一种随钻测量MWD系统载波畸变补偿方法

一种随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法
技术领域
1.本技术涉及通信领域，更具体地，涉及一种随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法。


背景技术：

2.近年来，为了进一步提高钻井效率，随钻测量（measure while drilling，mwd）系统所需传输的定向、地层特性和钻井参数等实时测井信息呈现爆炸式增长，传统正、负脉冲传输系统的低传输速率已成为制约随钻测量mwd发展的瓶颈问题。为了满足日益增加的信息量的需求，学界提出了利用剪切阀实现泥浆连续波的技术，提高了随钻测量mwd系统的数据传输速率，并逐渐成为一种很有前途的技术。
3.随钻测量mwd泥浆连续波系统通过电机转子的连续运动实现对泥浆的截流效果，形成连续压力波。电机旋转阀转子的摆动频率最大可以达到40hz，并运用ook、fsk、psk等各种调制方式进行载波调制，从而可实现传输速率40bps。相比于正、负脉冲传输系统的最大传输速率5bps，随钻测量mwd泥浆连续波系统更能满足日益增长的井下数据传输需求。
4.在随钻测量mwd泥浆连续波系统中，如何实现预期泥浆压力波波动波形是保障该系统高速传输的重要技术之一。目前，随钻测量mwd泥浆连续波系统通过发送拟正弦波来实现数字信号的实时传输。
5.在实际应用中，由于泥浆连续波系统的载波畸变，从而导致了系统的误码率远高于传统以电磁波为载体的通信系统，从而导致泥浆连续波系统的抗噪能力差、传输深度浅等问题，上述缺点制约了随钻测量mwd泥浆连续波系统的使用和发展。


技术实现要素：

6.本技术提出了一种随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法，该方法利用泥浆连续波信号的产生原理，设计井下给定转子速度方程，使得生成的泥浆连续波压力波形畸变减小，降低了随钻测量mwd系统的误码率，从而实现抗噪能力和传输深度的提升。进一步的，受到井下硬件系统计算复杂度的制约，本技术提出可以在地面接收端进行泥浆连续波载波畸变补偿，实现了在不增加井下硬件系统复杂度的情况下，误码率的改善。
7.本技术提供了一种随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法，包括：
8.在井下，按照传输数据对载波进行调制，得到待传输的泥浆连续波信号；
9.待传输的泥浆连续波信号经泥浆连续波信道传输至地面；
10.在地面对接收到的压力信号进行降噪处理，获得降噪后的泥浆连续波信号；
11.对降噪后的泥浆连续波信号进行后续处理，获得最终的传输数据；
12.其中，在调制载波之前对载波进行井下畸变补偿，或在对降噪后的泥浆连续波信号进行后续处理之前对降噪后的泥浆连续波信号进行地面畸变补偿。
13.优选地，通过对载波的波形进行校正实现井下畸变补偿。
14.优选地，通过对脉冲器的转子转动速度的控制信号进行校正实现载波的波形的校正。
15.优选地，通过对降噪后的泥浆连续波信号的倒数进行开方实现地面畸变补偿。
16.优选地，对接收到的压力信号进行降噪处理，获得降噪后的泥浆连续波信号，具体包括：
17.通过泵冲传感器学习泵的噪声频率，生成重构泵噪波形；
18.在压力信号中减去重构泵噪波形，获得降噪后的泥浆连续波信号。
19.优选地，对接收到的压力信号进行降噪处理还包括对马达产生的噪声的消除。
20.优选地，后续处理包括地面上的匹配滤波、地面同步、地面均衡、地面解调与解码。
21.优选地，地面均衡包括：
22.利用固定码字对判决反馈均衡器进行训练，获得均衡系数；
23.通过递推最小二乘法或最小均方算法调整均衡系数，实现自适应均衡。
24.优选地，采用相干解调或非相干解调的方式实现解调。
25.优选地，采用硬判决的译码方式实现解码。
26.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
