一种基于光纤的井下通信系统及方法与流程

1.本发明涉及井下通信技术领域，具体涉及一种基于光纤的井下通信系统及方法。


背景技术：

2.随着技术的发展，为规避地表的环境和社会活动的噪声，越来越多的地震仪器设备通过钻孔安装到井中，而且安装深度越来越深，有些甚至到2000米以上。这样，井下设备(如地震仪器设备)与地面上上位机之间需要一种通讯方式。
3.传统的通讯方式是采用如下方式：传感器在井中，采集器在地表。传感器信号采用模拟传输方式(电压或电流)传输到地表的采集器。但这样的通讯方式只有在浅井(小于300m)可以这样，深井(300米以上)采用这样的通讯方式会带来诸多的问题。例如，长距离传输条件下微弱信号(地动信号非常微弱)容易受干扰。因此，井下通信变成一个亟待解决的重要问题。
4.于是，越来越多的仪器厂商采用数字通讯方式进行深井通讯，将采集器和传感器一起集成到钻孔(井)中,将采集器到的传感器模拟信号转变为数字信号,通过rs485的方式传输到地表。但这种rs485通讯方式存在着很多缺点，缺点如下：1)rs485通讯需占用双绞线资源，每组采集器至少需要1组双绞线(半双工)，如果是全双工通讯，则需要2组双绞线。当井下有多组设备时，需要很多的双绞线资源，对井下线缆来说，无论是工艺还是成本都是巨大挑战；
②
容易被雷击，铜线(双绞线)容易引雷击，尤其是长距离电缆的条件下，对井下设备的可靠性是个大的挑战；
③
传输距离有限(受rs485协议限制，1km以上，在波特率19200bps的速率下，传输比较困难。
④
级联不方便，当有多个井下设备时，因为地球物理场观测对实时传输数据的要求，rs485通讯不方便做级联，只能每个采集器单独占用一组线缆资源，系统比较复杂。


