基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法，用于連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器，啟動(dòng)連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子以角速度πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，從而產(chǎn)生“啟動(dòng)”波；當(dāng)需要發(fā)送碼元a時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子先以角速率na轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，再以角速率πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，其中：f為參考波頻率，Δp＝當(dāng)前碼元a對(duì)應(yīng)波形與參考波的相位差p-碼元a的前一個(gè)碼元a＇對(duì)應(yīng)波形與參考波的相位差，即(式中a和a＇均以十進(jìn)制計(jì)算，M為進(jìn)制)，當(dāng)碼元代表“啟動(dòng)”波或“結(jié)束”波時(shí)其值(a或a＇)為通過(guò)本發(fā)明專利技術(shù)，能夠提高井下數(shù)據(jù)的傳輸速率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法
本專利技術(shù)涉及連續(xù)波泥漿脈沖調(diào)制
，具體而言，涉及一種基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法。
技術(shù)介紹
縱觀當(dāng)前隨鉆測(cè)量中應(yīng)用的井下數(shù)據(jù)遙測(cè)技術(shù)，泥漿脈沖傳輸、特別是連續(xù)波泥漿脈沖傳輸以其傳輸速率較高，抗干擾能力強(qiáng)，成為應(yīng)用前景廣闊、發(fā)展?jié)摿O大的數(shù)據(jù)傳輸方式。為了提高壓力波信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度，降低檢測(cè)難度，通常將連續(xù)波脈沖發(fā)生單元中的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成特殊的閥口形狀，以產(chǎn)生具有正弦特性的連續(xù)泥漿壓力波。從井下采集而來(lái)的多種隨鉆測(cè)量參數(shù)，例如，井斜、方位、工具面角、地層電阻率、中子密度等，經(jīng)適當(dāng)編碼成“0”、“1”數(shù)字流后，便要以這些正弦波為載波上傳至地面。頻移鍵控和相移鍵控是連續(xù)波泥漿脈沖傳輸常用的調(diào)制技術(shù)。比較而言，在相同的信噪比環(huán)境下，相移鍵控占用更窄的帶寬，可得到更低的碼元誤碼率。通常，相移鍵控可分為二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)和多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)，如四進(jìn)制相移鍵控(QPSK)和八進(jìn)制相移鍵控(OPSK)等。針對(duì)泥漿信道的特殊環(huán)境，優(yōu)先選用BPSK和QPSK。進(jìn)制越高，數(shù)據(jù)傳輸速率越快，但波形產(chǎn)生越困難，地面檢測(cè)還原難度越大。用于連續(xù)波泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相移鍵控調(diào)制技術(shù)還有脈寬及脈位調(diào)制。對(duì)于QPSK脈寬及脈位調(diào)制，為準(zhǔn)確判斷一個(gè)碼元，必須對(duì)4個(gè)參考波周期內(nèi)的泥漿壓力波形進(jìn)行分析，這在一定程度上限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。中國(guó)專利申請(qǐng)公布號(hào)CN103696763A，公布日2014年4月2日，專利技術(shù)創(chuàng)造的名稱為一種基于三角形閥體的連續(xù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)閥，該申請(qǐng)案公開(kāi)了一種基于三角閥體的多葉片(葉片缺口由一條圓弧線、一條圓角線和一條徑向線段組成)連續(xù)波發(fā)生器定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并給出了四葉片三角閥型的實(shí)施例，當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速單方向轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，通過(guò)與定子的泥漿節(jié)流作用，可以產(chǎn)生4個(gè)連續(xù)的高度相似的正弦壓力波信號(hào)。但該案沒(méi)有對(duì)基于定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系的信號(hào)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行相關(guān)討論。美國(guó)專利號(hào)8,302,685B2，申請(qǐng)日2009年1月30日，授權(quán)日2012年11月6日，專利技術(shù)創(chuàng)造的名稱為泥漿脈沖遙測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)(MudPulseTelemetryDataModulationTechnique)，該案公開(kāi)了一種八進(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)方案，采用與參考信號(hào)相同頻率f八種不同相位π/8、3π/8、5π/8、7π/8、9π/8、11π/8、13π/8和15π/8的正弦波，來(lái)分別表示數(shù)字“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”組合信號(hào)。