27.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
28.图1为本技术提供的随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法的第一实施例的流程图；
29.图2为随钻测量mwd的泥浆连续波系统的脉冲器的转子结构示意图；
30.图3为现有技术中随钻测量mwd的泥浆连续波系统输出载波信号的波形图；
31.图4为现有技术中随钻测量mwd的泥浆连续波系统经bpsk调制后的波形图；
32.图5为现有技术中随钻测量mwd的泥浆连续波系统的bpsk误码率；
33.图6为本技术提供的随钻测量mwd的泥浆连续波系统井下畸变补偿后的输出载波信号的波形图；
34.图7为本技术提供的随钻测量mwd的泥浆连续波系统经井下畸变补偿后的bpsk调制波形图；
35.图8为本技术提供的随钻测量mwd的泥浆连续波系统经井下畸变补偿后的bpsk误码率；
36.图9为本技术提供的随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法的第二实施例的流程图；
37.图10为本技术提供的随钻测量mwd的泥浆连续波系统经地面畸变补偿后的bpsk误码率。
具体实施方式
38.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
39.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
40.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
41.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
42.随钻测量mwd的泥浆连续波系统分为井下部分和地面部分，井下部分主要包括连续波发生器（具体为脉冲器）、电机驱动板、姿态测量探管、井下中控单元和电源等模块；地面部分主要包括地面压力传感器、地面数据处理单元、译码单元和控制单元等模块组成。井下部分通过控制泥浆（钻井液）的压力生成预期的泥浆连续波信号，该泥浆连续波信号通过泥浆传输至地面，地面部分对地面压力传感器接收到的压力信号进行数据处理，随后通过解码还原发送数据。
43.本技术提供一种随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法，通过在井下调制之前或在地面进行信号处理时进行波形畸变补偿，以提高泥浆压力波的载波精度，从而降低随钻mwd泥浆连续波系统的误码率，从而实现抗噪能力和传输深度的提升。
44.实施例一
45.如图1所示，本技术提供的随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法包括：
46.s110：在井下，首先进行载波的井下畸变补偿控制随后按照传输数据对载波进行调制，得到待传输的泥浆连续波信号。
47.具体地，在井下，井下中控单元将设置的编码方式、帧结构、数据速率等信息发送给电机驱动板，电机驱动板采用预设的井下畸变补偿策略产生对脉冲器的定子、转子两端的压力差控制信号，经调制后产生预期的调制波形。
48.作为一个实施例，可以采用幅移键控（amplitude shift keying，ask）、频移键控（frequency shift keying，fsk）以及相移键控（phase shift keying，psk）等方式调制波形。
49.如下以二进制相移键控（binary phase shift keying，bpsk）调制为例对井下畸变补偿做详细说明。
50.理论上，bpsk调制系统中，调制信号表示为：
[0051][0052]
其中，表示传输数据（0码字或者1码字），表示载波，为标准正弦波。
[0053]
在随钻测量mwd的泥浆连续波系统中，脉冲器的转子的结构如图2所示，其中， 、和为定子特征半径，单位为；为转子叶片的夹角，单位为度（
°
）。
[0054]
