（测试计量技术及仪器专业论文）井下数字电视视频图像传输技术的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 井下数字电视视频图像传输技术的研究 测试计量技术及 韩海勇( 签名) 张家田( 签名) 摘要 真实的地层状况和井下信息对于油气田的开采具有非常重要的意义。井下电视传输 技术就是将井下信息及时传输到地面，实现对井下地层情况的实时直观监控。但是在以 往的井下电视传输系统中，大多使用模拟传输体制，传输质量有限，受外界干扰较大。 为了提高传输质量，增强抗干扰能力，就必须增加发送端的功率，从而增加了电路的复 杂性和开发成本。特别是对于井下传输系统来说，受体积等各方面因素的限制，在应用 上存在很大的局限性。 本文进行了全数字化的井下电视传输系统的设计。运用电磁场理论和电路分析理论 对测劳电缆的传输特性进行了理论分析，对实用测井电缆的传输特性进行了分析计算。 在满足井下数字电视系统的前提下，比较了多种传输方案，确立了本系统的传输方案 a s k ( 二进制振幅键控) ，使得用常规的铠装测井电缆即能实现数字电视信号的远距离传 输。根据确定的系统传输方案设计出调制和解调电路，电路实现简单、可靠性高。利用 复杂可编程逻辑器件c p l d ，实现了数据的解码，使得上传速率能够达到1m b s ，满足井 下数字视频图像信号的传输要求。 通过软硬件的调试，实现了系统的联调，完成了对井下压缩视频图像数据的调制和 解调。整个传输系统在成本上远低于国内外采用的同轴电缆传输和光纤传输系统，在井 下电视传输技术领域具有非常重要的实际意义。 关键词：井下电视测井电缆传输调制解调上传速率1 m b s 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nt e c h n o l o g yo fd i g i t a lv i d e oi m a g et r a n s m i s s i o ni nd o w n h o l e t vs y s t e m s p e c i a l i t y ：t e s t i n g m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n d i n s t r u m e n t n a m e ：h a nh a i y o n g ( s i g n a i n s t r u c t o r ：z h a n gj i a t i a n ( s i g n r e a ls t r a t u mc o n d i t i o na n dd o w n h o l ei n f o r m a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o re x p l o i t a t i o n0 t o i la n dg a sr e s o u r c e s d o w n h o l ev i d e ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi st ot r a n s m i td o w n h o l e i n f o r m a t i o nt og r o u n di nt i m es oa st or e a l i z er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt o d o w n - h o l es t r a t u ms t a t u s h o w e v e r , m o s tp r e v i o u sd o w n h o l ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r e a n a l o gm o d e l sw i t hl o wt r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n ds e r i o u sd i s t o r t i o n ，a n dt h e ya r ee a s yt ob e i n t e r f e r e d t h es e n d i n gp o w e rs h o u l db ei n c r e a s e di no r d e rt og e th i g h e rq u a l i t ya n d a n t i i n t e r f e r e n c e c o n s e q u e n t l y , t h eh a r d w o r kw i l lb em o r ec o m p l e xa n dc o s t l ye s p e c i a l l yt o d o w n h o l es y s t e mt h a ti sl i m i t e db yv o l u m ea n do t h e rf a c t o r s t