（测试计量技术及仪器专业论文）测井电缆井下视频数据高速传输系统的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业； 硕士生： 指导教师： 测井电缆井下视频数据高速传输系统的研究 测试计量技术及仪器 邓程华( 签名) 张家田( 签名) 摘 要 测井电缆井下视频数据高速传输系统是井下电视成像测井系统的一个重要组成部 分，主要完成成像测井地面仪与井下仪之间大量数据高速、实时、准确的传输。随着测 井技术向成像化和组合化发展，井下仪上传的数据量越来越大，因而开发高容量、高效 率的数据传输系统以解决通信牺颈成为数控测井技术研究的热点。镤4 井电缆并下视频数 据高速传输系统研究的目标是完成通过5 0 0 0 m 电缆传输速率达到1 m b p s ，系统采用单 芯电缆传输井下信息，并将d s p 技术和c p l d 技术用到了测井仪器的研制中。系统分 为地面解调模块和井下调制模块两部分，地面及并下部分通过单芯电缆连起来。单芯电 缆同时完成下传供电和上传信号。井下调制模块按照传输协议把发送缓冲区的数据调制 后经过5 0 0 0 m 的单芯电缆传输到地面，地面解调模块将上传的数据放大、解调。 试验证明通过5 0 0 0 m 的传输电缆，该系统在1 m b p s 的传输速率下能获得质量盒尺 寸为3 0 0 x 3 0 0 和全屏的清晰井下实时动态图像，此方案的数字图像远距离、高质量地传 输将对井下信息监测的实时性与高效性有极其重大的作用和影响。 关键词：单芯电缆高速传输调制解调c p l d 解码 论文类型：应用研究 n 英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h eh i g h - s p e e dd o w n h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fv i d e od a t a w i t hl o g g i n gc a b l e 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 di n s t r u m e n t n a m e ：i n s t r u c t o r ：m z h 哩a n g 曲j i 蚰a t i 咖a n ( a s i 似g n g n a a t u r e 佃篮螯救 ) 邳鳖) 邋l 队 a b s t r a c t t h eh i g h - s p e e dd o w n h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fv i d e od a t aw i t hl o g g i n gc a b l ei sa n e s s e n t i a lc o m p o n e n to f t h ed o w n h o l ev i d e oi m a g el o g g i n gs y s t e m t h eh i g h - s p e e d r e a l - t i m e , a c c u r a t et r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e dt h r o u g ht h es u r f a c ei m a g el o g g i n gi n s t r u m e n ta n dt h e d o w n h o l ei n s l l x t m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o g g i n gt e c h n o l o g yt o w a r di m a g e r ya n d u n i t i z a t i o n , t h ea m o u n to fd a t au p l o a d e dt h r o u g ht h ed o w n h o l ei n s t r u m e n ti sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yl a r g t h e r e f o r e ，t os o l v et h ec o m m u n i c a t i o nb o t t l e n e c ld e v e l o p i n gad a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e mo fh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hc a p a c i t yh a sb e c o m et h eh o t s p o to ft h e n u m e r i c a lc o n t r o lw e l ll o g g i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo f t h eh i g h - s p e e d d