脉冲位置编解码方式映射模型及效率分析.pdf
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1、综合技术车卫勤等:脉冲位置编解码方式映射模型及效率分析*油气田地面工程 https:/脉冲位置编解码方式映射模型及效率分析*车卫勤1杜晶1郭子枫2赵小勇1傅余1李宝鹏11中国石油渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司2中国石油渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司摘要:随着石油钻井工程各项技术的飞速发展,MWD、LWD 及旋转导向等系统井下测量数据越来越多。为了实现井下测量数据快速有效传输,需优化编码调制方式分析泥浆脉冲信号的解码效率和数据传输速率。通过对比几种常用的编解码方式,可以了解脉冲位置编解码方式的原理、框架结构和编译计算过程。针对此种编码方式,提出了脉冲数K和时间帧数M之间的组合码
2、关系,映射了对应关系的数学模型;并利用数据分析了快型和慢型两种组合方式的差异性,推导了编码效率计算方法;进一步计算分析快型和慢型两种方式的传输速率的差别,最后,通过软件对解码方式进行了实现。关键词:脉冲信号;脉冲位置调制;组合码;映射模型;编码效率Mapping Model and Efficiency Analysis of Pulse Position Encoding and DecodingMethods*CHE Weiqin1,DU Jing1,GUO Zifeng2,ZHAO Xiaoyong1,FU Yu1,LI Baopeng11Directional Well Technic
3、al Service Company of Bohai Drilling Engineering Co.,Ltd.,CNPC2No.4 Drilling Engineering Company of Bohai Drilling Engineering Co.,Ltd.,CNPCAbstract:With the rapid development of oil drilling engineering technologies,the downhole mea-surement data of MWD,LWD,and rotary steering systems are increasin
4、g.In order to achieve a fastand effective transmission of downhole measurement data,it is necessary to optimize the encoding andmodulation method to analyze the decoding efficiency and data transmission rate of mud pulse signals.This article compares several commonly used encoding and decoding metho
5、ds,and focuses on intro-ducing the principle,frame structure,and calculation process of the pulse position encoding method.Acombination code relationship between pulse number K and time frame number M is proposed for thisencoding method,and a mathematical model of the corresponding relationship is m
6、apped.The differ-ences between the combination methods of the fast and slow modes are analyzed using data,and thecalculation method for encoding efficiency is derived.Further calculation and analysis are conducted onthe difference in transmission rates between fast and slow modes.Finally,the decodin
7、g method is imple-mented through software.Keywords:pulse signal;pulse position modulation;combination code;mapping model;coding rate随着各种无线随钻测量系统的发展,井下传感器数据及采集数据量的增加,需要应用更高效的井下数据编码方式,提高井下仪器数据传输能力1。目前脉冲信号的传输方式主要有电磁波、声波和钻井液脉冲,其中钻井液脉冲传输方式应用最为广泛。钻井液脉冲传输方式是通过一串预先编码的命令和受时间控制的泥浆脉冲信号对井下仪器测量参数进行传输的技术。泥浆脉冲无线随钻