h ef u l l d i g i t a ld o w n h o l ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di nt h i st h e s i s w e l ll o g g i n gc a b l et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e db ye l e c t r i c & m a g n e t i cm a dc i r c u i t a n a l y s i st h e o r y o nt h eb a s i so ft h e s e ，t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e l ll o g g i n g c a b l ei nu s ec a l c u l a t e d i nt h ep r e c o n d i t i o no fd o w n h o l ev i d e o ，m a n yt r a n s m i s s i o nm o d eh a s b e e nc o m p a r e da n dt h et r a n s m i s s i o nm o d e a s kh a sb e e na d o p t e d i tc a n f u l f i l l r e m o v e t r a n s m i s s i o nd i g i t a l v i d e os i g n a l sw i t hn o r m a lw e l ll o g g i n gc a b l e m o d u l a t i n ga n d d e m o d u l a t i n gc i r c u i t sh a v eb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o nm o d ea n dt h e s e c i r c u i t sa r ev e r ys i m p l ea n dr e l i a b l et h ed e c o d i n go ft h ed a t ah a sb e e nr e a l i z e db ya p p l y i n g c p l da n dt h eu p l o a d i n gs p e e dc a nb er e a c h e d1m b st h ed o w n h o l ev i d e os i g n a lc a nb e t r a n s m i t t e dw i t h o u td i s t o r t i o n t h r o u g hd e b u g g i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ej o i n td e b u go ft h ew h o l es y s t e mh a s b e e nr e a l i z e da n dt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fd o w n h o l ei m a g ec o m p r e s s e dd a t aa r e f u l f i l l e d t h ec o s to ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sf a rc h e a p e rt h a nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m s w i t hc o a x i a l c a b l ea n do p t i c a lf i b e r s ot h et e c h n o l o g yi si m p o r t a n ta n dp r a c t i c a li nt h ef i e l d o fd o w n h o l ev i d e ot r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：d o w n h o l ev i d e o ；w e l ll o g g i n gc a b l et r a n s m i s s i o n ；m o d u l a t e ；d e m o d u l a t e ； u p l o a d i n gs p e e d1 m b s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 日期：翌墨! ：2 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借 阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为西安石油犬学。 