一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法

本发明属于脉冲调控，特别是一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法。

背景技术：

1、随着勘探开发向数字化、智能化进军，传统的井下数据传输技术面临着越来越多的挑战，信息传输方式分为两种：有线传输和无线传输，电缆传输、光纤传输和智能转杆传输等有线传输方式，虽然传输速度以及可靠性都良好，但是开发成本巨大，花费多。在无线传输方式中，电磁波传输和声波传输会由于井下的复杂情况和噪声干扰导致可靠性一般且解调获取数据困难。

2、泥浆脉冲传输作为一种无线传输方式，其可靠性良好、开发成本低、无需特殊转杆和布线等综合优势，成为目前使用最为广泛的数据传输方式。在泥浆脉冲传输中，传统的连续波信号调制方式有振幅键控(ask)、相移键控(psk)和频移键控(fsk)，其中振幅键控由于信号衰减和噪声干扰，在后期解调过程中难以区分不同的码元；相移键控会由于井下干扰因素造成的相位漂移而导致信息失真，并且这种相位漂移难有规律可循，很难通过软件算法补偿，在这种方式下，码元与码元间相位的突变可能需要电机速度的瞬变，对电机的控制要求非常高。

3、fsk通过频率的变化来传递信息，相对于振幅或相位的变化，频率的变化对信号衰减和噪声的干扰不敏感，这使得fsk在噪声较多的环境中能保持较高的信号完整性和可靠性，另外，与需要精确控制相位的相移键控(psk)和对振幅敏感的振幅键控(ask)相比，fsk对硬件的要求相对较低，但是频移键控通过改变转子速度使泥浆脉冲频率发生改变，对脉冲信号的频率稳定性要求较高，由于脉冲的频率经常发生变化，在高速数据传输的情况下，产生的脉冲很难实现稳定的频率，因为亟需一种方法，来解决上述fsk存在的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法。

2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，所述连续渐变频率键控调制方法包括以下步骤：

3、s1根据井下传感器采集的信息，确定编码数据；采集的信息为二进制数据；

4、s2根据编码数据，计算对应码元周期内泥浆脉冲发生器的电机最大转速；

5、s3根据确定的电机最大转速，计算该码元周期内电机转动加速度和减速度；

6、s4根据确定的电机转动加速度和减速度，控制泥浆脉冲发生器电机扇叶的旋转速度，使其连续渐变，调制泥浆的压力波；最后由井上传感器接收调制后的压力波形。

7、优选的，在步骤s1中，采集的信息为二进制数据；基于泥浆脉冲发生器的电机加速能力、频率范围以及所需要码率，确定编码码元的信息容量。

8、连续渐变频率键控调制方法是通用的，传输编码数据不仅仅只是常见的二位二进制数据，，同样适用于传输其他位数的二进制数据，如传输三位二进制数据。以传输编码数据为二位二进制数据为例，数据包含四种不同的码元信息，分别是00、01、10和11，此时一个码元携带的信息量为2bit；针对三位二进制数据，每个码元携带的信息量为3bit。

9、优选的，在步骤s2中，在一个码元周期内，泥浆脉冲发生器的电机转动呈现匀加速再匀减速的过程，当电机运行时间t＝t/2时，电机的转速达到对应编码的最大电机转速，t为码元周期。

10、以采集数据为二位二进制数据为例，采集数据包含4种码元信息，分别为00、01、10和11，根据码元信息可确定对应码元周期内泥浆脉冲发生器的电机转速，对应关系如下：

11、

12、其中v00表示编码为00的电机转速，v01表示编码为01的电机转速，v10表示编码为10的电机转速，v11表示编码为11的电机转速，v00、v01、v10和v11的单位均为rpm；a是电机可维持稳定的最大转动加速度，单位为r/min2；t为电机运行时间，t为码元周期，单位均为s；

13、当电机运行时间t＝t/2时，电机的转速达到对应编码的最大转速；码元信息与该码元周期内电机最大转速对应关系如下：

14、

15、

16、其中v00max表示编码为00的码元周期内电机最大转速，v01max表示编码为01的码元周期内电机最大转速，v10max表示编码为10的码元周期内电机最大转速，v11max表示编码为11的码元周期内电机最大转速，v00max、v01max、v10max和v11max的单位均为rpm；a是电机可维持稳定的最大转动加速度，单位为r/min2；t为码元周期，单位为s；

17、同样需要注意的是，连续渐变频率键控调制方法是通用的，传输编码数据并非只能是二位二进制，同样适用于传输其他位数的二进制数据；传输数据的位数发生变化时，有关各码元周期内电机转速变化以及最大电机转速的公式也应做相应修改。

18、优选的，在步骤s3中，电机转动加速度与该码元信息内电机最大转速的关系如下：

19、

20、其中a1表示码元周期内电机转动加速度，单位为r/min2；v表示码元周期内电机最大转速，单位为rpm；t表示码元周期，单位为s；

21、电机转动减速度与该码元信息内电机最大转速的关系如下：

22、

23、其中a2表示码元周期内电机转动减速度，单位为r/min2；v表示码元周期内电机最大转速，单位为rpm；t表示码元周期，单位为s。

24、优选的，在步骤s4中，调制泥浆的压力波的具体过程如下：

25、泥浆脉冲发生器的构造：泥浆脉冲发生器内含定子扇叶和转子扇叶，定子扇叶和转子扇叶的横截面形状相同，定子扇叶固定不动，转子扇叶由电机控制旋转；

26、扇叶的工作方式：定子扇叶与转子扇叶重合时，泥浆导通面积最大，作用于压力传感器的压力最小；随着转子扇叶的转动，泥浆导通面积逐渐减小，作用于压力传感器的压力逐渐增大；当转子扇叶转动到与定子扇叶完全错开，泥浆导通面积为0，作用于压力传感器的压力达到最大；当电机速度保持不变时，泥浆压力波的频率保持不变；随着电机速度的增大和减小，泥浆压力波的频率也相应升高和降低；

