一种基于SSTDR的井中电缆监测系统及其监测方法

本发明涉及电缆监测领域，具体涉及一种基于sstdr(spread spectrum timedomain reflectometry，扩展频谱时域反射法)的井中电缆监测系统及其监测方法。

背景技术：

1、远距离探测是我国测井项目的一个重要指标，而考虑到我国井中雷达系统需要工作在1000～6000m深度的高温高压环境中，井眼内充满泥浆(而诸如美国、瑞典和澳大利亚等国家研发出的商业化井中雷达，大多适用于1000m以内的浅地层探测，并无泥浆和高温高压的环境)，因此超长的通信距离和测井电缆拉伸后带来的分布参数及电阻的变化会严重影响通信速率。

2、我国测井工程诸多采用主流的七芯铠装电缆，每根缆芯由7根铜丝绞合而成，外面覆以绝缘层，外层覆以两层正反向缠绕不同厚度为的钢制铠装。井中电缆可以近似为一种窄带低通信道，其有效频率范围约为1～271khz。根据研究表明，电缆使用越久，故障率越高。电缆发生故障时，由于设备在井下深处工作，电缆供电工作中无法排查问题，导致设备无法正常供电和传输信号，更严重的可能会危害设备安全。

3、因此，测井工程中来自电缆的问题需要优先考虑。首先，同一套测井系统需要在多个测井任务中使用长度和分布参数不同的测井电缆，这是实际的工程问题中需要解决的情况。这要求该系统具有阻抗检测的功能。同时，具有收发与采集功能一体化的测井雷达系统往往重量较大，使用极其不方便，而超长的电缆在重力作用下难免出现线缆故障，这就需要检测装置实时监视电缆状态。

4、现有技术中存在采用tdr(time delay reflectometry，时域反射法)进行电缆检测，tdr也被称为低压脉冲反射法，属于行波法中的一种。时域反射法的测试信号为低压脉冲，测试信号从单端输入电缆遇到阻抗匹配点被反射回来。虽然时域反射法技术应用成熟，但其局限性也非常显著。首要问题就是在多阻抗不匹配点以及在电缆复杂噪声干扰下，难以识别反射信号。其次，在于发射的高速脉冲信号对井中电缆中的信号有干扰，用tdr检测时，井中设备必须停止运行才能进行电缆的检测，必然导致遗漏井中地层的关键信息，频繁关断电的情况下，可能耽误测井工程的进度安排。同时该方法存在测量盲区。当故障发生在测量端附近时，入射信号与反射信号会重叠，导致无法识别出反射信号。

5、测井电缆故障的带电检测，一方面要求不影响井中设备的正常工作，另一方面能够检测到难以排查的间歇性故障。通过检测电缆运行状态，可实时检测电缆的工作情况，及故障类型。因此，tdr并不适用于井中电缆检测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于sstdr的井中电缆监测系统及其监测方法，实现了对井中电缆分布参数以及故障的实时监测，同时极大地降低了电缆中信号的损失度。

2、本发明采取如下技术方案实现上述目的，一种基于sstdr的井中电缆监测系统，包括：

3、包括fpga控制模块、通信模块以及阻抗匹配模块，所述fpga控制模块用于生成检测信号，通过通信模块将检测信号输出至被检测电缆获得反射信号，对检测信号与反射信号进行分析，获得被检测电缆阻抗以及故障信息，并根据阻抗值调整阻抗匹配模块中的数字电位器，使阻抗处于匹配状态。

4、进一步的是，所述fpga控制模块具体用于通过内部配置的线性移位寄存器生成伪随机序列，通过内部的rom寄存的载波对伪随机序列进行bpsk扩频处理，生成检测信号。

5、进一步的是，所述fpga控制模块包括uart/can串口接收模块、译码模块、编码模块以及阻抗识别模块，所述uart/can串口接收模块用于接收通信指令，所述译码模块用于对接收到井中信号进行译码，对接收到的通信指令进行解析，以及对接收到的井中数据的解码；所述编码模块用于生成井中设备的控制信号；所述阻抗识别模块用于在反射信号回传后，防止电源直通。