论文作者签名： 导师签名： 撤 缉扣 日期：朋6 ， r 期：2 丝篁! ：! 第一章绪论 第一章绪沧 1 1 引言 在我围，随着越来越多的油田进入后期开发，原油的丌采难度也愈来愈大。准确地 了解井下油气状况，以最合理地方式开采石油，从而最大限度地开采石油，这对于石油 开采尤为重要。井下信息通常是通过各种各样的测井方法和工具获得的。事实上，每个 被应用到测井中的，l ：具都在尝试提供清晰的井下资料，井卜电视| | 。2 l 系统能够提供直接 的可视信息，没有猜测，不通过揣摩数据去获得结果。具有所看即所得，所得即所需的 特点。并且，井下电视也明显地减少了在诊断井下问题中所应用的时间及花费。“j 国内外测井仪器领域中关于下井仪器信息传输的研究已有几十年的历史。从六十年 代以前模拟量传输方式，到六十年代数字量传输方式( 按一定格式编排的二进制数字量 传输信息) 。八十年代阿特拉斯公司采用p c m 脉冲编码调制传输速率甚低，后来采用了 曼彻斯特编码方式，斯伦贝谢公司的c c s 与c t s 均采用b p s k ( 双相位相移键控) 调 制解调技术。九十年代斯伦贝谢公司采用q a m 串行调制解调技术调制方式传输数据传 输速率5 0 0 k b s 。国内下井仪器信息传输采用数字量脉码传输和曼彻斯特码传输。现 在已采用了o f d m 正交频分复用传输技术，t 5 和t 7 方式并用速率可达1 m b s 。i s , “7 1 1 2 井下电视系统简介 并下数字电视系统简单地说是由井下系统和地面系统两部分组成。井下系统完成井 下视频信号的采集与处理，并通过普通测井电缆将信号传输到地面系统；地面系统则完 成视频信号的回放与存储。按照实现功能的不同，井下系统又包括井下电路系统和传输 系统两部分，地面系统又包括地面电路系统和视频显示系统。井下电视系统详细框图如 图1 1 所示。 井下电路系统 传输系统 p 。a l n t s 、c m , j 隔顽 图像输八一1 = ! = ： 制式分解s a a 7 11 3 卜叫数字视频压缩a d v 6 11 卜叫a d s p 2 1 8 9h h 传输调制 图1 - 1 井f 成像系统框图 西安石油人。学硕士学位论文 在井下电路系统中，摄像头转换的模拟视频信号首先通过s a a 7 1 1 3 视频解码芯，i 完 成模数转换，然后将输出的数字视频信号由a d v 6 1 1 进行小波变换、量化和熵编码输 出压缩数据流，此压缩数据流经a d s p 2 18 9 m 缓存后由其串n 送到传输系统。在此系 统中，d s p 一2 18 9 m 通过1 2 c 总线对s a a 7 1 l3 进行初始化和功能控制编程，对a d v 6 1 l 通过其主机接口进行初始化、内部寄存器编程和控制数据传输及串口通信，另外，它还 根据从a d v 6 1 1 统计值寄存器中读取的值进行b w ( b i nw i d t h ) 和l b w 的计算，并将 计算结果写入到a d v 6 11 相应的寄存器中。 进入到传输系统的串行数据信号经过传输调制送到传输信道。本系统中的传输信道 是3 0 0 0 米的铠装测井电缆，视频数据传输速率可达1 m b s 。传输到地面的信号经解调 恢复到传输前的状态。 井上视频处理是井下处理的逆过程，经过传输解调处理的信号经d s p 的接收缓存， 并将其以主机接口送入a d v 6 l l 芯片，信号经过熵解码、自适应量化和小波逆变换后， 将压缩后的图像数据解压缩。解压后的视频数字信号由a d v 6 1 1 的视频接口输出到芯 片a d v 71 7 5 ，用其来实现对数字视频信号的制式合成。井上视频电路中d s p 一2 1 8 9 m 不 仅完成数据接收缓存的功能，还要对芯片a d v 7 1 7 5 和a d v 6 1 1 进行初始化和功能控制。 地面d s p 一2 1 8 9 m 响应接收中断从串口读入压缩数据并存入其内部缓冲区，在 d s p 一2 1 8 9 m 响应a d v 6 1 1 的f i f o 服务请求时，再将内部缓冲区中接收到的视频压缩数 据写入5 1 2 * 3 2 位的f i f o 中，其中f i f o 的填充门限可以通过相应的寄存器进行设置。 然后a d v 6 1 1 对其内部f i f o 中的数据进行解压处理。由a d v 6 1 1 输出的原始图像数据 通过a d v 6 l l 的8 位视频数据线送到图像制式合成芯片a d v 7 1 7 5 中。a d v 7 1 7 5 的时 钟直接由a d v 6 1 1 的v c l k o 提供。a d v 7 1 7 5 最终将a d v 6 1 1 解码出来的数字视频信 号变换成模拟的p a l 或n t s c 制式电视信号送给监视器。 模拟视频信号进入p c 机内置的视频卡，视频卡将信号转变成计算机的v g a ( 显卡) 系统可以识别的视频数字信号，此信号经过一系列的处理就可以和v g a 本身的信号进 行叠加显示。