技术实现要素：

5.鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光纤的井下通信系统及方法，解决传统的通讯方式信号容易受干扰或采用rs485通讯时传输距离有限、容易受雷击等问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种基于光纤的井下通信系统，包括：安装在地面上的上位机和主机，以及安装在井下的若干从机和若干井下设备；
8.其中，所述上位机与所述主机通信连接；所述主机与若干从机通过光纤系统形成级联连接；所述从机与所述井下设备电连接；
9.所述主机用于接收所述从机发送的第一光信号，并将接收的第一光信号转为第二电信号发送给上位机；所述主机还用于接收所述上位机发送的第三电信号，将所述第三电信号转为第二光信号，并将所述第二光信号通过光纤系统发送给所述从机；
10.所述从机用于接收所述井下设备发送的第一电信号，将所述第一电信号转为第一
光信号，并将所述第一光信号通过光纤系统发送给所述主机。
11.可选的，所述光纤系统采用光电复合线缆。
12.可选的，所述光电复合线缆包括四芯线，所述四芯线中的两芯线为供电线缆，所述四芯线中的另外两芯线分别用于数据的接收和数据的发送。
13.可选的，所述级联连接方式如下：
14.所述主机的发送端口与第一个从机的接收端口连接，第一个从机的发送端口与所述主机的接收端口连接；第k-1个从机的发送端口与第k个从机的接收端口连接,所述第k个从机的发送端口与第k-1个从机的接收端口连接；k和n均为自然数，2≤k≤n。
15.可选的，所述上位机与所述主机之间的通信采用tcp/ip协议，所述主机与所述从机之间的通信采用tcp/ip协议，所述从机与其他从机之间的通信采用tcp/ip协议。
16.可选的，所述井下设备包括安装在井下的网络模块、采集器和传感器，其中，采集器接收传感器发送的模拟信号，并将接收的模拟信号转为数字信号，再将转为的数字信号通过网络模块发送给从机。
17.可选的，所述主机包括第一光端机，所述从机包括第二光端机。
18.一种基于光纤的井下通信方法，包括以下步骤：
19.接收安装在井下的传感器发送的模拟信号，将接收的模拟信号转为数字信号，再将所述数字信号转为第一光信号；
20.将所述第一光信号通过光纤系统发送至安装在地面上的主机，以使所述主机将所述第一光信号转为第二电信号，并将所述第二电信号发送给上位机；
21.接收主机发送的第二光信号，所述第二光信号由主机根据上位机发送的第三电信号转换得到。
22.一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的基于光纤的井下通信方法。
23.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，实现所述的基于光纤的井下通信方法。
24.本发明通过第一电信号转为第一光信号，再将所述第一光信号通过光纤系统发送给所述主机；所述主机接收所述上位机发送的第三电信号，将所述第三电信号转为第二光信号，再将所述第二光信号通过光纤系统发送给所述从机，实现将传统的电传输(例如铜线或双绞线)改进为光传输(光纤系统)，可不通过rs485协议进行传输，并且光传输只需占用井下线缆的两根光纤，使需占用的线缆资源减少；而且采用光纤传输大大降低了被雷击的风险，并增加了传输距离。
附图说明
25.图1为本发明一实施例提供的一种基于光纤的井下通信系统的示意图；
26.图2为本发明一实施例提供的一种主机与若干从机的级联连接方式的示意图；
27.图3为本发明一实施例提供的一种主机的示意图；
28.图4为本发明一实施例提供的一种井下设备的示意图；
29.图5为本发明的一实施例提供的一种基于光纤的井下通信方法；
30.图6为本发明一实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
31.其中，1、上位机；2、主机；3、从机；4、井下设备；5、网络模块；6、采集器；7、传感器；8、第二供电单元；9、第二光端机；10、第一光端机；11、第一供电单元。
具体实施方式
32.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例：
33.实施例一：
34.请参照图1-6所示，图1示出了本发明的一种基于光纤的井下通信系统，包括：安装在地面上的上位机1和主机2，以及安装在井下的若干从机3和若干井下设备4；
35.其中，所述上位机1与所述主机2通信连接；所述主机2与若干从机3通过光纤系统形成级联连接；所述从机3与所述井下设备4电连接；
36.所述主机2用于接收所述从机3发送的第一光信号，将接收的第一光信号转为第二电信号发送给上位机1，接收所述上位机1发送的第三电信号，并将所述第三电信号转为第二光信号，再将所述第二光信号通过光纤系统发送给所述从机3；
37.所述从机3用于接收所述井下设备4发送的第一电信号，并将所述第一电信号转为第一光信号，再将所述第一光信号通过光纤系统发送给所述主机2。
38.在具体实施中，所述上位机1主要包括软件操作系统、数据处理中心，主要功能是接收数据、处理数据以及操作各种控制指令。井下的数据通过网线由主机2传输过来，走tcp/ip协议。
39.主机2：可采用将光信号转为电信号的光端机模块。
40.从机3：可采用将电信号转为光信号的光端机模块，与多台井下设备4级联在一块，最终通过井下光电复合线缆连接至主机2。在具体实施中，每个从机3可内置在井下设备4里，并且和井下设备4的采集器6、传感器7集成在一起进行实时通讯。
