(zhuǎn)套之間使用滑環(huán)來(lái)傳輸信號(hào)。但是用這種方法傳輸信號(hào)時(shí)出現(xiàn)一些問(wèn)題，因此最好的解決辦法是研制出近鉆頭無(wú)線短傳裝置。

2007年，西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所致力于研究電磁遙測(cè)方法，根據(jù)可控偏心器這種特殊的結(jié)構(gòu)，建立一套無(wú)線電磁短傳系統(tǒng)。研究的結(jié)果是：當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈安裝在鉆鋌的內(nèi)部，泥漿完全導(dǎo)電，信號(hào)發(fā)射功率為0.3W時(shí)，接收端信噪比是-60dB。但是，這種方法受井筒周圍地層電導(dǎo)率的影響較大。因此，本設(shè)計(jì)決定用聲波實(shí)現(xiàn)從不旋轉(zhuǎn)套到主軸的信號(hào)傳輸。

可控偏心器中的聲波短傳

可控偏心器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

主軸通過(guò)軸承的耦合穿過(guò)不旋轉(zhuǎn)套，在不旋轉(zhuǎn)套上有電子腔、控制偏心位移矢量的定位總成和翼肋。主軸的一端接鉆頭，另外一端接穩(wěn)定器。在穩(wěn)定器中還有與MWD連接的電源短節(jié)。近鉆頭的傳感器如鉆頭內(nèi)外壓力、鉆頭姿態(tài)等安裝在不旋轉(zhuǎn)套上的電子腔中，發(fā)射電路板、供電電池和發(fā)射換能器也安裝在不旋轉(zhuǎn)套內(nèi)的電子腔中，它們?cè)陔娮忧粌?nèi)并行放置著。接收端供電電池、接收電路板和接收換能器在穩(wěn)定器的電源短節(jié)中。

聲波短傳系統(tǒng)的組成

（1）發(fā)射裝置：發(fā)射電路對(duì)近鉆頭傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FSK（頻移鍵控）調(diào)制，即在傳輸信號(hào)的最佳頻率點(diǎn)附近選2個(gè)頻率點(diǎn)作為調(diào)制二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后通過(guò)耦合電路將調(diào)制后的FSK信號(hào)送入功率放大器，信號(hào)通過(guò)功率放大后再送入發(fā)射換能器。發(fā)射換能器將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)。而此聲波信號(hào)在可控偏心器、鉆井液、地層構(gòu)成的回路中傳輸。

（2）接受裝置：位于傳輸信道另一端的接收換能器將傳輸過(guò)來(lái)的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，將捕獲到的信號(hào)反饋到小信號(hào)放大器，經(jīng)過(guò)放大、噪聲濾波、FSK解調(diào)以及信號(hào)檢波等一系列功能模塊的處理最終獲得傳輸?shù)組WD的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)通過(guò)232口傳送到PC機(jī)上繪圖顯示。聲波短傳系統(tǒng)的原理框圖如1所示。



圖1 聲波傳輸系統(tǒng)原理框圖

發(fā)射端信號(hào)處理

調(diào)制方式及同步信號(hào)

考慮到聲波沿油管傳輸?shù)穆晫W(xué)特性和在可控偏心器傳輸時(shí)的頻響曲線，因此利用2FSK調(diào)制，選取信道中衰減最小的6.8kHz和7.3kHz作為發(fā)射頻率。此外，為了在同步時(shí)能夠進(jìn)一步分析中低頻段油管聲信道的頻率特性，選擇線性調(diào)頻信號(hào)LFM作為同步信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

對(duì)C8051F060單片機(jī)、AD9833的I/O接口及交叉開(kāi)關(guān)初始化。AD9833初始化流程圖如圖2所示。在進(jìn)行FSK調(diào)制時(shí)，AD9833的兩個(gè)頻率寄存器裝載不同的頻率值。在本設(shè)計(jì)中，頻率寄存器0裝載低頻率6830Hz，頻率寄存器1裝載高頻率7230Hz。主程序流程如圖3所示。

圖2 AD9833初始化流程圖

圖3 主程序流程

寫(xiě)數(shù)據(jù)到控制寄存器

單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)到AD9833的時(shí)序如圖4所示。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC引腳必須置低。需要注意的是，在FSYNC開(kāi)始變?yōu)榈颓埃磳㈤_(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)），SCLK必須為高電平。

圖4 單元機(jī)傳送數(shù)據(jù)到AD9833的時(shí)序圖

單片機(jī)寫(xiě)16位數(shù)據(jù)到AD9833時(shí)，高位在前，低位在后。用軟件模擬時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)。傳送數(shù)據(jù)的程序如下：

SCLK=1;

FSYNC=1;

Delay(100);

FSYNC=0;

for(i=0;i<16;i++)

{ SDATA=datas&0x8000;

SCLK=0;

Delay(50) ;

SCLK=1;

datas=datas<<1;

}

Delay(50);

FSYNC=1;

SCLK=0;

