泥浆脉冲信号的解调及解码技术研究

摘要

泥浆脉冲传输技术以其较高的传输速率、可靠性与较广的适用范围成为无线随钻测量系统的重要研究方向，泥浆脉冲信号处理算法是研究泥浆脉冲传输技术必不可少的内容之一。随着钻井技术的发展，井下测控参数日益增加，对井下数据传输速率提出了更高的要求，现有的泥浆脉冲信号处理算法已无法完全满足应用需求。因此，本文深入研究了泥浆脉冲信号的处理算法，针对正脉冲信号和连续波脉冲信号分别提出了一套完整、高效实用的信号处理流程，并完成了以下各项工作。 首先，针对PLM编码调制的正脉冲信号以及FSK调制的连续波脉冲信号的去噪和基线校正等问题，研究了应用于泥浆脉冲信号的多种滤波算法、基线漂移问题处理算法和互相关检测算法。从理论分析和实际信号处理两方面考虑，确定选用Butterworth滤波算法、差分处理和自适应互相关对正脉冲信号进行处理；选用Butterworth滤波算法和互相关对连续波信号进行处理。 其次，基于企业合作项目，设计了地面泥浆正脉冲信号解调解码系统。解码系统的软件部分包含解码软件、仿真信号生成工具、频谱分析工具和井深跟踪软件。解码软件基于LabVIEW开发，包括信号采集与存储、虚拟串口通信、信号解调解码处理和异常处理等功能。现场应用结果表明，解码系统能够实现在线实时解码和离线解码，还原井下测量数据。目前，本系统已成功应用于实际钻井现场。 最后，为验证信号处理算法的可靠性，开展了基于连续波脉冲发生器的水力循环实验，实验循环生成扫频信号和FSK调制信号。采用选定的连续波信号处理算法对实验数据中的FSK调制信号进行解调处理，处理结果表明，本文设计的解调方案是合理有效的，为下一步的工作奠定了良好的基础。

目录

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第1章 引言

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 随钻信号传输技术

1.2.2 泥浆脉冲信号处理方法

1.3 研究意义和研究内容

1.4 本章小结

第2章 泥浆脉冲发生器的基本原理

2.1 正脉冲发生器工作原理

2.2 连续波脉冲发生器工作原理

2.3 正脉冲的编码调制技术

2.3.1 PLM常规编码方式

2.3.2 PLM扩展型编码方式

2.4 连续波的编码调制技术

2.5 本章小结

第3章 泥浆脉冲信号的解调解码

3.1 地面泥浆脉冲信号特性分析

3.1.1 泥浆正脉冲信号特性分析

3.1.2 连续波泥浆脉冲信号特性分析

3.2 信号滤波方法

3.2.1 IIR-Butterworth滤波

3.2.2 FIR加窗滤波

3.2.3 滤波效果的对比分析

3.3 基线漂移问题处理方法

3.3.1 差分处理法

3.3.2 包络检波法

3.4 互相关检测方法

3.4.1 互相关法

3.4.2 滑动时间窗法

3.4.3 自适应互相关法

3.5 信号解调解码处理

(1) 正脉冲信号解调解码

(2) 连续波脉冲信号解调解码

3.6 本章小结

第4章 泥浆正脉冲信号解调解码系统设计与应用

4.1 解调解码系统的整体框架

4.2 解调解码软件设计

4.2.1 软件总体结构设计

4.2.2 信号采集与存储功能设计

4.2.3 虚拟串口通信功能设计

4.2.4 信号处理算法设计

4.2.5 容错纠错机制设计

4.3 仿真信号生成工具设计

4.3.1 上位机软件设计

4.3.2 下位机软件设计

4.4 频谱特性分析工具设计

4.5 井深跟踪软件设计

(1) 井深标定

(2) 井深跟踪

4.6 正脉冲信号解码软件应用

4.6.1 实际应用环境

4.6.2 软件处理过程

4.6.3 应用测试结果

4.7 本章小结

第5章 基于连续波脉冲发生器的水力循环实验

5.1 水力循环实验系统

5.2 水力循环实验方案设计

5.3 水力循环实验过程与结果分析

(1) 实验过程

(2) 实验结果

(3) 扫频信号分析

(4) FSK 调频信号处理

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