现有技术中，通过脉冲器的转子和定子之间缝隙的流体流量可以表示为：
[0055]
[0056]
其中， 为流量系数，为孔隙面积，为通过缝隙的流量，为液体的密度，为空隙两边的压力差，即脉冲器输出的压力信号。通过上式可得：
[0057][0058]
按照图2所示的脉冲器的转子示意图可得流体能够流通的最大面积为：
[0059][0060]
其中，为转子外环与钻杆内壁间隙宽度，单位为。
[0061]
脉冲器运行时，流通面积为：
[0062][0063]
其中，为脉冲器的转子转动的角速度，单位为，可表示为：
[0064][0065]
其中，为转子的转动频率，单位为；为转子转动速度的控制信号（下称给定信号）。
[0066]
因此，脉冲器运行时的流通面积为：
[0067][0068]
从上述公式可以得出，脉冲器输出的压力信号 与给定信号的关系如下：
[0069][0070]
从上述公式可以看出，现有技术中，压力信号与给定信号呈非线性关系。当输入信号为正弦信号时，脉冲器的输出压力信号（即载波）如图3的实线所示。
[0071]
从图3可以看出，脉冲器的输出波形产生了非线性畸变，这会使得随钻测量mwd的泥浆连续载波不为正弦波。
[0072]
采用bpsk调制时，随钻测量mwd的泥浆连续波系统的发送波形（即bpsk调制后的波形）如图4所示。相比于传统的bpsk，采用泥浆为载体调制时，信号的相位必须连续，因此需要有一个过渡周期，从而导致系统性能的损失。
[0073]
此外，由于输出波形波产生了非线性畸变，并不是标准的正弦波，会使得在同样的信噪比下，系统误码率发生恶化，该非线性对传输性能的影响如图5所示。需要说明的是，图5中，理论误码率是将标准正弦波作为载波进行公式推导得到的误码率曲线，因此图中理论误码率与采用标准正弦作为载波的仿真误码率曲线基本重合。
[0074]
基于上述说明，本实施例中，在对载波进行调制之前，通过对载波的波形进行校正
实现井下畸变补偿，以减小畸变，使得脉冲器的输出波形更接近正弦波。
[0075]
具体地，通过对脉冲器的转子转动速度的控制信号（即给定信号）的校正实现载波的波形的校正，以得到畸变补偿后的载波波形。
[0076]
具体地，为了使得目标压力信号为正弦曲线，需要对给定信号进行畸变补偿，假设该补偿函数为，那么可得目标压力信号为：
[0077]
本实施例中， ，则目标压力信号如下：
[0078][0079]
此时，目标压力信号（即脉冲器的输出压力信号）如图6所示。可以看到，经过井下畸变补偿后的曲线有明显改善，从波形上更接近正弦波。井下畸变补偿后的bpsk调制波形如图7所示。此外，采用经过井下畸变补偿后的泥浆连续载波，会使得在同样的信噪比下，系统误码率有明显改善，井下畸变补偿后的误码率如图8所示。需要说明的是，图8中，理论误码率是将标准正弦波作为载波进行公式推导得到的误码率曲线，因此图中理论误码率与采用标准正弦作为载波的仿真误码率曲线几乎重合。
[0080]
s120：待传输的泥浆连续波信号经泥浆连续波信道传输至地面。
[0081]
泥浆连续波信道对有用信号的影响主要分为衰减和干扰两部分。在随钻测量mwd系统中，随着井深的增加，有用信号幅度的衰减增大，该衰落属于频率选择性衰落。信道衰落和钻杆的弹性性质、泥浆中颗粒间的摩擦、泥浆的压缩系数等有关。受到信道衰落的影响，地面压力传感器收到的有用信号会产生畸变，需要在井上（即地面）通过均衡等手段消除。
[0082]
s130：在地面对接收到的压力信号进行降噪处理，获得降噪后的泥浆连续波信号。
[0083]
随钻测量mwd系统主要受到泵噪、钻头反射、马达噪声等干扰的影响，需要在井上进行数字信号处理以降低干扰对有用信号译码的影响，在地面，随钻测量mwd系统采用数据信号处理的技术对地面压力传感器采集的压力信号进行处理，以消除泵噪和马达噪声对系统的影响。
[0084]
作为一个实施例，消除泵噪包括如下步骤：
[0085]
p1：通过泵冲传感器学习泵的噪声频率，生成泵噪重构波形。
[0086]
p2：在压力信号中减去泵噪重构波形，获得降噪后的泥浆连续波信号。
[0087]