o w n h o l et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f v i d e od a t aw i t hl o g g i n gc a b l ei st h a tt h et r a n s m i s s i o ns p e e d c a nr e a c hu pt o1 m b p s 诵l ha5 0 0 0 mc a b l e t h i ss y s t e ma d o p t st h es i n g l e - c o r ec a b l et o t r a n s m i td o w n h o l ei n f o r m a t i o n , a n dt h et e c h n o l o g yo f d s pa n dc p l da r ea l s oa p p l i e di nt h e s t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft h el o g g i n gi n s t r m n e n t t h es y s m mc o n s i s t so ft h et w op a r t s ，t h e s u r f a c em o d u l a t o ra n dt h ed o w n h o l ed e m o d u l a t o r , w h i c ha r ec o n n e c t e d 、i t has i n g l e - c o r e c a b l e t h e d o w n l o a d i n gs u p p l y o fp o w e ra n dt h eu p l o a d i n go fs i g n a la r er e a l i z e d s i m u l t a n e o u s l yt h r o u g has i n g l e - c o r ec a b l e t h ed o w n h o l em o d u l a t o rm o d u l a t e sd a t ai n b u f f e ra c c o r d m gt ot h et r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，a n dt h e nt h ed a t ai st r a n s m i t t e dt ot h es u l f a c a g w i t ha5 0 0 0 ms i n g l e - c o r ec a b l e f i n a l l y , t h eu p l o a d e dd a t ai sa m p l i f i e da n dd e m o d u l a t e d t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h r o u g ha5 0 0 0 mc a b l e , ac l e a r3 0 0 x 3 0 0a n d f u l l s c r e e nr e a l - t i m ed y n a m i cd o w n h o l ei m a g ea n dt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o na r co b t a i n e d 缸 t h er a t eo fi m b p su n d e rt h i ss y s t e m i nc o n c l u s i o n , t h ea c c u r a t e ，r e a l - t i m ea n dh i g he f f i c i e n t m o n i t o r i n go ft h ed o w n h o l ei n f o r m a t i o nc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d 诚t l lt h ed i g i t a li i i i a g e t r a n s m i s s i o no f l o n g - d i s t a n c ea n dh i g l lq u a l i t y k e y w o r d s ：s i g n a l - c o r ec a b l e ，h i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n ，m o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n , c p l dd e c o d e t h e s i s ： a p p f i e a t i o ns t u d y i i i 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： 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大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：萼幽 日期：簟：苎! 