但該案沒(méi)有進(jìn)一步研究不同相位波形的產(chǎn)生方式，各個(gè)相位間轉(zhuǎn)換規(guī)則以及調(diào)整波的頻率及運(yùn)行時(shí)間特征不得而知。中國(guó)專利申請(qǐng)公布號(hào)CN103179066A，公布日2013年6月26日，專利技術(shù)創(chuàng)造的名稱為多進(jìn)制相移鍵控MPSK調(diào)制方法、裝置和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，該申請(qǐng)案公開(kāi)了一種包括映射模塊、調(diào)制相位轉(zhuǎn)換器、相位累加器、相位加法器、載波波形存儲(chǔ)器和數(shù)模變換器等多種電子器件構(gòu)成的儀器，通過(guò)較為復(fù)雜的運(yùn)行邏輯產(chǎn)生多進(jìn)制相移鍵控信號(hào)。需要指出的是用于連續(xù)波泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的相移鍵控調(diào)制技術(shù)必然有別于類似采用高性能集成芯片實(shí)現(xiàn)的信號(hào)輸出方法，它是一種純粹機(jī)械式的信號(hào)產(chǎn)生方式，其相位變化依賴于轉(zhuǎn)子角速率和角位移的改變，有著自身的調(diào)整規(guī)律。因此，依據(jù)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)特征，研究用于連續(xù)波泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的連續(xù)相位相移鍵控、特別是BPSK和QPSK快速調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，以進(jìn)一步提高井下數(shù)據(jù)的傳輸速率，對(duì)于提升隨鉆測(cè)量技術(shù)水平具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種能夠提高井下數(shù)據(jù)的傳輸速率的用于連續(xù)波泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法。有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法，用于連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器，啟動(dòng)連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子以角速度πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，從而產(chǎn)生“啟動(dòng)”波；當(dāng)需要發(fā)送碼元a時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子先以角速率na轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，再以角速率πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，其中：f為參考波頻率，在M進(jìn)制中，a＇為碼元a的前一個(gè)碼元，式中a和a＇均以十進(jìn)制計(jì)算，當(dāng)a或a＇代表“啟動(dòng)”波或“結(jié)束”波時(shí)其值為在該技術(shù)方案中，首先確定不同進(jìn)制相移鍵控的載波相位與代表碼元的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與泥漿壓力波形頻率的函數(shù)方程，通過(guò)不斷調(diào)整轉(zhuǎn)子運(yùn)行速率，建立不同相位載波波形的發(fā)生條件和各個(gè)相位間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，最終依據(jù)該轉(zhuǎn)換規(guī)則，將采集的井下測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為泥漿脈沖波形，上傳至地面進(jìn)行解調(diào)和還原，以有效地提高井下數(shù)據(jù)的傳輸速率。本專利技術(shù)的有益效果是：提供了一種基于四葉片三角閥型的快速相移鍵控調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，為連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器快速數(shù)據(jù)上傳提供切實(shí)可行的載波調(diào)制方案，具有很大的實(shí)用意義。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例中隨鉆測(cè)量中井下數(shù)據(jù)向上傳輸路徑框圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例中相移鍵控調(diào)制技術(shù)的相位與碼元對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例中采用BPSK時(shí)的一壓力波形示意圖；圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例中采用QPSK時(shí)的一壓力波形示意圖；。