[发明专利]一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法

说明书

技术领域

本发明属于油气井井下数据高速传输领域，涉及基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制技术的井下数据高速无线传输系统，及该系统中信号高峰均比Peak-to-Average Power Ratio,PAPR）的问题。更具体地，本发明涉及一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法。

背景技术

井下信息有效提取和信号传输速率问题一直制约着油气井开发新技术的发展。特别是随钻测量、随钻测井和地质导向已成为水平井、大位移井及定向井施工中不可缺少的技术，但目前，我国还处于引进国外随钻测量技术的阶段。其中，井下数据传输技术是制约其发展的主要瓶颈。常用的井下数据传输方式是泥浆脉冲传输方式，这种方式有正脉冲、负脉冲、连续波脉冲三种，正、负脉冲传输方式均因传输数据速度慢、腐蚀破坏较强、功耗大而逐渐被连续波传输方式代替。但是，连续波泥浆脉冲发生器目前只有Schumlburger公司拥有该项技术比较成熟的仪器，同时传输效率也仅提高到5～10bit/s，且噪声干扰影响比较大。

随着国家对石油能源的重视，电子技术和通信技术在随钻测井中的应用日益广泛。针对现有技术传输速率低的缺陷和井下采集数据剧增需高速传输到井口的发展现状，我国发展井下数据传输技术要有新的思路，实现跨越式发展，才能与世界石油工业先进技术的发展步伐一致，达到提高国内随钻测井高速传输的目的。OFDM技术以其高数据传输速率、高频谱利用率、良好的抗多径衰落性能、系统容量大等特点已为第四代移动通信系统所采用。目前，将OFDM应用于井下电缆的有线传输国内已有研究和应用，如中石油测井有限公司EILog高性能测井系统，采用编码正交频分复用（COFDM）技术，将OFDM技术应用于测井领域，传输速度达到430kbit/s。中国石油长城钻探LEAP800测井系统在分析七芯测井电缆传输特性的基础上，结合测井的实际情况，开发出基于正交频分复用技术的兆级高速测井遥传系统，系统具有双向通信能力，可提供上行1000kbit/s、下行50kbit/s的数据传输速率，并具有建立时间短、工作稳定可靠、自适应不同测井电缆等特点。由于电缆传输方式存在连接可靠性差、结构复杂等不足，近年来基于OFDM调制方式的井下传输系统已成为研究的热点，在文章“王强，李成，丁天怀.钻柱声传输的OFDM调制方法实现[J].机电工程，2012，29(4)：373-376”提出了基于OFDM调制方式的短节钻杆声传输方案可实现160bit/s的传输速率，该方案为后续的研究提供了方向。

目前井下OFDM传输系统已经存在，但是，井下无线OFDM传输系统尚没有。而无线相对有线，能够克服基于OFDM电缆传输系统的连接不可靠和结构复杂等不足。所以，研究并提出一种井下OFDM高速传输系统技术具有重要意义。

同时，由于OFDM信号在时域上表现为多个正交子载波信号叠加而成，其信号具有高的PAPR，而井下传输系统中的功率放大器很多是非线性的，其动态范围也很有限，当PAPR较高的数据信号经过这些非线性部件，信号会产生非线性失真，非线性失真所产生的谐波会严重影响系统性能。但是较大动态范围的功率器件，意味着发射机的设备成本更高。因此需要寻找减小信号PAPR的方法。人们已经提出了很多降低峰均功率比的方法，包括限幅类技术、编码类技术和概率类技术。由于限幅类技术采用非线性过程，会带来信号畸变；编码类技术编解码复杂度很大。其中，选择映射法（Selective Mapping，SLM）方法可以无失真地降低PAPR，但由于该方法需产生多个代表相同信息的发送序列，与多个不同的随机相位序列矢量点乘，再进行多次IFFT运算，需要多个IFFT模块，这大大增加了系统的计算量和硬件的复杂程度；另外，接收端恢复原数据信息需要接收端完全知道发送端的多个随机向量，即多个随机向量也要作为边带信息被发送，这些边带信息就是SLM方法的冗余，它牺牲了部分发送带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服现有井下数据高速传输系统及其降低峰均比方法的上述问题，提供一种井下数据高速无线传输系统及其降低峰均比方法。该系统对井下传感器采集的数据进行OFDM调制，并采用改进的SLM方法降低系统信号的高PAPR，调制信号以电磁波的形式沿着钻柱搭建的无线网桥传输到井上并恢复；该发明将数据传输速度提高至兆比特级的速率，远超过现有井下数据传输技术的速率，能更好的实现井下数据的实时高速传输，并更好地解决了系统信号高PAPR的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：