基于四叶片三角阀型的连续相位相移键控调制方法

摘要

本发明提供了一种基于四叶片三角阀型的连续相位相移键控调制方法，用于连续波泥浆脉冲发生器，启动连续波泥浆脉冲发生器时，控制连续波泥浆脉冲发生器的转子以角速度πf/2转动π/2角位移，从而产生“启动”波；当需要发送码元a时，控制连续波泥浆脉冲发生器的转子先以角速率na转动π/2角位移，再以角速率πf/2转动π/2角位移，其中：

说明书

技术领域

本发明涉及连续波泥浆脉冲调制技术领域，具体而言，涉及一种基于四叶 片三角阀型的连续相位相移键控调制方法。

背景技术

纵观当前随钻测量中应用的井下数据遥测技术，泥浆脉冲传输、特别是连 续波泥浆脉冲传输以其传输速率较高，抗干扰能力强，成为应用前景广阔、发 展潜力极大的数据传输方式。为了提高压力波信号检测强度，降低检测难度， 通常将连续波脉冲发生单元中的定转子结构设计成特殊的阀口形状，以产生具 有正弦特性的连续泥浆压力波。从井下采集而来的多种随钻测量参数，例如， 井斜、方位、工具面角、地层电阻率、中子密度等，经适当编码成“0”、“1” 数字流后，便要以这些正弦波为载波上传至地面。

频移键控和相移键控是连续波泥浆脉冲传输常用的调制技术。比较而言， 在相同的信噪比环境下，相移键控占用更窄的带宽，可得到更低的码元误码率。 通常，相移键控可分为二进制相移键控(BPSK)和多进制相移键控(MPSK)， 如四进制相移键控(QPSK)和八进制相移键控(OPSK)等。针对泥浆信道的 特殊环境，优先选用BPSK和QPSK。进制越高，数据传输速率越快，但波形 产生越困难，地面检测还原难度越大。用于连续波泥浆脉冲数据传输系统的相 移键控调制技术还有脉宽及脉位调制。对于QPSK脉宽及脉位调制，为准确判 断一个码元，必须对4个参考波周期内的泥浆压力波形进行分析，这在一定程 度上限制了数据传输速率。

中国专利申请公布号CN 103696763A，公布日2014年4月2日，发明创造 的名称为一种基于三角形阀体的连续波发生器转阀，该申请案公开了一种基于 三角阀体的多叶片(叶片缺口由一条圆弧线、一条圆角线和一条径向线段组成) 连续波发生器定转子结构以及优化设计方法，并给出了四叶片三角阀型的实施 例，当转子匀速单方向转动一周时，通过与定子的泥浆节流作用，可以产生4 个连续的高度相似的正弦压力波信号。但该案没有对基于定转子转动关系的信 号调制技术进行相关讨论。

美国专利号8,302,685B2，申请日2009年1月30日，授权日2012年11月 6日，发明创造的名称为泥浆脉冲遥测数据调制技术(Mud Pulse Telemetry Data  Modulation Technique)，该案公开了一种八进制相移键控调制技术方案，采用与 参考信号相同频率f八种不同相位π/8、3π/8、5π/8、7π/8、9π/8、11π/8、13π/8 和15π/8的正弦波，来分别表示数字“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、 “110”和“111”组合信号。但该案没有进一步研究不同相位波形的产生方式， 各个相位间转换规则以及调整波的频率及运行时间特征不得而知。

中国专利申请公布号CN 103179066A，公布日2013年6月26日，发明创 造的名称为多进制相移键控MPSK调制方法、装置和函数信号发生器，该申请 案公开了一种包括映射模块、调制相位转换器、相位累加器、相位加法器、载 波波形存储器和数模变换器等多种电子器件构成的仪器，通过较为复杂的运行 逻辑产生多进制相移键控信号。需要指出的是用于连续波泥浆脉冲数据传输系 统的相移键控调制技术必然有别于类似采用高性能集成芯片实现的信号输出方 法，它是一种纯粹机械式的信号产生方式，其相位变化依赖于转子角速率和角 位移的改变，有着自身的调整规律。

因此，依据定转子转动特征，研究用于连续波泥浆脉冲数据传输系统的连 续相位相移键控、特别是BPSK和QPSK快速调制技术实现方式，以进一步提 高井下数据的传输速率，对于提升随钻测量技术水平具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种能够提高井下数据的传输速率 的用于连续波泥浆脉冲数据传输系统的连续相位相移键控调制方法。

有鉴于此，本发明提供了一种基于四叶片三角阀型的连续相位相移键控调 制方法，用于连续波泥浆脉冲发生器，启动连续波泥浆脉冲发生器时，控制连 续波泥浆脉冲发生器的转子以角速度πf/2转动π/2角位移，从而产生“启动”波； 当需要发送码元a时，控制连续波泥浆脉冲发生器的转子先以角速率n_a转动π/2 角位移，再以角速率πf/2转动π/2角位移，其中：