27、压力波的调制：根据确定的电机转动加速度和减速度，来控制转子扇叶的旋转速度，使得泥浆流通面积发生变化，生成不同频率的压力波，从而将编码数据信息以电机转速的变化转换为泥浆压力波的频率变化，用以区分码元包含的不同信息，经过调制，泥浆脉冲的频率均表现为由0增加到定值f再减少为0的过程。

28、由于泥浆脉冲发生器包含定子扇叶与转子扇叶，转子扇叶的转动导致其与定子扇叶构成的导通面积发生变化，由于节流作用，井上压力传感器接收来自于泥浆的压力随之呈现波形变化。电机扇叶速度保持不变时，产生的压力波形为频率不变的正弦波，电机扇叶速度的连续渐变使得压力波形的频率发生渐变，因此根据各码元信息对应码元周期内电机最大转速以及电机加速度和减速度的大小，对泥浆脉冲进行连续渐变频率键控调制，将数据通过泥浆脉冲传递。

29、其中，通过连续渐变频率键控调制方式调制泥浆脉冲传输n位二进制数据时，最大信息传输速率如下：

30、

31、其中vbps是电机最大信息传输速率，单位为bps；vmax是电机最大转速，单位是rpm；p是电机扇叶的叶片数，n为传递二进制数据的位数。

32、选择传递二位二进制数据时，基于泥浆脉冲使用连续渐变频率键控调制方式最大信息传输速率为：

33、

34、其中vbps是电机最大信息传输速率，单位为bps；vmax是电机最大转速，单位是rpm；p是电机扇叶的叶片数。

35、以传递二位二进制数据为例，经过调制，各码元信息对应泥浆脉冲的最大频率为：

36、

37、其中f00max是编码为00的的码元信息对应码元周期内泥浆脉冲最大频率，f01max是编码为01的的码元信息对应码元周期内泥浆脉冲最大频率，f10max是编码为10的的码元信息对应码元周期内泥浆脉冲最大频率，f11max是编码为11的的码元信息对应码元周期内泥浆脉冲最大频率，f00max、f01max、f10max和f11max单位均为hz；t是码元周期,单位为s。

38、需要注意的是，传递二进制数据位数改变时，泥浆脉冲最大频率的公式应做相应改变。

39、井上传感器接收调制后的压力波形：泥浆通过泥浆脉冲发生器的扇叶间隙自上而下流动。泥浆脉冲发生器中的转子扇叶在转动过程中，与定子扇叶之间的导通面积发生变化。这种变化导致井内泥浆的流动受到节流效应，进而引起泥浆压力的变化。井上的压力传感器检测到这些压力变化，从而接收到经过调制的压力波形。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果：

41、1、提高数据传输的可靠性：通过采用连续渐变频率键控调制方法，本发明能够显著减少由于电机转动惯性所引起的码间干扰，从而提高井下信息的传输可靠性，因为每一个码元周期的起始和结束时电机速度和泥浆脉冲的频率都为零，这避免了电机速度的瞬时变化可能引起的信号干扰。

42、2、提升信号解析精度：通过精确控制电机的加速度和减速度，本发明能够生成更为准确和稳定的泥浆压力波形，降低了井下电机控制和从波形中提取数据的困难性，这样的波形使得从泥浆压力波中提取数据信息更为精确，减少误解码的可能性，从而提高数据传输精度。

技术特征：

1.一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，其特征在于，所述连续渐变频率键控调制方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，其特征在于，在步骤s1中，采集的信息为二进制数据；基于泥浆脉冲发生器的电机加速能力、频率范围以及所需要码率，确定编码码元的信息容量。

3.如权利要求1所述应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，其特征在于，在步骤s2中，在一个码元周期内，泥浆脉冲发生器的电机转动呈现匀加速再匀减速的过程，当电机运行时间t＝t/2时，电机的转速达到对应编码的最大电机转速，t为码元周期。

4.如权利要求1所述应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，其特征在于，在步骤s3中，电机转动加速度与该码元信息内电机最大转速的关系如下：

5.如权利要求1所述应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，其特征在于，在步骤s4中，调制泥浆压力波的具体过程如下：

技术总结
本发明提供了一种应用于泥浆脉冲系统的连续渐变频率键控调制方法，包括以下步骤：S1根据井下传感器采集的信息，确定编码数据；S2根据编码数据，计算对应码元周期内泥浆脉冲发生器的电机最大转速；S3根据确定的电机最大转速，计算该码元周期内电机转动加速度和减速度；S4根据确定的电机转动加速度和减速度，控制泥浆脉冲发生器电机扇叶的旋转速度，使其连续渐变，以此调制泥浆的压力波；最后由井上传感器接收调制后的压力波形。通过采用连续渐变频率键控调制方法，能减少由于电机转动惯性所引起的码间干扰，从而提高井下信息的传输可靠性，避免了电机速度的瞬时变化可能引起的信号干扰。

技术研发人员：夏振华,祝英中
受保护的技术使用者：长江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5