輸出波形

在示波器上觀測(cè)FSK調(diào)制信號(hào)，可看到頻率為7230Hz的正弦信號(hào)輸出，實(shí)際輸出頻率為7.22985kHz。

接收信號(hào)處理

接收處理過(guò)程

由于聲波傳感器輸出的是模擬信號(hào)，因此在進(jìn)行ADC采樣之前必須進(jìn)行信號(hào)的預(yù)濾波處理。考慮到最大限度降低信號(hào)紋波的要求和濾波器的通帶濾波特性，本設(shè)計(jì)中采用Butterworth型濾波器。

經(jīng)過(guò)調(diào)理后的傳感器信號(hào)還不能立即被單片機(jī)采樣。這是因?yàn)椋瑐鞲衅鬏敵鲂盘?hào)的范圍是-5V～+5V，而單片機(jī)ADC模塊的輸入電壓范圍是0V～2.5V，所以調(diào)理后的傳感器信號(hào)必須經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路，由精密電壓芯片AD780為單片機(jī)提供2.5V標(biāo)準(zhǔn)的ADC參考信號(hào)。

程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用程序是運(yùn)用MATLAB的類（Serial）和m語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，輔以MATLAB的GUIDE工具箱，程序開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單。SoC的程序應(yīng)用C語(yǔ)言編制。下位機(jī)MCU接收到上位PC機(jī)的下發(fā)命令后，通過(guò)串口中斷程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行相應(yīng)操作，最后返回一個(gè)握手信號(hào)作為狀態(tài)標(biāo)志，確認(rèn)命令是否被正確執(zhí)行。

幀同步識(shí)別

同步過(guò)程實(shí)際上就是尋找最大相關(guān)峰的過(guò)程。

先確定一個(gè)門限GATE，只有當(dāng)乘累加的值大于GATE以后才開(kāi)始比較相關(guān)峰。GATE必須設(shè)定的意義有兩條：

(1)減少不必要的比較次數(shù)，提高程序執(zhí)行效率；

(2)將隨機(jī)噪聲和lfm信號(hào)乘累加得出的偽最大相關(guān)峰濾掉。

出現(xiàn)大于門限GATE乘累加值時(shí)，預(yù)示著真實(shí)的lfm信號(hào)可能到來(lái)。找到相關(guān)峰值所在的位置，就可以知道信息碼的起始位。

解調(diào)濾波器的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中心頻率為6830Hz的帶通濾波器，其階數(shù)為8階，采樣頻率為100kHz，通帶范圍內(nèi)的幅值衰減為1dB、阻帶最小衰減為30dB。根據(jù)以上參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)濾波器為：

將高階的IIR濾波器轉(zhuǎn)換為一系列二階IIR濾波器的級(jí)聯(lián)。從FDAtool中輸出的分子系數(shù)為Num，分母系數(shù)為Den，增益為Gain。濾波器的傳遞函數(shù)如下式所示：



根據(jù)濾波技術(shù)要求在FDAtool中得到濾波階數(shù)為8階，系數(shù)采用4個(gè)二階級(jí)聯(lián)方式的IIR濾波器。這四個(gè)二階級(jí)聯(lián)的根本形式是一樣的，只是在于它的系數(shù)不同，濾波程序的編寫(xiě)可以采用for循環(huán)的形式，循環(huán)4次就可以構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)的濾波。整體濾波的軟件流程如圖5所示。

圖5 四階帶通切比雪夫?yàn)V波器軟件編程流程圖

本文通過(guò)調(diào)用MATLAB中Simulink的各功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖。通過(guò)Simulink環(huán)境下的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)模塊導(dǎo)入FDAtool所設(shè)計(jì)的濾波器文件，反復(fù)進(jìn)行仿真，以得出最好的濾波效果。原始信號(hào)波形圖和濾波后信號(hào)波形圖分別是圖6和圖7所示。從圖7中可以看到經(jīng)過(guò)離散采樣、數(shù)字濾波后分離出了7kHz的頻率分量。


  圖6 原始信號(hào)波形圖                                   圖7 濾波后信號(hào)波形圖

解調(diào)結(jié)果與分析

采用上述解調(diào)方法，在單片機(jī)C8051F060編寫(xiě)解調(diào)程序，通過(guò)適配器完成在線調(diào)試，采用最終調(diào)試成功的解碼軟件進(jìn)行解碼測(cè)試。聲波信號(hào)在可控偏心器中傳輸之后，接收端將接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、數(shù)據(jù)采集，采集信號(hào)的時(shí)域圖如圖8所示，然后進(jìn)入到解調(diào)程序中進(jìn)行解調(diào)，在MATLAB中繪制圖形如圖9所示?？梢钥闯?，接收端信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼之后的碼元是1010101010101010，與發(fā)射端的信息碼是一致的，說(shuō)明解調(diào)成功。

  圖8 信號(hào)時(shí)域圖                                           圖9 解碼后的波形圖

結(jié)論

在復(fù)雜的井下環(huán)境中，信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的傳輸非常重要。本文采用2FSK技術(shù)處理旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具中的聲波短傳信號(hào)，相比于泥漿脈沖傳輸方式，信號(hào)傳輸速率更快。同時(shí)在接收端設(shè)計(jì)了IIR濾波器，有效地克服了采用電磁波傳輸時(shí)衰減嚴(yán)重的問(wèn)題。此外，2FSK技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，解調(diào)方便，有利于推廣使用。