当图像在视频窗口显示时，可以对视频采取一定的处理，比如图像显示效 果的设置( 包括亮度、对比度以及饱和度的调整、彩色与伪色彩显示的设定等) 、视频 窗口的缩放、图像的定格与解定格、视频图像显示时间的计算以及视频图像的存储等。 图像存储时可以以图片格式，也可以以m p e g 格式存储活动的图像。视频窗口也可以 深度盘上记录的摄像头下井的深度信息进行显示，方便对出现问题的地方进行精确定 位。在此图像显示系统中，可以实时地观测井下的状况，以便做出直观的诊断，也可以 将观测结果进行存储，以便备档供日后查看与分析。 1 3 测井电缆数据传输系统的发展 国外测井仪器领域对下井仪器信息传输研究有很长时间。六十年代以前基本上是属 于信息量少的模拟量传输方式。尽管有调频、调幅和调相等多种调制信息的传输，但均 属模拟量传输范畴，满足不了测井技术日益发展的要求。六十年代开始随着地层倾角测 第一章绪论 井和双侧向测井方法和仪器的诞生，一种新的数字量传输测井信息的手段随之开发问 世。国外几家公司，如斯伦贝谢公司和西方一阿特拉斯公司就试制成按一定格式编排的 二进制数字量传输信息的下井仪器，所不同的是数字量传输的格式、码制和传输速率有 差别。二十多年来这些公司主要是围绕提高传输速率、可靠性以及使用方便来进行改进 和发展：阿特拉斯公司在八十年代中期以前研制成代号为3 5 0 2 的p c m 脉冲编码调制器， 传输速率甚低，为7 5 k b s 。八十年代中期至今有很大发展，采用了曼彻斯特编码方式， 传输速率为9 3 3 5 k b s ( 代号为w t c 3 5 1 0 ) 。斯伦贝谢公司直采用相位键控调制方式 传输数据。八十年代中期以前，研制成功数字传输短节，有c c s 和c t s 两种型号，其 中，c c s 的传输速率为8 0 k b s ，c t s 的传输速率为1 0 0 k b s ，c c s 与c t s 均采用b p s k ( 双相位相移键控) 调制解调技术。九十年代初研制出m a x ，5 0 0 成像测井系统， m a x 5 0 0 中5 0 0 代表它的遥传系统数据上行传输速率可达5 0 0 k b s 。它的遥传系统称 为d t s 数字遥传系统，采用q a m 串行调制解调技术，使用电缆工作方式t 5 和t 7 方 式组合，达到数据传输速率5 0 0 k b s ，基本上能够满足成像测仪器信息量传输的需要。 哈里伯顿公司推出的成像测井系统e x c e l l 一2 0 0 0 中，其遥传系统( 代号为d i t s ) 采 用调制的二进制码( 三层双二进制码) 传输，上传速率为2 1 7 6 k b s 。贝克一阿特拉斯 公司推出的成像测井系统e c l i p s 一2 0 0 0 中，其遥传系统( 代号为w t c ) 采用曼彻斯特 码传输，上传速率为2 3 0 k b s 。【7 1 国内研制电缆遥传短节的最早单位是西安石油勘探仪器总厂。九零年研制出相当于 c t s 的l o o k b s 遥传短节，七九年己研制成数字量脉码短节，还研制出用于数控测井 线的曼彻斯特码遥传短节。此后，于九十年代后期又开始了高速电缆遥传系统的研制。 选用了通信领域中正处于蓬勃发展的o f d m 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，用在遥传系统中的调制解调器的设计中。使用一种电缆工 作方式t 5 方式，就可以达到5 0 0 k b s 的上行传输速率，若数据的传输速率还需提高时， t 5 、t 7 方式并用，数据传输速率则可达1 m b s 。1 6 , 7 1 1 4 本文的主要工作 在满足本井下数字电视系统的前提下，分析本系统测井电缆传输特性和特征参数， 在此基础上设计出调制和解调电路，实现井下数字视频图像信号高质量的传输。 第一章简单介绍了井下电视系统，包括井下电路系统和地面电路系统；测井电缆数 据传输系统的发展。 第二章分析了测井电缆特性，传输线基本方程，还分析计算了本系统电缆特性参数。 第三章简单介绍了测井业主要采用的测井数据传输方法，包括曼砌斯特码传输方 式、b p s k 传输方式、o f d m 传输方式，还设计了本系统传输方案。 第四章介绍了本系统调制解调电路的设计和调试，包括井下调制电路地面解调电 路，还分析了系统的阻抗匹配问题。 第五章介绍了本系统采用的c p l d x c 9 5 7 2 解码原理和实现方法。 西安罩i 油大学硕士学位论文 第二章测井电缆特性理论分析 2 1 测井电缆传输特性的理论分析 测井电缆是生产测井井下仪器与地面仪器之问的传输介质( 通道) ，其中心是七根 缆芯，外层是钢丝编织成的铠甲，用以增强电缆的抗拉力。电信号在传输线的传输是以 电磁波的形式传输的，传输线起导引电磁能量的作用。当传输信号的波长与传输线的长 度可以比拟时，传输线应视为具有分布参数的传输线。根据生产测井测井速度、数据采 集道数及数据采样率的要求，大于5 k b s 的数据传输率为即可满足数据传输要求。若 电缆数据传输率为1m b s ，信号波长按基波频率计算为6 0 0 m ，测井电缆长达三千米( 大 于信号波长) ，满足上述条件，因此，它具有分布参数特性。所谓分布参数电路是相对 于集总参数电路而言的。