多 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 在油气井中，能够正确地诊断并下问题并以此指导生产，对提高采收率来说是非常 重要的，而清晰地观测到井下的状况则是整个问题的前提与关键。在油气的开采过程中， 地层状况的测试在提高采收率方面起着至关重要的作用【l , 2 1 。与数控测井技术相比，井下 电视成像技术对复杂油气藏，具有更强的适应能力。根据预测，用井下电视成像技术勘 探石油与天然气，在数控测井技术的基础上，油气储量还可以增加1 0 0 o - 2 0 。因此，井 下电视成像技术对未来世界石油工业的发展具有很强的吸引力。 井下电视成像技术是研制专门用于直接观测油气田的裸眼井，套管井，甚至油管中 状况的直观测试的技术印4 】摄像头拍摄的井下图像能够提供直接的可视信息，具有所 看即所得，所得即所需的特点 5 3 。并下电视通过井下摄像头、图像采集、a d 转换、压 缩编码和传输编码等芯片将拍摄的井下图像处理后通过测井电缆传输到地面。地面系统 对上传的信号解调、解压，制式合成将信号恢复成摄像头拍摄的模拟图像信号。图像可 以通过计算机的显示器播放，考虑到图像的格式标准与通信协议等问题，需要让模拟图 像信号经过视频卡连接到主机上通过显示器就可以显示井下实时的活动图像，井下情 况直观可见下井仪器如图1 1 所示。 p 三兰= 兰，。，耋篓p 。，攀兰簧哆 、 l z z = l z 工苌三；z = 口专 、 单芯电缆传输系统是井下电视成像测井系统的一个重要组成部分，主要完成成像测 井地面仪与并下仪之间大量数据高速、实时、准确的传输。由于受传输介质、设计思想、 制造工艺和井下高温、高压等恶劣环境的影响，长期以来，单芯电缆传输系统存在传输 速度慢、信息量少、信号衰减、失真大等问题的制约，并且随着测井技术向成像化和组 合化发展，井下仪上传的数据量越来越太，因而开发高容量，高效率的通信系统以解决 通信瓶颈成为数控测井技术研究的热点。本文讨论单芯电缆传输系统的设计，将电子、 计算机和通信领域的新技术，新方法如d s p 技术、c p l d 技术等用到了测井仪器的研制 中，使得测井仪器数据传输速度有了大幅度提高。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 测井数据传输系统的发展及现状 国外测井仪器领域对下井仪器信息传输研究主要分为三个阶段：模拟记录、数控测 井、数控与成像测井。2 0 世纪6 0 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。6 0 年代开始随着地层倾角测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。阿特拉斯公司在8 0 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 p s 。8 0 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 p s ( 代号为 w t c 3 5 1 0 ) 。斯伦贝谢公司一直采用相位键控调制方式传输数据。8 0 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 p s ，c t s 的传输速率为1 0 0 k b p 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1 6 】。 在2 0 世纪9 0 年代以来发展的成像测并技术中，新型下井仪器产生了用于图像处理 和解释的大容量数据，促进了高速数字电缆遥测技术的研制。高速电缆遥测系统是现代调 制解调工艺与常规七芯电缆的结合。当前国外最主要的系统有3 大类：w t s 系统、d t s 系统和d i t s 系统。d i t s 系统是美国哈里伯顿公司开发的全双工电缆遥测系统，上传速 率达2 1 7 6 k b p s 。用于该公司的e x c e l l 1 0 0 0 及e x c e l l 2 0 0 0 型测井系统中。d t s 系统下传信息采用b p s k 码，传输速率为7 0 k b p s 。上传信息采用q a m 调制，传输速率 为4 2 0 k b p s 。该系统目前应用于斯伦贝谢公司的m a x i s 5 0 0 成像测井系统。代表了当前 的国际先进水平。w t s 系统由井下遥传短节3 5 1 0 和地面遥传面板5 7 1 0 组成。3 5 l o 主 要用来完成井下的数据采集、接收下传命令以及安排和上传测井数据等任务。整个短节 在m c 6 8 7 0 5 微控制器的统一控制下工作。从信息传输角度来说，该系统以曼彻斯特码 传输，最大的总传输速率可达2 2 9 1 6 k b p s 该系统目前应用于阿特拉斯公司的e c l i p s 5 7 0 0 测井系统。近几年，随着通信网络技术的飞速发展，高速电缆遥测技术研究又有 新的进展：( 1 ) 通过电缆传输信道的电器隔离。