$n_a=\left(\begin{array}{cc}\frac{{\pi }^{2}f}{2\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}>0\\ \frac{{\pi }^{2}f}{4\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}<0\end{array}\right)$

f为参考波频率，在M进制中，a＇为码元a的前一个码元， 式中a和a＇均以十进制计算，当a或a＇代表“启动”波或“结束”波时其值 为

在该技术方案中，首先确定不同进制相移键控的载波相位与代表码元的一 一对应关系，然后依据转子转速与泥浆压力波形频率的函数方程，通过不断调 整转子运行速率，建立不同相位载波波形的发生条件和各个相位间的转换规则， 最终依据该转换规则，将采集的井下测量数据转换为泥浆脉冲波形，上传至地 面进行解调和还原，以有效地提高井下数据的传输速率。

本发明的有益效果是：提供了一种基于四叶片三角阀型的快速相移键控调 制技术实现方法，为连续波泥浆脉冲发生器快速数据上传提供切实可行的载波 调制方案，具有很大的实用意义。

附图说明

图1为本发明实施例中随钻测量中井下数据向上传输路径框图；

图2为本发明实施例中相移键控调制技术的相位与码元对应关系示意图；

图3为本发明实施例中采用BPSK时的一压力波形示意图；

图4为本发明实施例中采用QPSK时的一压力波形示意图；。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于四叶片三角阀型的快速相移键控调制方法， 在该技术方案中，首先确定不同进制相移键控的载波相位与代表码元的一一对 应关系，然后依据转子转速与泥浆压力波形频率的函数方程，通过不断调整转 子运行速率，建立不同相位载波波形的发生条件和各个相位间的转换规则，将 采集的井下测量数据转换为连续泥浆脉冲波形，上传至地面进行解调和还原， 以有效地提高井下数据的传输速率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

具体而言，如图1所示，井下数据向上传输分为井下数据编码及调制1和 地面数据解调及译码2两大模块。在井下部分，连续波中央控制器12通过CAN 总线将LWD/MWD测量数据11按照相应的精度(位数)读入，经数字编码器 13进行信道编码，而后通过选择的相移键控调制技术14，完成向上传输“0”、 “1”数字的打包，依据数据流与转阀的速率和位置相互关系，利用电机驱动与 反馈控制电路15驱动三角型连续波旋转阀16有规律节流钻铤内泥浆流，将“0”、 “1”转换为泥浆压力波并向上传输；在地面部分，首先对含有有效信息的泥浆 压力波进行信号去噪滤波21转换为可检测的电压波，然后采用与井下调制相对 应的相移键控解调算法22，得到解调后“0”、“1”数字流，而后采用与井下编 码算法相应的译码器23及其检错纠错算法24，最终获得原始的LWD/MWD测 量数据，并显示或存储25。

在四叶片三角阀型中，转子旋转速率n(rad/s)与压力波形频率f的函数关 系可表示为：

$n=\frac{\mathrm{\pi f}}{2}$

对于产生的泥浆压力波形，从码元a对应波形到码元a＇对应波形之间存在 一个“调整”波，“调整”波频率f_a为：

$f_a=\left(\begin{array}{cc}\frac{2\pi f}{2\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}>0\\ \frac{2\pi f}{4\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}<0\end{array}\right)$

其中，Δp＝当前码元a对应波形与参考波的相位差p-码元a的前一个码元a＇ 对应波形与参考波的相位差p＇，即(式中a和a＇均以十进制计算， M为进制)，当码元代表“启动”波或“结束”波时其值(a或a＇)为-1/2。

该“调整”波开始于转阀完全打开，终止于下一次转阀完全打开时，即持 续时间T_a为一个完整周期：

$T_a=\frac{1}{f_a}$

“调整”波期间转子的旋转速率n_a为：

$n_a=\frac{\pi f_a}{2}\left(\begin{array}{cc}\frac{{\pi }^{2}f}{2\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}>0\\ \frac{{\pi }^{2}f}{4\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}<0\end{array}\right)$

令参考波为频率f、初始相位π/2的正弦波，设转子与定子完全打开即压力 最小时为泥浆压力波形记录起点，泥浆压力波形与参考波之间的相位差依据不 同进制的相移键控技术代表不同的码元，不同相位间的转换，通过调整转子单 方向旋转速率来完成。以下具体以BPSK和QPSK为例进行详细说明：

如图2所示，BPSK相位与码元31对应关系为：当泥浆压力波形与参考波 频率f相同，相位相差π/2时，代表码元“0”，相位相差3π/2时，代表码元“1”； 而相位相差0时，代表“启动”或“结束”波。

QPSK相位与码元32对应关系为：当泥浆压力波形与参考波频率f相同， 相位相差π/4时，代表码元“00”，相位相差3π/4时，代表码元“01”；相位相 差5π/4时，代表码元“10”，相位相差7π/4时，代表码元“11”；而相位相差0 时，代表“启动”或“结束”波。