8、测量系统的DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.02.014*基金论文:渤海钻探工程有限公司科技项目“随钻数据高速传输系统研制”(2013ZD01K);渤海钻探工程有限公司科技项目“基于调相方式的编解码方法研究”(2017Z30Y)联合资助。78第 43卷第 2期(2024-02)油气田地面工程 https:/综合技术高速发展对井下数据的传输和编解码技术提出了更高的要求。井下数据编码方式有很多种,现广泛使用的编码方式包括曼彻斯特码、脉冲时间间隔调制编码和脉冲位置调制编码等2,其中脉冲位置调制编码技术使用最为广泛,但是,这种编码方式传输效率较低,且缺少对传输速率和编
9、码效率的综合计算,现场使用时无法根据实际情况选择更适合的传输方式。因此,有必要从设计原理和框架方面出发,对脉冲位置调制编码方式进行分析,推算映射的数学模型并根据模型计算不同组合形式下的编码效率和传输速率,现场使用时可综合考虑选择更优化的组合形式。1泥浆脉冲信号编解码技术简介在随钻测量系统设计时,测量参数的无线传输编解码方式是关键技术之一。需对测量的数据进行压缩提高数据的传输速率,压缩过程可针对不同精度要求进行量化去除数据时域冗余;采用编码技术对压缩后的数据进行编码,使井下控制系统驱使脉冲发生器动作产生相应的泥浆压力变化脉冲,地面的压力检测设备(如压力传感器、信号采集模块)通过采集、滤波和降噪等
10、技术识别其压力变化,将其传输到地面编译系统进行解码,实现井下测量数据无线传输,其流程如图 1所示3。1.1曼彻斯特码编码方式曼彻斯特码也叫做相位编码,是一种同步时钟编码技术。在这种编码中用电平跳变来表示“0”和“1”,电平由低跳到高代表“0”,由高跳到低代表“1”,时钟同步信号隐藏在数据波形每一位跳变中,中间的跳变既作为时钟信号又作为数据信号4。在编解码过程中,井下测量参数分别以 513个位数的格式组成字符串,前几位为数据字符,最后一位为奇偶校正字符。只有当字符串通过奇偶校正后才能被识别,然后通过解码得到测量数据的物理值5。1.2脉冲时间间隔调制编码方式脉冲时间间隔调制编码是将数据信息调制在每
11、个脉冲上,把该脉冲出现的时间长短作为数据信息进行传输的方法。通常 1 个脉冲代表 1 个十六进制数()0-F,其 具 体 数 值 取 决 于 它 出 现 的 时 间 位置,即取决于它与上一个脉冲之间的间隔时间长短6。图 2 为利用时间间隔编码传输井下测量参数的十六进制数MN的表示方式。其中,TPW表示标准脉冲宽度,TMI表示最小脉冲间隔,TC表示数据编码时间增量,其长短为码元携带的十六进制数据()0-F与 标 准 脉 冲 宽 度 的 乘 积,时 间 增 量TC=()0-F TPW。码元K携带的井下测量数据高位十六进制数为数据M,可以得到两个相邻脉冲之间的时间间隔LK=TMI+TC=TMI+M
12、TPW。码元K+1携带的井下测量数据低位十六进制数N,两个相邻脉冲之间的时间间隔LK+1=TMI+TC=TMI+N TPW7。图 2脉冲时间间隔编码调制Fig.2 Pulse time interval coding modulation1.3脉冲位置编解码方式脉 冲 位 置 编 码 方 式 是 基 于 脉 冲 位 置 调 制(PPM)的一种编码形式。将测量数据调制于脉冲信号之间,以时间帧的方式进行传送。无线随钻测量系统控制脉冲发生器在指定的时间内不同位置产生不同数量的脉冲,位置与数量信息用可直接存储的二进制数据来描述,在实时传输时转换成时间位置编码以适合泥浆压力波的传输。此种编码方式是将一段
13、确定的时间T分为M等份的时间帧,并在图 1无线随钻系统井下数据传输流程Fig.1 Downhole data transmission flow of wireless MWD system79综合技术车卫勤等:脉冲位置编解码方式映射模型及效率分析*油气田地面工程 https:/其中分布K个脉冲信号,其每两个脉冲信号之间的时间间隔是不同的,脉冲信号之间时间间隔的变化代表所测量参数数值的变化。因此,每个脉冲与其前一个脉冲的间隔时间可表示多位二进制数。根据事先约定好的对应方式,来对应一个不同取值的二进制数8。由图 3 可知 5 个脉冲信号在 28 个时间帧中的分布。图中最下方的每个圆圈代表 1个时
14、间帧,共计 28个时间帧,其中 5个绿色圆圈代表脉冲信号所在的时间帧位置。图 3脉冲与时间帧分布Fig.3 Pulse and time frame distribution2脉冲位置编解码方式框架结构2.1定义各种测量参数在这种编码方式中,首先确定井下仪器测量每种数据的名称、量纲、分辨力、十进制数范围、二进制位数、十进制数转换成二进制数的转化系数。其次,对于每种测量数据确定其相应的二进制编码的位数,如工具面用 8位的二进制编码表示,方位角用 11 位二进制编码表示,井斜用 11 位二进制编码表示等。测量数据的二进制编码位数共有 16 种长 度(由1位 到16位),分 别 是21、22、215
15、、216。由表 1 可知几种常见的测量数据定义的量纲、分辨率等参数。从表中可以看出对于不同的测量数据,需根据其分辨率和精度确定不同位数的二进制编码数。2.2定义基本参数脉冲数K和时间帧数M多脉冲信号位置编码设计时需要设计不同脉冲数K与不同的时间帧数M的分布对应码来表示需要对应的二进制数。其主要为两个基本参数脉冲数K和时间帧数M,两脉冲信号之间需至少间隔 2个时间帧且二者须有机结合,所选用的数学模型必须满足所选择的K与M的组合对应码数量大于需要表示的二进制位数的组合数,即脉冲分布对应码2位数。在设计编码方式时脉冲数K由 1 到 6,时间帧个数M由 4 到 36,K脉冲与M时间帧对应码的组合个数覆
