利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法，主要应用 在工程勘探中。
【背景技术】
[0002] 对于需要经常移动的地下钻探设备，采用数据的有线传输方式极不方便，不但需 要事先将传输线穿过每节探杆，钻探过程中还需要多出人员负责钻杆的传递，并且传输线 使用过程中极易磨损。采用有线传输方式，可选的方案也十分有限。如果采用通过岩层的长 波或甚长波的电磁波通讯，对于移动的钻探工程，成本太大;在钻杆中采用光纤通讯，一方 面成本太大，另一方面对于恶劣的现场环境，其可行性难W保证。利用声波转播原理应该是 一种地下钻探工程数据通讯的一种新技术，将对地下钻探的信息化和智能化产生革命性的 影响。
[0003] 声波在钻杆管壁和钻杆空腔内的空气中都能传播，而且在钻杆管壁中传播得更 远、更快。由于在实际钻探时，需要将有限长的钻杆连接起来，连接的紧密程度和阻抗的变 化，将导致声波产生反射、延时和波形崎变等复杂问题，给数据处理带来极大困难，甚至影 响到数据通讯的可靠性。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据 传输的方法。
[0005] 本发明是通过W下技术方案来实现的。
[0006] -种利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法，步骤包括：
[0007] 通过微控制器将钻杆下端传感器采集到的数据进行编码；
[000引将编码后的数据信号放大；
[0009] 通过电声转换器件将放大的数据信号转换为声波；
[0010] 转换后的声波由竖直空腔向上传递到地表；
[0011] 通过钻杆上端的声电转换器将声波转换为电信号；
[0012] 将电信号进行放大、解码，获得地下勘察数据。
[0013] 进一步地，数据编码采用CRC编码，CRC码由前部分的信息码和后部分的校验码构 成，其编码规则：
[0014] 将信息码左移x+k位，k为信息码长度，X为校验码长度；
[0015] 运用生成多项式g(x)用模2除上面的式子，得到的余数为校验码。模2除法与算术 除法类似，但每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位，所W实际上就是异或。
[0016] 进一步地，CRC校验码为8位、16位、32位中的任意一种。
[0017] 进一步地，将编码后的数据进行调制再进行放大，调制方式采用ASK、FSK、PSK、 4FSK、DPSK、QPSK中的任意一种的单一调制或任意多种的混合调制。
[001引进一步地，调制信号的频率f=min(fC，f '），其中fC为管中声波传播的截止频率，f ' 为选取Aa或An不大于20地对应的最小频率；
[0019] Ae为声波在空旷环境传输过程中由于空气吸收产生的衰减值：
[0021] e = 4X106, d)为湿度，X为传播距离，A t为溫度修正值；
[0022] An为声波在管道空气传输过程中，由于管内壁的粘滞阻尼效应产生的衰减值：
[0024] n=l .983X l〇-5F*axs，p=1.29kg/m3，c = 3X l〇8m/s，x为传播距离，a为管内径。
[0025] 进一步地，将电信号转换为声波的电声转换器件为扬声器。
[0026] 进一步地，将声波转换为电信号的声电转换器件为驻极体听筒。
[0027] 本发明的有益效果：
[0028] 通过钻杆空腔中的声波导理论进行钻探数据的通讯，其理由是，空屯、钻杆中的空 气介质均匀，数据传输比较可靠，激振源制作简单，成本不高，现场操作方便。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法的原理框图；
[0030] 图2为本发明利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法应用在静力触 探中的示意图；
[0031] 图3为本发明利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法应用在静力 触探中采用声波中继的示意图。
[0032] 图4为本发明S种调制的波形图。
【具体实施方式】
[0033] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034] 参照图1，本发明包括图1中的发射端和接受端两个部分。而发射端又包括原始数 据部分、编码部分、调制部分、放大部分和电声转换(扬声器)部分;接受端又包括声电转换 (驻极听筒)部分、放大部分、解调部分、解码部分和原始数据部分。发射端将原始数据PDATA 进行编码后得到CCDATA，然后将CCDATA调制到适合钻杆内传播的音频频率上，经放大后由 电声转换部分转换成音频信号发射出去。接收端则采用逆过程将音频信号转换成原始数据 PDATA，即实现了信号的声波通信。
[0035] 参照图2,钻杆管壁9由钻杆连接处8在地下固定，压力感应片4将采集到的物理量 交给数据处理部分5进行物理量的处理，处理后的数据由安装在钻头3内的声波收发部分6 进行编码、调制、电声转换等处理，最后将转换成的声波信号通过钻杆空腔7内的空气介质 进行传播;地表2上声波收发部分10接收到声波信号，经过声电转换、解调、解码等处理后交 给数据采集部分11，数据采集部分11将已经处理好的数据通过无限发射天线12(比如： wifi、zigbee、433M、蓝牙等)发送给监控终端，监控终端的控制信号则通过相反的过程向钻 头前端发送。
[0036] 参照图3,声波中继部分1将钻头内声波收发部分发射的声波信号进行处理后，原 封不动地向地表上声波收发部分进行发射。
[0037] 装置一般利用已有的标准钻头和钻杆，声波收发部分安装在图2所示位置。使用 时，要先将钻头内数据处理部分和声波收发部分的电源打开，然后就可W正常进行静力触 探等钻探工作，如果钻探过深，只需要按照图3所示采用声波中继的方式即可。由于管内空 气介质均匀，声波只要满足传播条件，就能达到很好的通信效果。
[0038] 本发明，利用钻杆空腔中声波导进行地下钻探数据传输的方法：
[0039] 在发送端，把需要传输的原始数据，经过编码，再调制到钻杆空腔中空气介质容易 传输的音频上，放大后通过电声转换器(扬声器)生成沿着轴向传播的声波;在接受端，通过 声电转换器或麦克风，把声波转换回电信号，放大后再经过解调，得到编码数据，最后进行 解码得到原始数据。主要要点如下：
[0040] (1)首先，为了利于数据的接收和纠错，需要对原始数据(PDATA)进行编码和附加 冗余码，由于空气中高频声波衰减快，所W选择中低频声波进行数据通信，为了加快数据的 通信速率，数据采用较为简单的编码方式。它由长度LENGra+PDATA+8位CRC构成，其格式如 表1所示。
[0041] 表 1
[0043] 其中：LENGTH=PDATA的字节数+1(-个字节的CRC校验码）。
[0044] CRC校验码有8位、16位、32位等多种编码方式，为了提高信号的通信速率，就要减 小编码的长度，所W选用8位校验码来进行编码。生成CRC码的基本原理是任意一个由二进 制位串组成的代码都可W和一个系数仅为'0'和'1'取值的多项式一一对应。
[0045] CRC码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后部分是校验码