可将7 芯电缆的总频带提高的4 0 0 k h z ； ( 2 ) 采用c d m a 技术可将3 0 0 0 英尺7 芯测井电缆的数据传输速率提高到i m h z 以上【”。 国内1 9 7 9 年研制成相当于3 5 0 2 水平的数字量脉码短节，1 9 9 0 年研制出相当于c t s 的1 0 0 k b p s 遥传短节，还研制出用于3 7 0 0 的曼彻斯特码遥传短节。九十年代后期又开始 了高速电缆遥传系统的研制。十五期间在高速电缆遥测系统的研究方面取得了可喜的进 展，研制成功3 0 0 - - 5 0 0 k b p s 的高速电缆遥测系统，但还没有产业化生产。目前，我国最 新研制成功投入生产的e l l o g - 0 5 成套测井装备采用的还是数传速率为1 0 0 k b p s 的电缆遥 测系统。 目前，国内外使用的井下视频图像系统主要有三种；光纤、同轴电缆( 鹰眼) 、单芯 测井电缆( 鹰限) 。光导纤维视像系统是用光导纤维电缆向地面实时传送井下摄像仪拍摄 的连续灰度图像，而鹰眼视像系统则是高度便携式系统。三种视像系统比较见表1 1 2 第一章绪论 表1 - 1 三种视像系统比较 描述光纤同轴电缆 铡井电缆( 鹰眼n ) 普及程度很有限中等 高 机动性较好较好 最好 运行费用高 中等最低 硫化氢环境 不行 不行可行 水平井，挠性油管不行不行可行 耐负荷限度低高高 高关井压力可行不行 可行 信号保真度良好良好 良好 图像连续性连续 2 s 幅1 7 s 幅 从表l l 中发现，鹰眼用普通单芯测井电缆替换原来的光导纤维，运行费用更加经 济，普及程度高，且在高温、高压及硫化氢环境中使用，抗酸碱性强。另外，鹰眼系统 的摄像仪是放在具有清晰光学视角的耐高压容器内，摄像仪后面有一个1 0 0 w 卤素灯以 照亮观察区，灯泡上有一个抛光的反射镜和水晶拱顶用来向前反射光线和保护灯泡，这 个独有的后置灯设计避免了因前置灯的阻碍而导致图像不清晰。 应用效果：l 、吐哈油田$ 6 2 1 l 井在起抽油杆过程中，7 9 6 m 左右处抽油杆断裂，在 标准的打捞工具下油管几次未能打捞出剩余物，鹰眼井下视像系统传输的图像揭示出： 因为抽油杆的断裂是在张力下发生的，其表面呈花辨，从而解释了用标准打捞工具不能 打捞出的原因。在观察到这个打捞物后，利用井下测量分析软件对图像进行处理，计算 出断裂面的尺寸，分析其形状，这样适当的打捞工具被采用，被打捞物也被成功地取出。 2 ，l 9 2 1 5 1 井在进行大修的过程中，油管下至2 5 3 5 m 时无法再下，现场人员分析井下有落 物或套管变形，传统的印痕测定器并未提供出足够的井下信息鹰眼井下视像系统独有 的好处是在测井车上可获得持续的现场视像的输送，使得操作者随着摄像仪在井中的下 降同时在监视器屏幕上可持续地观察和检测油管和套管在预定位置视像揭示：大方管 严重变形，其变形处套管内径小于油管外径，解释了油管不能再下的原因，为下一步施 工提供了科学依据h j 1 3 单芯电缆数据传输系统的重要意义 电缆传输就是用电信号将井下的参数数据通过电缆传输到地面，电缆在下井的过程 中被附在油管串上，并和油管串在一起下入井中，由于仪器下井过程中的碰撞，电缆在 井下移动时会受到阻力 9 1 ，因此，测井电缆要依靠井下仪器( 或配重) 自身的重量向井 下输送【m ，电缆越轻，需要的仪器配重减少，仪器的总长度缩短。长度相同的单芯电缆 在重量上远远比七芯电缆具有优势。这就为起下仪器带来了方便，从而克服了以往由于 西安石油大学硕士学位论文 仪器过长下不了井，或遇阻、遇缠等弊端【l i l 。 目前，在用的测井电缆主要有单芯电缆、3 芯电缆、4 芯电缆和7 芯电缆。单芯电缆、 3 芯电缆、4 芯电缆主要用于生产测井，而7 芯电缆主要用于勘探测井。为此，在小直径 ( o 岛0 r a m ) 的生产测井仪器、以及部分大直径( 中7 0 r a m ) 的直流供电勘探测井仪器 中，经常用单芯电缆同时完成下传供电和上传信号。这就是单芯电缆传输技术。可将这 种情况称为缆芯复用技术。单芯电缆具有良好的传输性能，因而在生产测井领域得到广 泛利用。单芯电缆传输技术一方面在组合测井中实现缆芯复用，从而传输更多的信号， 另一方面是为了克服缆芯间的串扰【i2 】。 和光缆比较测井电缆的传输带宽很窄，长期以来一直是影响测井进度、导致大量测 井信息得不到充分利用的瓶颈。光缆以其极宽的传输频带，曾经被认为在本世纪末将完 全取代测井电缆。但由于种种原因，测井光缆还不能投入实用，国外新一代的成像测井 设备仍使用了普通的测井电缆，通过高速电缆遥测技术，在普通测井电缆上也达到了较 高的数据传输速率。众所周知，斯伦贝谢公司的m a x i s 5 0 0 测井系统的信号传输速率 已达到5 0 0 k b p s ，基本上可以满足目前各种井下仪器的要求。但是。新发展的成像测井 技术所需的有效数据传输率将高达5 m b p s ，而将来的垂直地震剖面测井仪的数据率将超 过2 0 m b p s 。因此，进一步提高测井信息传输系统的数据传输速率是十分重要的【l 3 1 。 