集总参数电路的主要特点是电能量集中在电路元件的内部，电 磁状态传输的持续时间与电磁状态本身变化的时间相比要小得多，因而，不考虑传输时 间。这就是说，集总参数电路的电压( 电流) 仅是时间的函数，不随空间坐标的变化而 变化。 分布参数电路中的电压( 电流) 不仅是时间的函数，而且随空间坐标的变化而变化， 即电磁波在线路中传输时必须考虑时间和空间的关系。 对测井电缆来说，由于导体以及内外导体间的绝缘材料不是理想的材料，故必然出 现反映纵向损耗的电阻和横向损耗的电导，与此同时，由于导体问存在着电场以及相互 交链的磁通量，故也具有电容c 和电感l 等物理量，这些物理量沿线均匀分布，通常 用单位长度的数值来表示。显然，对于长度为几千米的电缆，电磁状态传输的持续时间 已经不能忽略，因此，若要用集总参数来分析，研究长度只能为d ) ( 的小段传输线，因 为只有这样短的传输线，电阻、电容。电感及电导才能看成是集总参数，电压( 电流) 才仅是时间的函数，与长度无关。在研究测井电缆的传输特性时，要将其划分成无限多 个级联的d x 小段。 传输线根据结构的致程度，可分为均匀传输线和不均匀传输线，当组成回路的两 导体的几何形状、相对位置、周围介质在整个长度上保持不变时，称为均匀传输线，否 则，称为不均匀传输线。 测井电缆是均匀传输线。 2 1 1 传输线基本方程托9 _ o 】 首先研究由完纯导体组成的二线均匀传输线如图2 1 所示。该传输线的轴向长度可 和被导引电磁波的波长相比拟，但二线传输线的轴线间距离d 必须较被导引的电磁波的 波长短的多，即d 丑，只有这样，才能忽略该方向上的推迟效应即可忽略辐射，否则， 就不能将传输线的基本方程组和积分量“，i 唯一的联系起来。又设传输线周围的介质也 没有损耗，即该系统中除了负载吸收能量以外别无其他形式的能量损耗。因此空间各处 的坡印亭向量s 的方向都和轴线平行即f 方向，这样电磁波传输的指示电源供给负载的 第一章测井电缆特性理论分析 功率。 图2 = 1 二线均匀传输线 根据s = e h ，可知e j t l h 的方向均和x 轴方向的单位向量i 垂直，即电场和磁场 只有和波传播方向相垂直的分量而无和波传播方向相平行的分量，固e = 0 ，h 。= 0 由 此可见，由完纯导体组成的二线均匀传输线周围的电磁波为t e m 波。 电场和磁场虽然只有横向分量，但它们却是三维空间变量( x ，y ，z ) 和时间( t ) 的函数，分别表示为： e ( x ，y ，= ，) = e 。j + e ：k = e 7 ( x ，y ，z ，f ) ( 2 - 1 ) h ( x ，y ，z ，f ) = h ，j + h ：k = h 7 ，( x ，y ，z ，) ( 2 2 ) 式中下标t 表示与波传播方向相垂直的横向分量。同时可将微分算子v 表示成： v ：旦j + 旦，+ 旦七：旦v ， m 咖 出出 这样，麦克斯韦第一和第二方程可分别写成： v 一珥+ 昙( i x h j = 占鲁( 2 - 3 ) v ，e ，+ 昙( f e ，) ：一0 h 一7 _ _ 2 _ ( 2 4 ) o xo t 式中v ，xe ，* a v ，h ，运算结果仍是两个向量，由于它们的方向和传输线的轴线方 向相同即和x 方向一致，称为纵向分量；而i h ，和f 五，的运算结果也为两个向量，它 们的方向和f 垂直，称为横向向量。按照向量方程式中横向分量和纵向分量应分别相等 的原则，可将式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 写成下列四式： v 7 h 7 = 0 ( 2 5 ) 去- ( i x h 一= 等( 2 - 6 ) v t e 7 = 0 ( 2 7 ) 去( i x 引一等 ( 2 - s ) 同理，其余两个电磁场基本方程v - e = 0 n v b = 0 可表示成： v r e 7 + 昙( i e r ) ：o ( 2 9 ) 西安石汕大学硕士学位论文 可j f i t + 昙l i ，h i l = o “ 由于e 。，爿，都和i 垂直，所以i e ，= 0 ，i 1 1 ，= 0 ，这样 t e i = 0 v 7 h 7 = 0 将式( 2 - 7 ) 两边进行旋度运算且应用向量恒等式，有 v 7 ( v7 e y ) = v7 ( v 厂e 7 ) v 2 7e y = 0 再将式( 2 - 1 1 ) 代人，上式成为： v 27 一e 。= 0 同理，可得： ( 2 一1 0 ) 上列两式便可简化成： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) v2 r 日，= 0( 2 - 1 4 ) 静电场( p = o 区域) 中的电位和恒定磁场中的标量磁位都满足拉普拉斯方程。在没 有电荷分布的均匀介质的静电场中v 2 e = o ，在没有传导电流分布的均匀媒质的恒定磁 场中v 2 h = 0 ，因此，对于均匀传输线周围的t e m 波来说，横截面内的电场强度( 或磁 场强度) 的基本方程组和无源区域中静电场( 或恒定磁场) 的基本方程组相同。