41.需要说明的是，井下线缆和井下设备4的腔体，均为井下耐压设备，可耐水下2000米压力。
42.可选的，所述光纤系统采用光纤环网系统或光电复合线缆。
43.可选的，所述光电复合线缆包括四芯线，所述四芯线中的两芯线为供电线缆，所述四芯线中的另外两芯线分别用于数据的接收和数据的发送。
44.具体的，井下光电复合缆有四芯线，其中两芯线为供电正和供电负，给井下设备4和从机3供电使用；另外两芯线用于数据的发送和数据的接收，实现全双工通讯。
45.可选的，所述主机2与若干从机3通过光纤系统形成级联连接，请参照图2所示，图2示出了本发明所述主机2与若干从机3的一种级联连接方式。其中，所述主机2的发送端口与第一个从机3的接收端口连接，第一个从机3的发送端口与所述主机2的接收端口连接；第一个从机3的发送端口与第二个从机3的接收端口连接，所述第二个从机3的发送端口与所述第一个从机3的接收端口连接；所述第二个从机3的发送端口与第三个从机3的接收端口连接,所述第三个从机3的发送端口与第二从机3的接收端口连接，
…
第k-1个从机3的发送端口与第k个从机3的接收端口连接,所述第k个从机3的发送端口与第k-1个从机3的接收端口
连接，
…
第n-1个从机3的发送端口与第n个从机3的接收端口连接，所述第n个从机3的发送端口与第n-1个从机3的接收端口连接；k和n均为自然数，k小于或等于n。
46.在上述实现过程中，所述主机2与若干从机3通过光纤系统形成级联连接，主机2、从机3和井下设备4之间的组网更方便，可以简单级联，组网更方便，网络节点理论上可以上千个，大大超出单口井井下设备4可预见的使用数量；而且光纤传输使传输速度大大提高，可以到100mbps；并且，光纤传输距离更远可达几千米甚至几十千米层面；本发明通过光信号进行传输，相比较传统的rs485通讯，整个网络走成熟的tcp/ip系列协议，工作效率和性能大大提高。
47.需要说明的是，级联是指为两台或两台以上的设备通过一定的方式相互连接，例如，多台交换机根据需要以多种方式进行级联。
48.具体的，所述上位机1与所述主机2之间的通信采用tcp/ip协议。
49.可选的所述主机2包括第一光端机10，所述从机3包括第二光端机9。
50.请参照图3所示，图3示出了本发明的一种主机2的示意图，其中，第一供电单元11为所述主机2供电。所述主机2与所述从机3之间通过的四芯光缆连接。具体的，主机2的一端通过网线，例如通过tcp/ip协议与互联网或内网通讯，另一端通过光电复合线缆与从机3连接，主机2的另一端上设有与用于光纤接收数据的光缆连接的端口以及与用于光纤发送数据的光缆连接的端口，以及供电正和供电负的供电线缆接口。
51.请参照图4所示，图4示出了本发明的一种井下设备4的示意图。具体的，所述井下设备4包括安装在井下的网络模块5、采集器6和传感器7，其中，采集器6接收传感器7发送的模拟信号，并将接收的模拟信号转为数字信号，再将转为的数字信号通过网络模块5发送给第二光端机9。从机3的端口上设有与用于光纤接收数据的光缆连接的端口以及与用于光纤发送数据的光缆连接的端口，以及供电正和供电负的供电线缆接口。
52.在本实施例中，从机3的供电正和供电负以及光纤接收和光纤发送均由主机2通过光电复合线缆传输过来的，从机3内置有第二供电单元8，用于给所述井下设备4供电，即分别给从机3、网络模块5、采集器6和传感器7供电，并且这一级的引线会继续通过四芯光电复合线缆连接到下一级井下设备4，如此类推。所述采集器6包括模数转换模块，具体的，模数转换模块的结构可采用现有技术。
53.在上述实现过程中，本发明主机2与从机3之间通过光纤传输，将传统的电传输(例如铜线或双绞线)改进为光传输(光纤)，并且传输协议由原先的rs485协议改进为tcp/ip协议，并且所述主机2与若干从机3通过光纤系统形成级联连接，主机2、从机3和井下设备4之间的组网更方便，可以简单级联；并且，只需占用井下线缆两根光纤，使需占用的线缆资源减少；而且采用光纤传输大大降低了被雷击的风险；
54.本发明主机2与从机3之间，以及从机3与从机3之间均通过光纤传输，传输速率大大提高，可以到100mbps，且传输距离大大增加，多模光纤可达5km，基本可以覆盖国内外大多数深井和钻孔的要求；单模光纤设置可达20km，并且四芯线中的另外两芯线分别用于数据的接收和数据的发送，通过全双工通讯模式，有利于数据的快速传输。
55.实施例二：
56.请参照图5所示，一种基于光纤的井下通信方法，应用于从机3方面，包括以下步骤：
57.步骤s1:接收安装在井下的传感器7发送的模拟信号，将接收的模拟信号转为数字信号，再将所述数字信号转为第一光信号；
58.步骤s2:将所述第一光信号通过光纤系统发送至安装在地面上的主机2，以使所述主机2将所述第一光信号转为第二电信号，并将所述第二电信号发送给上位机1；
59.步骤s3:接收主机2发送的第二光信号，所述第二光信号由主机2根据上位机1发送的第三电信号转换得到。
60.实施例三：
61.图6为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图，在本技术中可以通过图6所示的示意图来描述用于实现本技术实施例的本发明一种基于光纤的井下通信方法的电子设备101。
62.如图6所示的一种电子设备的结构示意图，电子设备101包括一个或多个处理器102、一个或多个存储装置104，这些组件通过总线系统和/或其它形式的连接机构(未示出)互连。应当注意，图6所示的电子设备101的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，所述电子设备可以具有图6示出的部分组件，也可以具有图6未示出的其他组件和结构。