高速电缆传输系统能将井下大量信息及时传送到地面，满足了成像下井仪传送大量 数据的需要，也提高了常规下井仪的效率，因为可以采用更多的下井仪组合，一次测井 可以得到多种参数，同时也方便了实时、正确地处理和解释并进行测井质量监控，大大 提高了井场效率和测井质量【1 】 可见，研制单芯电缆高速传输系统是开发国产成像数控测井设备的一个关键环节， 开展单芯电缆高速传输技术的研究，是具有较大意义的测井系统中的此项技术对于其 他领域通过电缆进行远端测控的应用具有参考和推广价值。 1 4 论文的主要工作 本文是研究井下电视成像技术中的单芯电缆高速传输系统的设计及实现。论文内容 如下： 第一章通过介绍井下电视系统引出单芯电缆高速传输系统的概念，测井数据传输系 统的发展水平及国内外现状及在实际生产测井中的应用效果，论述了研究单芯电缆传输 系统的重要意义和必要性。最后是论文工作安捧 第二章运用电磁场理论和电路分析理论对单芯电缆的传输特性进行了分析，通过分 析，掌握其传输特性，对设计提供理论依据。对数据传输速率的选取，电路的设计等都 具有理论指导作用。本章的第一部分对单芯电缆传输特性进行了理论分析。首先通过建 立单芯电缆传输线的等效电路，列出单芯电缆传输线的基本方程组，求其正弦稳态解。 4 第一章绪论 并根据传输线方程的解讨论了传输线上波的传输特性参数( 包括特性阻抗和传播常数) 和传输线中电磁波的反射。分析得知，通过传输特性参数可以确定单芯电缆特性。本章 第二部分运用第一部分的理论分析结果对实用单芯电缆传输特性进行分析计算。先根据 单芯电缆生产厂家提供的技术参数，求出电缆的有效电阻，绝缘电导、分布电容，然后 根据实际选取的数据传输率，得到特性阻抗和传播常数。分析表明，实际选取的数据传 输速率是可行的。 第三章介绍了单芯电缆数据传输系统的总体设计。这部分包括单芯电缆数据高速传 输系统设计要求和系统总体设计两部分。在单芯电缆数据传输系统设计中，要满足传输 速率1 m b p s 的设计目标，就要采用高速调制解调技术。系统需要根据实现技术性和应用 灵活性对常用的几种调制解调技术比较，选择最优的调制解调方法。本系统采用了基于 数字信号传输体制来传送井下视频信号，根据对单芯电缆传输系统所要求的传输速率， 电路的成本及电路的复杂性等因素的综合考虑，确定了2 a s k 传输体制。根据所选的传 输体制，系统硬件电路设计分为井下调制电路和井上解调电路，降低了设计实现难度， 使设计变得更可行、更可靠。这是本设计的关键技术。 第四章单芯电缆数据传输系统的硬件设计，包括井下调制电路、地面解调电路的硬 件设计以及各个功能模块的调试和系统联谓。单芯电缆图像传输系统硬件电路包括并下 调制电路板和地面数据解调电路板，它主要完成的功能是把压缩处理的图像信息以一定 的传输协议经电缆驱动后发送到地面系统。 第五章基于c p l d 的数据解码技术，分为串口通讯协议、基于c p l d 的数据解码原 理、数据解码单元的c p l d 实现和减小误码率的数据解码改进设计对减少误码率提出 了新的方法，并进行了论证 本课题是西安石油学院与中海油田服务有限公司的合作项目“井下电视成像技术研 究”本项目的研究内容包括以下凡方面： l 、仪器结构； 2 、图像处理系统； 3 、图像传输系统； 4 、电源模块； 本课题有多人合作完成，本论文的研究属于该项目的第三个部分。 西安石油大学硕士学位论文 第二章单芯电缆特性分析 在井下数据传输中，电缆传输是最常用的方法，但测井电缆有很窄的传输带宽，长 期以来一直影响传输信息的速度，导致大量测井信息得不到充分利用。光纤对信号的传 输表现出优良的特性和强的抗干扰等性能，但还有很多技术问题需要解决，同时，该系 统也不具有明显的经济优势，设备较贵。 在本系统中，我们仍采用常规铠装单芯电缆来传输视频信号，为了能在普通的测井 电缆上高速传输视频信号，必须对它的特性进行分析。单芯电缆在生产测并中普遍采用， 对它的传输特性进行分析不仅对本系统设计有重要指导意义，对其它单芯电缆传输系统 设计同样具有指导意义，因此，单芯电缆的特性分析具有重要的理论和实际意义。 2 1 单芯电缆传输特性的理论分析 单芯电缆是生产测井井下仪器与地面仪器之间的传输介质( 通道) ，其中心是一根缆 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 p 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l m b p s ，信号波长按基波频率计算为6 0 0 m ，测并电缆长达5 0 0 0 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。 传输线传输高频信号时会出现以下分布参数效应：电流流过导线时导线发热，表明 导线本身有分布电阻：导线绝缘不完善而出现漏电流，表明内外导体之间处处有漏电流； 内外导体间有电压，导体间便有电场，表明内外导体之间有分布电容效应；导线中通过 电流时周围出现磁场，表明导线上有分布电感效应。当传输信号的波长远大于传输线的， 有限长的传输线上各点的电流( 或电压) 的大小和相位可近似认为相同，就不显现分布 参数效应，可作为集中参数电路处理。但当传输信号的波长与传输线长度可比拟时，传 输线上各点的电流( 或电压) 的大小和相位均不同，显现出电路参数的分布效应，此时 传输就必须作为分布参数电路处理。 设传输线的电路参数是沿线均匀分布的，这种传输线为均匀传输线。