所以均 匀传输线中电场、磁场在横截面内的通解形式分另和无源区域中的静电场、恒定磁场的 通解形式相同。 这样，在x 等于常数的任一平面内，均匀传输线中电压、电流和场量之间的关系可 表示成： u ( x ，f ) = i 。e r d ( 2 1 5 ) 有 f i x , t ) = i f , h r d l ， ( 2 1 6 ) 式中的积分路径如图2 - 2 所示。 l i ( 置一 图2 - 2 积分路径 应用向量恒等式a ( b x c ) = ( 爿c ) b 一( 爿b ) - c ，并令爿= f ，b = i 及c = e 7 则 i ( i e y ) = ( i e 7 ) f - ( i - i ) e 7 由于i - e ，= o 和卜i = 1 ，上式便可简化成： 6 第一二章测井电缆特性理论分析 e ，= 一i ( i e7 ) 另一方面，将式( 2 - 8 ) 两边“”乘i ，且将式( 2 - 17 ) 带入，有 拿0 3 。( f 鸭) - - 鲁h ，)c w叫 将式( 2 1 5 ) 的两边对x 求导并应用式( 2 18 ) ，有 豢= r 警班昙f 呲诳一乳n 砸娴 上式中的i x d l 表示x 方向的单位长度和讲所形成的元面积：而朋， 过该元面积的磁通，所以可令 y 。= 九= i ，- ( i d 1 ) 式中、i ，o 表示穿过两线之间轴向单位长度中的外磁通链， 通( p o 相等。因此，式( 2 1 9 ) 可写成： 0 甜 a y o，o i o x 一西_ 一一h 百 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 】9 ) f i d 1 ) 表示穿 ( 2 - 2 0 ) 在二导线系统中，、l ，o 和磁 ( 2 - 2 1 ) 瓦甲l o = 、g o i 为、借曲线传输线嗣轴i 司母单位长厦嗣外电感。 将式( 2 6 ) 两边进行面积分，积分面积s 由闭合回路l l 及沿x 方向的单位长度组 成，则 鲁撕风) 搬= 占石0 。i 。e r 搬 或：去4 ：( f h 力胡i n 0 西0 e r 础。n 。 ( 2 - 2 2 ) 式中n o 表示元面积出( 胡f ) 的外法线方向，积分式 正r 讲，n 。表示由x 方向每单 位长度导线所发出的电通量，它应等于这部分导线表面的电量qo ，即 g 。= 4 ：应r 凼”。( 2 - 2 3 ) 式( 2 - 2 2 ) 左边可以改写成： 去 j ( i 戡) - f 0 弧去 j th i 呐一强一去4 j t i x t t 。瑚、 = 一昙班叫= 一亲 再杷式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 2 ) 可譬成 p q 安石油大学硕士学位论文 旦一一盟 舐a t 将q o = c o u 的关系式代入上式，有 旦：一c 。竺( 2 2 4 ) 越 0 ， 式中c o 为沿二线传输线的轴线方向上每单位长度的电容。 式( 2 2 1 ) 和( 2 - 2 4 ) 是用积分量u 和i 表示的无损耗二线均匀传输线的基本方程 组。在均匀传输线中，沿线分布的l o 和c o 是一个常数。根据推导过程，可知均匀传输 线的基本方程组适用于任意截面的由完纯导体组成的二线传输线。式( 2 - 2 1 ) 和式( 2 - 2 4 ) 说明：由于沿线有感应电势的存在，导致两导线间的电压随距离x 而变：由于沿线有位 移电流的存在，导致导线中的传导电流随距离x 而变。 若传输线周围的介质不够理想而具有电导率y ，则在电磁场方程组中，除了考虑位 移电流密度g o e ，o r 外，尚需考虑传导电流密度皿。相应地，在用积分量u 和i 表示 的基本方程( 2 2 4 ) 中除了考虑位移电流c 0 4 0 t 外，还应考虑传导电流g o u ，这里的 g 。为沿线分布的每单位长度的电导。若导线有损耗，则将有电磁能量从导线周围空间 进入导线内部，其中一部分转化为热能，一部分成为储存在导线内部的磁场能，这样， 坡印亭向量不再和轴线平行而出现了和轴线垂直的分量，因而空间各点电场强度除了有 和导线垂直的分量外尚有和轴线平行的分量。在这种情况下，二线传输线系统中的电磁 波就不再是t e m 波了。严格地讲，式( 2 2 1 ) 和( 2 2 4 ) 也不再是传输线的基本方程 组。但由于导线是良导体，损耗不大；另外，导线间距离较小，场强的切线分量较之法 线分量小得多，因而即使导线有损耗仍可按t e m 波分析，但须把传输线吸收电磁能的 效应考虑进去。对应于这部分电磁能的等效电路参数为每单位长度来回导线的电阻r 。 和内电感。若将内电感和外电感合并在一起且仍以l o 表示，则得有损耗均匀传输线的 基本方程组为： 譬= 吨f 一厶罢 ( 2 2 5 ) o x 州 要：一g o “一c 。祟 ( 2 2 6 ) o x删 式( 2 - 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 又称为分布参数电路的基本方程组。二线均匀传输线以分布 参数表示的等值电路如图2 3 所示。 