s140：对降噪后的泥浆连续波信号进行后续处理，获得最终的传输数据。具体地，后续处理包括地面上的匹配滤波、地面同步、地面均衡、地面解调与解码。
[0088]
作为一个实施例，匹配滤波具体包括：
[0089]
q1：按照本地载波的第一相位的波形对降噪后的泥浆连续波信号进行滤波处理，获得第一滤波后波形。
[0090]
q2：按照本地载波的第二相位的波形对降噪后的泥浆连续波信号进行滤波处理，获得第二滤波后波形。
[0091]
q3：将第一滤波后波形和第二滤波后波形叠加，获得最终的滤波后波形。
[0092]
在地面同步过程中，将最终的滤波后波形通过本地同步训练码字进行相关处理。
[0093]
地面均衡中，利用固定码字对均衡器进行训练，得到均衡系数，供数据帧解码使用。其中，均衡器可采用滤波器来实现，通过调整滤波器的参数对信道产生的特性进行校正和补偿，从而减少码间串扰。具体可采用线性均衡器或非线性均衡器实现。
[0094]
作为一个实施例，采用判决反馈均衡器实现地面均衡。具体地，地面均衡包括：
[0095]
r1：利用固定码字对判决反馈均衡器进行训练，获得均衡系数。
[0096]
r2：通过递推最小二乘法（recursive least square，rls）或最小均方算法（least mean square，lms）调整均衡系数，实现自适应均衡。
[0097]
在地面解调与解码时，通过相干解调或非相干解调等方式实现解调，然后通过判决得到01码字，再按照协议约定的编码方式、帧结构组成得到对应的参数数值。
[0098]
作为一个实施例，采用相干解调实现解调，在此基础上，采用硬判决的译码方式实现解码。
[0099]
实施例二
[0100]
图9示出了本技术提供的随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法的另一实施例，其与上述实施例的区别在于：1、取消步骤s110中的井下畸变补偿，电机驱动板采用正弦波作为井下给定信号（请参考公式（8）），完成对脉冲器的定子、转子两端的压力差控制，产生预期的bpsk调制波形。2、在对降噪后的泥浆连续波信号进行后续处理之前，对降噪后的泥浆连续波信号进行地面畸变补偿，对地面畸变补偿后的泥浆连续波信号进行后续处理，获得最终的传输数据。
[0101]
基于上述说明，本实施例中，随钻测量mwd系统载波畸变补偿方法包括：
[0102]
s910：在井下，按照传输数据对载波进行调制，得到待传输的泥浆连续波信号。
[0103]
s920：待传输的泥浆连续波信号经泥浆连续波信道传输至地面。请详见步骤s120。
[0104]
s930：在地面对接收到的压力信号进行降噪处理，获得降噪后的泥浆连续波信号。请详见步骤s130。
[0105]
s940：对降噪后的泥浆连续波信号进行地面畸变补偿，获得地面畸变补偿后的泥浆连续波信号。
[0106]
作为一个实施例，通过对所述降噪后的泥浆连续波信号的倒数进行开方实现地面畸变补偿。
[0107]
具体地，受到井下硬件制约，为了降低井下计算复杂度，在地面接收端进行泥浆连续波载波的畸变补偿，根据上述公式（3），对地面压力传感器接收到的压力信号消噪后获得的泥浆连续波信号进行补偿，得到地面畸变补偿后的泥浆连续波信号：
[0108][0109]
经地面畸变补偿后的误码率如图10所示。从图10可以看出，对比原有泥浆连续波系统的误码率，地面畸变补偿后的误码率有明显减小。
[0110]
s950：对地面畸变补偿后的泥浆连续波信号进行后续处理，获得最终的传输数据。
请参见步骤s140。
[0111]
本技术利用泥浆连续波信号的产生原理，设计井下给定转子速度方程，完成对定子、转子两端的压力差控制，使得生成的泥浆连续波信号的波形畸变减小。另外，受到井下硬件系统的计算复杂度的制约，本技术提出可以在地面接收端进行泥浆连续波信号的畸变补偿，从整体来说，本技术降低了随钻测量mwd系统的误码率，提高了该系统的可靠性。
[0112]
虽然已经通过例子对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。