16、盖了 1 位到 16 位的二进制编码。每种长度的二进制编码均可找到对应的K脉冲与M时 间 帧 对 应 码9。16 位 的 二 进 制 数 组 合 数 为216=65 536,当选择 5个脉冲数与 36个时间帧数组合时,其组合数为 65 780,大于 16 位的二进制数组合数。所以,当选择适当的脉冲数与时间帧数组合式完全可以覆盖 16位二进制数。2.3定义测量数据串识别码在实时传输时,测量数据经过压缩后以数据串形式通过脉冲发送。同时,需根据不同的工况选择传输特定的数据串格式。如短测量数据串以传输工具面、井斜和方位角为主;长测量数据串除传输工具面、井斜和方位角之外还需要传输井下方向传感器在 X、Y
17、 和 Z 三轴上的分量以及仪器的状态位等。通过定义的测量数据串将多个测量数据编成串,同时标识上识别码。实时传输时通过识别当前传输的数据串识别码可以了解该数据串中包含哪些测量数据,以及这些测量数据的传输的次序。2.4编译过程多脉冲位置编码方式的编译过程是通过特定的计算公式把K脉冲数与时间帧M分布码转换成二表 1常见测量参数的定义Tab.1 Definition of common measurement parameters测量参数方位角 AZ井斜 INC工具面 TFGX、GY、GZBX、BY、BZ重力和 GT磁场强度 BT磁倾角 DIP电阻率 R自然伽马 r范围及量刚036001800360-
18、1 1001 100 mg-68 00068 000 nT0.936 51.063 536 00067 750 nT070-二进制位数及范围11 bits(02 047)11 bits(02 047)8 bits(0255)12 bits(04 095)12 bits(04 095)8 bits(0255)8 bits(0255)8 bits(0255)8 bits(0255)8 bits(0255)组合码数4 in 254 in 253 in 175 in 263 in 173 in 173 in 173 in 173 in 193 in 19分辨力0.17578/bit0.08789/bi
19、t1.40625/bit0.53724 mg/bit28.125 nT/bit0.001/bit250 nT/bit0.5512/bit-80第 43卷第 2期(2024-02)油气田地面工程 https:/综合技术进制数;再通过二进制与十进制之间的转换方式将其转换为十进制数;最后,将十进制数乘以对应测量参数的分辨力,即可得到测量数据的真实值。通过前文可知工具面数据由 8位二进制数表示,假设测量所得工具面数值根据分布码转换成二进制数为10 000 101,其转换为十进制数值为 27+22+20=133。根据上文表1中可以查到工具面的分辨力为1.406 25,工具面的真实测量值为 1331.40
20、6 25=187.031 25187.03 deg。上述编译方式适用于脉冲位置解码方式测量所得数据的计算10-12。3脉冲位置编解码方式数学模型3.1脉冲与时间帧组合对应映射模型多脉冲信号位置分布编码设计需设计不同脉冲数K与不同的时间帧数M的分布对应码来表示对应的二进制数。下文将详述脉冲信号分布的数学模型13。3.1.1脉冲数K=2、时间帧M=11时的对应情况当第 1 个脉冲在第 1 时间帧时,第 2 个脉冲从第 4时间帧向右移动,算上初始位置最大移动数有6种位置。当第 1个脉冲移到第 2时间帧时,则第 2个脉冲移动的次数比上次减少了 1,依次类推可以得 出 脉 冲 数K=2,时 间 帧M=1
21、1,对 应 码 个数T112=()6+5+4+3+2+1=i=111-5i=21。推广到脉冲数K=2,时间帧数为M脉冲数模型中:令第 1 个脉冲在第 1 时间帧时,第 2 个脉冲从第 4时间帧开始,对于M个时间帧则有效帧数为M-2个,则对应码可移动的次数Q2如公式(1)和(2)所示:Q2=()M-2-3()K-1+1+1=M-3K+1(1)脉冲数K=2时间帧数M编码组合数写成通用表达式:TQ22=i=1M-3K+1i=i=1M-3 2+1i=i=1M-5i(2)3.1.2脉冲数K=3、时间帧M=12时的组合码相对于两个脉冲的情况,K=3情况时,组合数的确定略微复杂一些,但是方法类似:首先第 1
22、、第 2 个脉冲不动只是第 3 个脉冲移动。当第 1 个脉冲在第 1时间帧及第 2个脉冲在第 4时间帧时第 3个脉冲移动数加上初始位置Q3=12-9;当第 1 个脉冲不动时第 2 个脉冲移到第 5 时间帧时,则第 3 个脉冲移动的次数比上次减少了 1 有 3 种位置。依次类推脉冲数K=3,时间帧M=12时,组合码个数为 20。通过脉冲数K=3,时间帧M=12数学模型,推广到脉冲数K=3时间帧M模型中,根据公式(1)得出组合码个数表达式:Q3=()M-2-3()K-1+1+1=M-3K+1(3)脉冲数K为 3,时间帧为M的编码组合数写成通用的表达式:TQ33=i=11i+i=12i+i=1M-3
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