第_ _ = 章测井电缆特性理论分析 图2 - 3 传输电缆的等效模型 图中月一单位长度电缆回路的有效电阻： 三一单位长度电缆回路的电感； c 一单位长度电缆回路的电容； g 一单位长度电缆回路的电导： 出一单位长度短电缆段的长度。 由此可见，无损耗均匀传输线中的电压和电流满足波动方程：而有损耗均匀传输线 中的电压、电流满足有衰减的波动方程。 2 1 2 测井电缆传输线基本方程组的正弦稳态解 由于对任何周期性信号来说，都可以分解为正弦信号的叠加。而且测井电缆所传 输的信号大多都能分解为正弦信号的叠加。所以研究测井电缆传输线基本方程组的正弦 稳态解有着重要的意义。将式( 2 - 2 5 ) 对时间求偏导，将式( 2 2 6 ) 对空间坐标x 求偏 导，再用向量表示为： 1 兰掣：【- 2 上。c 。+ j c o ( r 。c 。+ g 。l 。) + 凡g 。弘) = ( 月o + ，m l o ) ( g o + n l ? o ) ，( x ) = f 2 ，( x ) 学刈川蚓( g o + ，峨) 者_ r 2 6 式中： r = x ( r o + j c o l o ) ( g o + j c o c o = 口+ 朋 式( 2 2 8 ) 的通解为 u ( x 、= ue 一。+ u p “ 式( 2 - 2 7 ) 的通解为： ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 西安石油人学硕士学位论文 十 一 ，r t l = ，p + + ，e 。( 2 - 3 1 ) 上两式中第一项表示入射波沿着x 增大的方向传播，随着x 的增加入射波的幅度是 减小的；而反射波沿着x 减少的方向传播，反射波的幅度是随着x 的增加而增大的。不 管是入射波还是反射波，随着波的前进，波幅减少，相位滞后。 u + r o + ，吐 j + 、 ( 2 3 2 ) z 。称为传输线的特性阻抗，由于传输线及周围介质损耗，所以特性阻抗为复数。r 为传播常数。 电压和电流中的积分常数u + 、u 压、电流或终端电压、电流) 决定。 2 1 3 测井电缆传输线的参数8 9 、，+ 、厂可由给定的边界条件( 传输线始端电 1 0 】 测井电缆传输线的参数分两大类，一类称为原参数如娲、g o 、c o 和l o 等：另一类 称为副参数如传播常数r 和特性阻抗乙等。 原参数是组成传输线等效分布参数电路的基本量，它们由传输线的几何尺寸、相互 位置及周围媒质的物理特性决定，而与电磁量无关，但可用有关场量的积分问的比值表 示。前面己证明由完纯导体组成的测井电缆内外导体间介质横截面内的电、磁场强度的 通解形式和静电场、恒定磁场中场强的通解形式相同。如果两者的边界条件相同，则解 答必然相同。由于完纯导体内场强为零，所以它的横截面为等位面，而传导电流又分布 于导体表面且沿轴向流动，所以内外导体间介质横截面中的时变场的分布和静电场及恒 定场中对应的场量相同。因此，传输线的c o 和l o 可分别按静电场和恒定磁场中的参数 计算方法求得。由于实用测井电缆的导体不是完全的纯导体，介质也不是理想介质，则 除了计算c o 和l o 外，还应计算导体的内阻等。 如果了解了单芯电缆的传播常数f = d + 及特性阻抗z 。后，就能全面地确定该电 缆中的电磁波的传播特性。传播常数r 与原参数之间的关系 f = 口+ ，= ( r o + j c o l o ) ( g o + j a , , c o ) ( 2 - - 3 3 ) 特性阻抗z o 和原参数之间的关系 z 。= 磊= 蕊 r 0 2 + c 0 2 l 2 0 ，= r + 工v ( 2 - - 3 4 ) 知道原参数后，就可由上面的公式求得副参数。从而了解测井电缆中的电磁波的传 播特性。 2 2 本系统电缆特性参数分析计算1 1 1 j o 第一章测井电缆特性理论分析 测井电缆传输质量，主要决定于线路的传输参数，叩电缆的二次传输参数特性阻抗 和传播常数。而二次传输参数决定于一次传输参数和信号频率，一次传输参数又决定于 电缆的结构。这里就讨论一次传输参数有效电阻r 、电感l 、电容c 、绝缘电导g 。 系统采用江苏华能电缆有限公司生产的w 7 b p 型七芯乙烯丙烯共聚物绝缘总屏蔽 双钢丝铠装承荷探测电缆。 电缆结构如图2 - 4 。 图2 - 4w 7 b p 型承荷探测电缆 w 7 b p 电缆结构尺寸如表2 - 1 ： 表2 - 1 ：w 7 b p 电缆结构尺寸 i 广一一一一r l 序号| 结构名称 结构或厚度( m m ) 1 i 镀锡软铜绞线 7 0 3 2 一一r 一一一 2 1乙烯丙烯共聚物绝缘 o 8 0 二一二一一一j 一一一 3 1半导电橡布带绕包 o 3 5 l 一0 一一 一 l 镀锌钢丝铠装内层0 1 0 0 m m 1 0 外层0 1 2 0 m m 1 2 w 7 b p 型承荷探测电缆部分技术指标如表2 - 2 一一一一了一 两安机油大学硕士学位论文 表2 - 2 ：w 7 b p 电缆部分技术指标 序号项目名称 1 导体直流电阻f ) k m 3 3 2 一芯对其余各芯接铠装电容i _ t f h n o 1 9 2 2 1 测井电缆的有效电阻的计算 所谓有效电阻就是当交变电流流过对称回路时的电阻，包括有直流电阻和由通过交 流而引起的附加电阻，而对于5 0 0 0 赫兹以下使用的低频电缆，电缆回路的有效电阻近 似地等于回路的直流电阻。