一种海底装备远程控制系统通讯信号传递优化算法

本发明涉及海底油气勘探与开发的通讯，具体涉及了一种海底装备远程控制系统通讯信号传递优化算法。

背景技术：

1、在海底油气开发中，采用控制柱与地面设备之间的通讯传输，管柱通讯系统是一种在石油钻井作业中使用的通讯设备，其作用是实现钻井现场的实时监控、数据传输和跟踪井内设备。它是一种通过无线电波或有线传输方式，将位于井口下方的测量仪器的数据传输至地面上的控制中心的系统。

2、然而，传统的海底装备通讯系统在面对海底复杂环境和高噪声干扰时，常常面临数据传输速率低、抗干扰能力差和通信可靠性不高的问题。目前海底油气开发现场已存在一些海底装备通讯系统，其中一些系统使用频分多址(frequency division multipleaccess，fdma)或时分多路复用(time division multiplexing，tdm)来提高数据传输速率。然而，这些系统由于对频谱资源的利用不充分或者时间资源的分配不合理，在数据传输效率和能耗方面仍然存在局限。

3、因此，需要一种能实现海底装备稳定通信的通讯系统，可以根据现场生产实际环境来进行精细调控，同时，在信号传输过程中能提高声波信号的质量和可靠性，保证通讯的快速性和稳定性。

4、所发明的一种海底装备远程控制系统通讯信号传递优化算法需满足以下需求：

5、1.需要在海底装备通讯系统中加入一种改进的通讯算法，声波通讯信号在通过声波进行传递的过程中，声波信号容易发生衰减和失真。

6、2.需要在海底装备通讯系统中加入一种改进的通讯算法，声波通讯信号在海底的传输速率较慢，无法保证信息传递的实时性与及时性。

7、3.需要在海底装备通讯系统中加入一种改进的通讯算法，声波通讯信号在传输过程中，其传输数据的带宽有限，从而导致整体的数据传输效率不高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前尚未存在一套完整的适用于海底装备远程控制系统的通讯信号传递算法，其均表现为智能化程度较低且缺少自适应调节的需求，提出了一种海底装备远程控制系统通讯信号传递优化算法，以解决上述问题。通过加入自适应均衡算法(lms)，可以消除信道引起的失真和频率的衰减，延长传播距离，提高声波信号的质量和可靠性；通过加入自适应差分相位调制码元间隔算法(dpsk)，根据信道质量和传输距离的变化，动态自适应调整码元间隔，提高了数据传输速率，保证了整个系统通讯的实时性；通过加入正交振幅调制算法(qam)，增加调制阶数，将更多的比特映射到每个符号上，优化信号传递过程中的带宽，从而提高传输速率和频谱效率。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种海底装备远程控制系统通讯信号传递优化算法，其特征在于，方法步骤包括：

4、ⅰlms算法改进声波信号的衰减和失真：

5、s1：声波信号采集

6、采集原始海底装备通讯系统传输的声波信号，将其作为输入信号，用于后续处理，在该过程中，需要对信号进行处理，具体的，在本实施案例中，预处理算法公式如下：

7、低通滤波：

8、低通滤波即将信号中高于一定频率的部分滤除，保留低频成分。该表示通过对输入信号x(n)和滤波器响应h(k)进行卷积，得到输出信号y(n)。滤波器响应h(k)的定义决定了滤波器的特性。

9、高通滤波：

10、高通滤波将信号中低于一定频率的部分滤除，保留高频成分。该公式表示通过对输入信号x(n)和滤波器响应h(k)进行卷积，得到输出信号y(n)。滤波器响应的h(k)定义决定了滤波器的特性。

11、中值滤波：y(n)＝median{x(n-k),x(n),x(n+k)}

12、中值滤波将输出信号设置为领域内输入信号的中值，用于去除信号中的脉冲噪声。该公式表示选择输入信号x(n-k)、x(n)、x(n+k)的中值作为输出信号y(n)。

13、s2：系统模型建立

14、建立海底装备通讯系统的传输模型，包括信道传输函数和滤波器的参数，信道传递函数如下所示：

15、

16、其中，h(f)是频域传输函数，表示信道在不同频率f上的响应；

17、a(f)是幅度响应，表示信道在不同频率f上的增益或衰减；

18、是相位响应，表示信道在不同频率f上的相位延迟。

19、s3：误差计算

20、将输入信号通过系统模型进行传输，得到输出信号。然后，将输出信号与期望信号进行比较，计算它们之间的误差。通过计算预测值与实际值之间的差异来更新权值系数。误差计算使用的算法是均方误差(mse)，公式如下：

21、e(n)＝d(n)-y(n)