63.所述处理器102可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述电子设备101中的其它组件以执行期望的功能。
64.所述存储装置104可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器102可以运行所述程序指令，以实现下文所述的本技术实施例中(由处理器实现)的功能以及/或者其它期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储各种应用程序和各种数据，例如所述应用程序使用和/或产生的各种数据等。
65.本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，本发明的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在该计算机存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质不包括电载波信号和电信信号。
66.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种
相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于光纤的井下通信系统，其特征在于，包括：安装在地面上的上位机和主机，以及安装在井下的若干从机和若干井下设备；其中，所述上位机与所述主机通信连接；所述主机与若干从机通过光纤系统形成级联连接；所述从机与所述井下设备电连接；所述主机用于接收所述从机发送的第一光信号，并将接收的第一光信号转为第二电信号发送给上位机；所述主机还用于接收所述上位机发送的第三电信号，将所述第三电信号转为第二光信号，并将所述第二光信号通过光纤系统发送给所述从机；所述从机用于接收所述井下设备发送的第一电信号，将所述第一电信号转为第一光信号，并将所述第一光信号通过光纤系统发送给所述主机。2.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述光纤系统采用光电复合线缆。3.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述光电复合线缆包括四芯线，所述四芯线中的两芯线为供电线缆，所述四芯线中的另外两芯线分别用于数据的接收和数据的发送。4.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述级联连接方式如下：所述主机的发送端口与第一个从机的接收端口连接，第一个从机的发送端口与所述主机的接收端口连接；第k-1个从机的发送端口与第k个从机的接收端口连接,所述第k个从机的发送端口与第k-1个从机的接收端口连接；k和n均为自然数，2≤k≤n。5.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述上位机与所述主机之间的通信采用tcp/ip协议，所述主机与所述从机之间的通信采用tcp/ip协议，所述从机与其他从机之间的通信采用tcp/ip协议。6.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述井下设备包括安装在井下的网络模块、采集器和传感器，其中，采集器接收传感器发送的模拟信号，并将接收的模拟信号转为数字信号，再将转为的数字信号通过网络模块发送给从机。7.根据权利要求1所述的基于光纤的井下通信系统，其特征在于，所述主机包括第一光端机，所述从机包括第二光端机。8.一种基于光纤的井下通信方法，其特征在于，包括以下步骤：接收安装在井下的传感器发送的模拟信号，将接收的模拟信号转为数字信号，再将所述数字信号转为第一光信号；将所述第一光信号通过光纤系统发送至安装在地面上的主机，以使所述主机将所述第一光信号转为第二电信号，并将所述第二电信号发送给上位机；接收主机发送的第二光信号，所述第二光信号由主机根据上位机发送的第三电信号转换得到。9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求7-8任一项所述的基于光纤的井下通信方法。10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被
处理器执行时，实现权利要求7-8任一项所述的基于光纤的井下通信方法。

技术总结
本发明公开了一种基于光纤的井下通信系统及方法，所述系统包括：安装在地面上的上位机和主机，以及安装在井下的若干从机和若干井下设备；所述上位机与所述主机通信连接；所述主机与若干从机通过光纤系统形成级联连接；所述从机与所述井下设备电连接；所述主机用于接收所述从机发送的第一光信号，并将接收的第一光信号转为第二电信号发送给上位机；所述主机还用于接收所述上位机发送的第三电信号，将所述第三电信号转为第二光信号，并将所述第二光信号通过光纤系统发送给所述从机。本发明光传输只需占用井下线缆的两根光纤，使需占用的线缆资源减少；而且采用光纤传输大大降低了被雷击的风险，并增加了传输距离。并增加了传输距离。并增加了传输距离。


技术研发人员：罗运宏 杨大克 李丽 叶铭泽 赵圣麟 黄艳妮
受保护的技术使用者：珠海市泰德企业有限公司
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2022/3/8