对于高频对称的电缆，电缆回路的有效电阻就不能用直流电 阻来代替，因为这是交流附加电阻与有效电阻相比将占很大比例，而不能忽略。交流附 加电阻在回路中通过交变电流后，在导体内部和周围将产生磁场，由于交变磁场作用于 导体，并因此而引起能量损耗，从本质上可以认为是电阻的增加。所引起的附加电阻是 集肤效应、邻近效应和在周围金属媒质中产生的涡流损耗三部分引起的。这样，所增加 的电阻就成为交流附加电阻。所以总电阻为r = r 。+ r = r 。+ r + r 。+ r 。 由电磁场理论i l2 j 求得测井电缆所构成的回路有效电阻的计算公式为： r = r o1 + f ( z ) + g ( x ) ( 翌) z a 1 一( x ) ( 旦) 2 a r 金( 欧公里) 式中：r o 为直流电阻有j 冢给出3 3 f 2 x 为笔霉，可以查表得 d 为导线线芯直径，单位( 毫米) a 为两导线间距，单位( 毫米) r 金占百分之十的r 即沩竿 g ( x ) 为竿 嘣爿等一爿 又杏表和计算得存9 m 颇率下 一 h 一 第二章测并电缆特性理论分析 ，f x ) = 4 ，3 4 g ( x 1 = 1 1 0 5 4 ( 与2 = 01 4 1 h ( x 、= 2 9 3 5 所以，r = c ，+ 4s 。+ i = ! ：淼，r 。+ 0 ，月 = 2 9 6 6 q 2 2 2 测井电缆的电感的计算 当回路通以交流电后，则在回路的导电线芯中和回路周围产生磁通巾，在导电线芯 内的称为内磁通，在导电芯外的称为外磁通。而电感为磁通。与引起磁通的电流之比， 所以相应于内磁通与外磁通亦有内电感l 和外电感l 外，总电感为l = l + l 外。 内电感l 。是导线内部的磁通与流过导线的电流之比所决定的。外电感决定于导电 线芯直径和导电线芯问的距离。内电感决定于导电线芯本身的特性( 导线直径，材料的 磁导率和电导率) 和传输电流的频率。对称电缆回路的总电感为： 三= 五i4 】n 圣等旦+ q ( j ) 1 。“( 亨公里) 9 ( x ) ：丝：0 0 4 0 4 其中，d 为两导线间距，单位( 毫米) ； d 为导线线长直径，单位( 毫米) ； 咒为总的绞合系数： 由查表”1 和计算得： l ：1 f 4 l n 2 x5 1 2 - 0 9 6 + 0 0 4 0 4 ) 1 0 4 0 9 6 = 9 0 7 1 0 “h 公里 2 2 3 测井电缆的绝缘电导的计算 绝缘电导g 这个参数说明电缆线芯绝缘层的质量和电磁能在线芯绝缘中的损耗情 况。绝缘电导是由绝缘介质的特性决定的，也就是有绝缘介质的体积绝缘电阻系数p 。和 介质损耗角正切值t g f i 来决定的。绝缘电导g 是由支流绝缘电导g 。和交流绝缘电导g 、 组成的。 交流绝缘电导主要是由于绝缘介质极化所引起的。它与传输电流的频率、回路工作 电容以及介质损耗角正切值t 9 6 成正比，即g = o , c t g d 在测井电缆中，由于绝缘介质极化所引起的损耗比由于绝缘不完善所引起的损耗要 大得多，所以可以把g 。忽略不计，这样绝缘电导就可以用下式来计算： g 。g 、= 趣t 9 6t 西f 公里? ) 西安石油大学硕士学位论文 由查表”1 和计算得： g= 9 1 0 6 0 1 9 1 06 4 0 6 i 0 一l 6 = 7 3 1 0 “6 西公里 2 2 4 测井电缆传播常数及特性阻抗的计算 由特性阻抗公式( 2 - 3 2 ) 得： z o = ：! 墅：! ! ! 兰兰! ：! ! ：! ：! ! ! ! ! ： 、，7 3 l o _ 1 6 + ，2 玎9 1 0 6 o 1 9 1 0 6 6 9 q 由传播常数公式( 2 2 9 ) 得： r = ( j r o + j c o l o ) ( g o + ，垃c 0 ) = 4 ( 2 9 6 6 + j 2 a - x 9 1 0 6x 9 0 7 x 1 0 4 ) ( 7 - 3 l o 1 6 + j 2 n - 9 1 0 6 o 1 9 1 0 “) = 2 3 0 3 + 7 4 1 9 j 则由式( 2 3 0 ) ，若缆线驱动端电压峰一峰值为2 0 v ，数据信号经测井电缆( 以3 0 0 0 m 计算) 传输后电压为： l o e 一( 。+ 伊) ”= 1 0 e 一( 69 0 9 + 2 2 2 5 ，) 0 o l e - 2 2 2 5 j 表明信号经测井电缆传输后，到地面接收端电压值为0 0 1 v 。经过实验这样的信 号在地面能傲到与电缆阻抗匹配，而且没有反射波的情况下完全能够可靠恢复接收，表 明在足够的驱动电流下选取的电压幅度是足够的。 第三章测井电缆数据传输方法分析 第三章测井电缆数据传输方法分析 测井技术在石油地质勘探中发挥着重要作用。在石油测井系统中，地面设备需通过 一定的传输通道对井下测井仪器进行远程供电、信息采集和控制，从而取得多种复杂