22、其中，e(n)表示当前时刻的误差，d(n)表示实际值。

23、s4：系统参数更新

24、根据lms算法的原理，通过使用误差信号和输入信号的乘积，对系统模型的参数进行更新。具体地，每当有新的海底装备通讯信号作为输入信号进入系统时，根据lms算法公式更新参数，使得误差最小化。

25、lms算法的权值系数更新算法公式如下：

26、w(n+1)＝w(n)+μ*e(n)*x(n)

27、w(n)是当前时刻的权值系数向量；

28、w(n+1)是下一时刻的权值系数向量；

29、μ是步长或学习率，用于控制权值系数的调整速度；

30、e(n)是当前时刻的误差，计算公式为e(n)＝d(n)-y(n)，其中d(n)是实际值，y(n)是预测值，x(n)是输入信号向量；

31、s5：重复迭代

32、重复进行上述步骤3和4，直至达到海底装备通讯系统预设的误差收敛条件以及所规定的迭代次数。

33、通过以上步骤，将lms算法加入到海底装备通讯系统的信号传输过程中，可以消除信道引起的失真和频率的衰减，延长传播距离，提高声波信号的质量和可靠性。

34、ⅱdpsk算法改进声波信号的传输速率：

35、s1：声波信号分段

36、将声波信号转换后的数字信号分成多个离散的块或帧。根据海底油气开采现场环境的需要来具体确定数据包的大小。

37、s2：声波信号编码

38、对每个块或帧使用dpsk编码。dpsk编码是一种相位调制技术，通过改变相邻块之间的相位差来表示不同的符号和数据。

39、基于dpsk进行编码，其用于二进制数据，相邻模块之间的相位差可以通过以下公式计算：

40、φ(k)＝φ(k-1)+(m×δ)

41、其中，φ(k)是第k个模块的相位，m是当前的二进制数据(0或者1)，δ是相位差的单位变化量。

42、s3：声波信号相位差调制

43、调制声波信号的相位差，接收到的相对相位差δθ(n)与一个参考相位值进行比较，从而解调出比特值；

44、在dpsk算法中，根据接收到的信号质量，可以通过自适应调整码元间的时隔来提高传输性能，自适应码元间隔算法公式为：

45、

46、公式中，δt表示码元间隔的调整量，α是一个可调参数，ec表示理想接收能量，es表示实际接收能量；

47、s4：码元间隔的优化

48、通过改变相位差的单位变化量，可以改变相邻块或帧之间的相位差，从而改变码元之间的间隔。

49、以上算法通过对码元间隔进行优化，提高了数据传输速率，保证了整个系统通讯的实时性。

50、ⅲqam算法改进声波信号的带宽：

51、s1：选择合适的qam阶数

52、qam算法通过改变相位和幅度的组合来表示一组数据符号。高阶qam可以有效地在有限带宽内传输更多的信息。然而，qam阶数越高，信号容易受到噪声干扰。在本实施例海底装备通讯系统中，选择16-qam阶数。

53、s2：数据映射

54、将位元组映射到相应的qam符号上。在16-qam上，每个符号可以表示四个比特(00,01,10,或11)。将输入的声波信号数据流按照比特组合分为不同的组，并将它们映射到对应的qam符号上。

55、s3：数据调制

56、对分组的数据符号进行正交调制。在qam中，信号的实部和虚部分别调制到两个正交的载波信号上。通过改变幅度和相位，可以用这两个正交信号表示不同的qam符号。

57、s4：数据解码和恢复

58、将解调后的信号映射回原始的比特组合，从而实现数据的恢复。

59、通过以上步骤，qam算法可以优化海底装备通讯系统声波信号的带宽，提高传输效率以及准确获取钻井过程中的实时信息。

60、采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

61、1.本发明通过加入lms算法，声波通讯信号在通过声波进行传递的过程中，避免了声波信号的衰减和失真，利用观测信号和已知的发射信号之间的差异来调整均衡器的系数，以使接收信号尽可能接近原始信号。通过这种自适应均衡算法，可以消除信道引起的失真和频率的衰减，延长传播距离，提高声波信号的质量和可靠性。

62、2.本发明通过加入dpsk算法，解决了声波通讯信号在海底的传输速率较慢，保证了信息传递的实时性与及时性，其根据信道质量和传输距离的变化，动态自适应调整码元间隔。较好的信道条件和较短的传输距离可以使用较短的码元间隔，而在信道质量较差或传输距离较长时使用较长的码元间隔。这样可以在传输稳定性的前提下，实现更高的传输速率，保证了通讯的实时性与及时性。

63、3.本发明通过加入qam算法，使声波通讯信号在传输过程中，其传输数据的带宽得到了优化，提高了整体的数据传输效率，该算法通过增加调制阶数，可以将更多的比特映射到每个符号上，优化了信号传输过程中的带宽，从而提高传输和频谱效率。