6、进一步的是，所述通信模块包括ofdm调制解调模块、ad芯片以及da芯片，所述ofdm调制解调模块用于将指令信号以及伪随机序列进行调制，调制后通过da芯片输出至井中电缆，与井中电缆连接的井中设备将井中电缆的模拟信号转为数字信号，并通过自身的ofdm调制解调模块将数字信号进行解调以及进行指令解析，同时，井中设备将探测数据通过自身的ofdm调制解调模块进行调制，调制后通过井中设备的da芯片输出至井中电缆，通信模块的ad芯片将电缆中的模拟信号转为数字信号，并将该数字信号输出至通信模块的ofdm调制解调模块进行解调，解调后传输至fpga控制模块以及与fpga控制模块连接的上位机。

7、进一步的是，所述阻抗匹配模块用于将获得的被检测电缆阻值传输至数字电位器中，数字电位器调整系统终端阻抗，使电缆中信号损失度降到最低。

8、一种基于sstdr的井中电缆监测方法，所述方法包括：

9、通过fpga控制模块生成检测信号，通过通信模块将检测信号输出至被检测电缆获得反射信号，对检测信号与反射信号进行分析，获得被检测电缆阻抗以及故障信息，并根据阻抗值调整阻抗匹配模块中的数字电位器，使阻抗处于匹配状态。

10、进一步的是，通过fpga控制模块生成检测信号的方法具体包括：

11、通过fpga控制模块内部配置的线性移位寄存器生成伪随机序列；

12、通过fpga控制模块内部的rom寄存的载波对伪随机序列进行bpsk扩频处理，生成检测信号。

13、进一步的是，该方法还包括获取井中数据，所述获取井中数据具体包括：

14、通过通信模块的ofdm调制解调模块将指令信号以及伪随机序列进行调制，调制后通过通信模块的da芯片输出至井中电缆，与井中电缆连接的井中设备将井中电缆的模拟信号转为数字信号，并通过自身的ofdm调制解调模块将数字信号进行解调以及进行指令解析；同时，井中设备将探测数据通过自身的ofdm调制解调模块进行调制，调制后通过井中设备的da芯片输出至井中电缆，通信模块的ad芯片将电缆中的模拟信号转为数字信号，并将该数字信号输出至通信模块的ofdm调制解调模块进行解调，解调后传输至fpga控制模块以及与fpga控制模块连接的上位机。

15、进一步的是，对检测信号与反射信号进行分析，获得被检测电缆阻抗z0的计算方式如下：

16、

17、其中r12为参考信号x1(t)与反射信号x2(t)的互相关峰值，rss为参考信号的自相关峰值,zl为电缆的特征阻抗。

18、进一步的是，对检测信号与反射信号进行分析，获得被检测电缆故障信息的方法包括：根据反射信号的延迟特性来定位故障距离，通过反射信号的幅值特性来识别故障类型。

19、进一步的是，该方法还包括井中设备初始化与通信建立，井中设备初始化：在井中设备启动阶段，地面机箱开启之前，根据电缆分压情况，手动控制电位器在区间调整输出电压，地面系统设备开启后，通过井中电缆输送电力与设备指令，等待井中设备初始化完成；

20、通信建立：井中设备初始化完成后，接收来自地面监测系统的设备指令，并返还指令与井中数据，经过握手确认机制后建立监测系统与井中设备的通信。

21、本发明的有益效果为：

22、1、基于sstdr进行检测，对于难以检测的间歇性故障，能够快速定位故障点，有较好的故障检测能力，能够实现井中设备与检测系统同时运行；

23、2、sstdr方法所发射的伪随机序列具有白噪声均值为零的特性，不会干扰电缆中传输的工作信号，而且其能够免疫大部分电缆中的噪声，因此具备不干扰井中设备正常工作信号的情况下对电缆进行可靠检测的能力；

24、3、sstdr方法是单端检测技术，很好的规避了传统检测方法需要构建在万米级电缆的两端的难题，只需通过始端或终端进行检测就可以监测电缆状态；

25、4、通过改变发射伪随机序列的方式，弥补了传统测井工程中对电缆监测的空缺，同时保证了该方法不会影响测井工程的效率；

26、5、本发明应用领域属于测井工程，比起常规的电力线通信，该技术手段在井中简单的电缆网络中有更精准的检测结果，能够有效保障石油以及煤矿等能源勘探工程的效率以及安全。