如图3所示，频率为f的标准正弦波形作为相位判别的参考波41。BPSK连 续相位相移键控波形的产生机理如下：在转子和定子完全打开情况下，转子以 πf/2(本申请中角速率单位均为rad/s，以下省略)的角速率绕轴某一方向旋转(以 逆时针为例，下同)，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为f相 位与参考波差为0的“启动”波42，当传输“0”时，转子以2πf/5速率，转动 5/4f s(即转动π/2角位移)，生成一个“调整”波43，然后转子继续以πf/2的角 速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为 f相位与参考波差为π/2的“0”波形44；进而传输“1”时，转子以πf/3速率， 转动3/2f s(即转动π/2角位移)，生成一个“调整”波45，然后转子继续以πf/2 的角速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频 率为f相位与参考波差为3π/2的“1”波形46；此后转子以2πf/5速率，转动5/4f s(即转动π/2角位移)，生成一个“调整”波47，并继续以πf/2的角速率绕轴 逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为f相位与 参考波差为0的“结束”波48。

总之，根据

$n_a=\frac{\pi f_a}{2}\left(\begin{array}{cc}\frac{{\pi }^{2}f}{2\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}>0\\ \frac{{\pi }^{2}f}{4\pi +\mathrm{\Delta p}},& \mathrm{\Delta p}<0\end{array}\right)$

BPSK的所有“调整”波产生规则为：

“启动”→“0”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“启动”→“1”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移；

“0”→“1”：转子以πf/3速率，转动2f/3s时间，行进π/2角位移；

“1”→“0”：转子以πf/3速率，转动2f/3s时间，行进π/2角位移；

“1”→“结束”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“0”→“结束”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移。

如图4所示，频率为f的标准正弦波形作为相位判别的参考波41，QPSK连 续相位相移键控波形的产生机理如下：在转子和定子完全打开情况下，转子以 πf/2的角速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整 的频率为f相位与参考波差为0的“启动”波42，当需要传输“00”，转子以4πf/9 速率，转动9/8f s(即转动π/2角位移)，生成一个“调整”波53，然后转子继 续以πf/2的角速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1 个完整的频率为f相位与参考波差为π/4的“00”波形54；继而传输“01”，转 子以2πf/5速率，转动5/4f s时间(即转动π/2角位移)，生成一个“调整”波55， 然后转子继续以πf/2的角速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2 时，产生1个完整的频率为f相位与参考波差为3π/4的“01”波形56；继而传 输“10”，转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间(即转动π/2角位移)，生成一个 “调整”波57，然后转子继续以πf/2的角速率绕轴逆时针方向旋转，当转动角 位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为f相位与参考波差为5π/4的“10”波 形58；继而传输“11”，转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间(即转动π/2角位移)， 生成一个“调整”波59，然后转子继续以πf/2的角速率绕轴逆时针方向旋转， 当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为f相位与参考波差为7π/4 的“11”波形510；最后码元传输结束，则转子以4πf/9速率，转动9/8f s(即转 动π/2角位移)，生成一个“调整”波511，然后转子继续以πf/2的角速率绕轴 逆时针方向旋转，当转动角位移增量为π/2时，产生1个完整的频率为f相位与 参考波差为0的“结束”波48。

本发明中，QPSK的所有“调整”波产生规则为：

“启动”→“00”：转子以4πf/9速率，转动9/8f s时间，行进π/2角位移；

“启动”→“01”：转子以4πf/11速率，转动11/8f s时间，行进π/2角位移；

“启动”→“10”：转子以4πf/13速率，转动13/8f s时间，行进π/2角位 移；

“启动”→“11”：转子以4πf/15速率，转动15/8f s时间，行进π/2角位 移；

“00”→“01”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“00”→“10”：转子以πf/3速率，转动3/2f s时间，行进π/2角位移；

“00”→“11”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移；

“00”→“结束”：转子以4πf/15速率，转动15/8f s时间，行进π/2角位 移；

“01”→“00”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移；

“01”→“10”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“01”→“11”：转子以πf/3速率，转动3/2f s时间，行进π/2角位移；

“01”→“结束”：转子以4πf/13速率，转动13/8f s时间，行进π/2角位 移；

“10”→“00”：转子以πf/3速率，转动3/2f s时间，行进π/2角位移；

“10”→“01”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移；

“10”→“11”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“10”→“结束”：转子以4πf/11速率，转动11/8f s时间，行进π/2角位 移；

“11”→“00”：转子以2πf/5速率，转动5/4f s时间，行进π/2角位移；

“11”→“01”：转子以πf/3速率，转动3/2f s时间，行进π/2角位移；

“11”→“10”：转子以2πf/7速率，转动7/4f s时间，行进π/2角位移；

“11”→“结束”：转子以4πf/9速率，转动9/8f s时间，行进π/2角位移；

另外，在传输速率满足实际工况要求时，可以多产生几个完整的频率为f、 相位差与参考波为特定数值(例如，π/4，π/2，3π/4等)的波形，以提高地面检 测可靠性，降低解调难度。

本发明提供的基于四叶片三角阀型的用于连续波泥浆脉冲数据传输系统的 具有连续性特征的快速相移键控调制技术实现方法，除了实施例中主要阐述的 BPSK和QPSK外，如果地面解调仪器满足要求，还可稍加拓展为进制更高的八 进制OPSK，甚至十六进制HPSK。

需要指出的是，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术 人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包 括在本发明的范围之内。