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)實(shí)施例提供了一種基于四葉片三角閥型的快速相移鍵控調(diào)制方法，在該技術(shù)方案中，首先確定不同進(jìn)制相移鍵控的載波相位與代表碼元的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與泥漿壓力波形頻率的函數(shù)方程，通過(guò)不斷調(diào)整轉(zhuǎn)子運(yùn)行速率，建立不同相位載波波形的發(fā)生條件和各個(gè)相位間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，將采集的井下測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)泥漿脈沖波形，上傳至地面進(jìn)行解調(diào)和還原，以有效地提高井下數(shù)據(jù)的傳輸速率。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。具體而言，如圖1所示，井下數(shù)據(jù)向上傳輸分為井下數(shù)據(jù)編碼及調(diào)制1和地面數(shù)據(jù)解調(diào)及譯碼2兩大模塊。在井下部分，連續(xù)波中央控制器12通過(guò)CAN總線將LWD/MWD測(cè)量數(shù)據(jù)11按照相應(yīng)的精度(位數(shù))讀入，經(jīng)數(shù)字編碼器13進(jìn)行信道編碼，而后通過(guò)選擇的相移鍵控調(diào)制技術(shù)14，完成向上傳輸“0”、“1”數(shù)字的打包，依據(jù)數(shù)據(jù)流與轉(zhuǎn)閥的速率和位置相互關(guān)系，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)與反饋控制電路15驅(qū)動(dòng)三角型連續(xù)波旋轉(zhuǎn)閥16有規(guī)律節(jié)流鉆鋌內(nèi)泥漿流，將“0”、“1”轉(zhuǎn)換為泥漿壓力波并向上傳輸；在地面部分，首先對(duì)含有有效信息的泥漿壓力波進(jìn)行信號(hào)去噪濾波21轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電壓波，然后采用與井下調(diào)制相對(duì)應(yīng)的相移鍵控解調(diào)算法22，得到解調(diào)后“0”、“1”數(shù)字流，而后采用與井下編碼算法相應(yīng)的譯碼器23及其檢錯(cuò)糾錯(cuò)算法24，最終獲得原始的LWD/MWD測(cè)量數(shù)據(jù)，并顯示或存儲(chǔ)25。在四葉片三角閥型中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速率n(rad/s)與壓力波形頻率f的函數(shù)關(guān)系可表示為：對(duì)于產(chǎn)生的泥漿壓力波形，從碼元a對(duì)應(yīng)波形到碼元a＇對(duì)應(yīng)波形之間存在一個(gè)“調(diào)整”波，“調(diào)整”波頻率fa為：其中，Δp＝當(dāng)前碼元a對(duì)應(yīng)波形與參考波的相位差p-碼元a的前一個(gè)碼元a＇對(duì)應(yīng)波形與參考波的相位差p＇，即(式中a和a＇均以十進(jìn)制計(jì)算，M為進(jìn)制)，當(dāng)碼元代表“啟動(dòng)”波或“結(jié)束”波時(shí)其值(a或a＇)為-1/2。該“調(diào)整”波開(kāi)始于轉(zhuǎn)閥完全打開(kāi)，終止于下一次轉(zhuǎn)閥完全打開(kāi)時(shí)，即持續(xù)時(shí)間Ta為一個(gè)完整周期：“調(diào)整”波期間轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速率na為：令參考波為頻率f、初始相本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法，用于連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器，其特征在于，啟動(dòng)連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子以角速度πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，從而產(chǎn)生“啟動(dòng)”波；當(dāng)需要發(fā)送碼元a時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子先以角速率na轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，再以角速率πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，其中：na=π2f2π+Δp,Δp>0π2f4π+Δp,Δp<0]]>f為參考波頻率，在M進(jìn)制中，a＇為碼元a的前一個(gè)碼元，式中a和a＇均以十進(jìn)制計(jì)算，當(dāng)a或a＇代表“啟動(dòng)”波或“結(jié)束”波時(shí)其值為

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于四葉片三角閥型的連續(xù)相位相移鍵控調(diào)制方法，用于連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器，其特征在于，啟動(dòng)連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子以角速度πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，從而產(chǎn)生“啟動(dòng)”波；當(dāng)需要發(fā)送碼元a時(shí)，控制連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)子先以角速率na轉(zhuǎn)動(dòng)π/2角位移，再以角速率πf/2轉(zhuǎn)動(dòng)π/...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄢志丹，魏春明，耿艷峰，袁孟雷，趙曉勇，邵晶，李園，胡秀鳳，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12