测井电缆是均 匀传输线。对测井电缆来说，若要用集总参数来分析，研究长度只能为c b c 的小段传输线， 6 第二章单芯电缆特性分析 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 ) 【小段。 2 1 1 单芯电缆的等效电路i l 习 单芯电缆在电特性上可看成一个四端网络。而这一个四端网络又是由无数无限小的 四端网络( 也就是无数无限小的电缆段) 串联而成的。由于回路导线上存在着均匀分布的 电感和电阻，回路导线问存在着电容和电导，因此这些无限小的四端网络( 即无限小的电 缆段) 的结构形式如图2 1 所示。 圈2 _ 1 无限小电缆段等效电路图 图2 l 中r 为电缆回路每千米的有效电阻，厶为电缆回路每千米的电感，c o 为电缆 回路每千米的电容g 0 为电缆回路每千米的电导，d x 为无限小电缆段的长度对于电 缆全长来说，它的等效电路就是无数这样无限小的四端网络的串联，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 电缆等效电路 2 1 2 均匀电缆的基本方程式1 1 6 1 1 1 7 l 研究由完纯导体组成的单芯电缆均匀传输线如图2 3 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。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，这样电磁波传输的仅是信号源供给负载的功率 7 西安石油大学硕士学位论文 s - 圉2 - 3 单芯电缆均匀传输线 根据s = e x h ，可知蹄日的方向均和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，由完纯导体组成的均匀传输线周围的电磁波为t e m 波。 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 ，：，t ) = e ，+ e ：k = e r ( x ，y ，：，f ) ( 2 1 ) ( x ，y ，：，f ) = 日。_ ，+ h = k = h r ( x ，y ，：，r ) ( 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f + 旦，+ 旦i ：旦，+ v ，( 2 - 3 ) 出 咖。 出出 这样，麦克斯韦第一和第二方程可分别写成： v ，h r + 扣鲫- - - - 8 等 c ：4 ， 戗 讲 v ，易+ 未( f 岛) = 一警 ( 2 5 ) 盘研 式中v ，x e r 和v ，x h r 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 x 历t 和i x e r 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。运算后可将式( 2 - 4 ) 和式( 2 5 ) 写成下列四式： v，xh，=0(2-6) 知珥阳誓 v r e r = 0 鼢驴一p 警 同理，麦克斯韦第三和第四方程v e = o 和v b = 0 可表示成： v r 易+ 导( f 易) = o v r 珥+ 兰( f 坼) = 0 由于岛，日，都和f 垂直，所以f g r = 0 , i h r = 0 ，这样， v r 耳= 0 v r h r ；0 i ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 上列两式便可简化成： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章单芯电缆特性分析 将式( 2 8 ) 两边进行旋度运算且应用向量恒等式，有 v r ( v r 岛) v ，( v r e r ) 一v 2 re r 车0 ( 2 - 1 4 ) 再将式( 2 1 2 ) 代人，上式成为： v 2 r 目= o ( 2 1 5 ) 同理，可得： v 2 r 坼= o ( 2 1 6 ) 静电场( p = 0 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 = 0 ，在没有传导电流分布的均匀媒质的恒定磁 场中v 2 = 0 ，因此，对于单芯电缆介质中的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。因此单 芯电缆中电场、磁场在横截面内的通解形式分别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： 式中的积分路径如图2 4 所示。 ”( 列) = f 目咖 弛，) = 诉西 i i ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 图2 - - 4 积分路径 应用向量恒等式, 4 x ( b x c ) = 似c ) b 一似回c ，并令彳= i , b = 汲c = g r 则有 i x ( i xe r ) = ( i 易) i - ( i i ) e r ( 2 - 1 9 ) 由于f e = 0 和，i = l ，上式便可简化成： e r = - i x ( i x e r 、 ( 2 2 0 ) 另一方面，将式( 2 - 9 ) 两边“”乘i ，且将式( 2 - 2 0 ) 带入，有 昙( x 岛) ：一譬：一昙( f 坼) ( 2 2 1 ) 9 西安石油大学硕士学位论文 将式( 2 1 7 ) 的两边对x 求导并应用式( 2 2 1 ) ，有 罢= r 誓咖= 昙f 1 2 ，珥咖= 一妄 f 坼d r ) c z 珑， 上式中的i x d r ：r 示x 方向的单位长度和咖所形成的元面积；而肛 f r o 毋) 表示穿 过该元面积的磁通，所以可令 2 九5j l 心( i x d r ) ( 2 2 3 ) 式中v o 表示穿过内外导体之间轴向单位长度中的外磁通链，对于单芯电缆，v o 和磁 通咖相等。因此，式( 2 2 2 ) 可写成： 罢一警一厶害( 2 - 2 4 ) a ) 魂 ”a t 式中厶= i 为沿两线传输线的轴向每单位长度的电感。 将式( 2 8 ) 两边进行面积分，积分面积s 由闭合回路i i 及沿x 方向的单位长度组成， 则 丧l | ( i xh d s = 6 丧江d s 或昙 o 坼) d l l r l 0 = 昙 易，d l - ( 2 - 2 5 ) 式中矿表示元面积凼( = d l o 的外法线方向，积分式c f e g r d l l 矿表示由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q 。，即 吼= c le g r e l l l 月o ( 2 - 2 6 ) 式( 2 - 2 5 ) 左边可以改写成： 却删馕咖- ：丢 ( 堋即一昙 驯硝溉。： ：一旦c h r d l l 曼 出出 再把式( 2 - 2 6 ) 代入，式( 2 2 5 ) 可写成： 旦一0 q o ( 2 2 8 ) i k雳 将q 。= c o u 的关系式代入上式，有 要= 孚( 2 - 2 9 ) 式中c o 为沿单芯电缆的轴线方向上每单位长度的电容。 式( 2 - 2 4 ) 和( 2 2 9 ) 是用积分量u 和i 表示的无损耗单芯电缆均匀传输线的基本方 程组。在均匀传输线中，沿线分布的k 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单芯电缆传输线式( 2 2 4 ) 和 式( 2 - 2 9 ) 说明：由于沿线有感应电势的存在，导致内外导线问的电压随距离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。 1 0 第二章单芯电缆特性分析 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! 竺外，尚需考虑传导电流密度鹰相应地，在用积分量u 和i 表示的基 刃 本方程( 2 - 2 9 ) 中除了考虑位移电流c 0 丝外，还应考虑传导电流g o u ，这里的g o 为沿线 甜 分布的每单位长度的电导。由于导线有损耗，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，单芯电缆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 4 ) 和( 2 - 2 9 ) 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 虐进去。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 0 和内电 感。若将内电感和外电感合并在一起且仍以k 表示，则得有损耗单芯电缆均匀传输线的 基本方程组为： 竺：一砧一厶竺 ( 2 3 0 ) 西 钟 兰：屯一c o o u ( 2 3 1 ) 而 面 式( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 又称为分布参数电路的基本方程组。 将式( 2 - 3 0 ) 两边对x 求偏导，并将式( 2 3 1 ) 两边对t 求偏导，然后代入( 2 - 3 0 ) 式，可得： 囊= l o 。万o z u + ( r o c o + g o l o ) 詈+ r o g 一 ( 2 3 2 ) 等= l _ 虿a 2 i4 - ( r o c 。+ g o 厶) 妄+ 凡g o f ( 2 - 3 3 ) 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 3 传输线方程的解 单芯电缆传输的是数字脉冲信号，数字信号可由一宽频带正弦信号合成。因此，有 必要研究信号源是正弦波的传输线方程的解。若信号源是角频率为。的正弦波，将式 ( 2 - 3 2 ) 和式( 2 - 3 3 ) 用向量表示为： 百d 2 u 广( x ) = 【_ 2 厶c o + 加( r o c o + g o l o ) + g o g o ：- ：( x ) = ( 焉+ j t o l o x g o + j t o c o ) u ( x ) = r 2 【，( 2 - 3 4 ) 西安石油大学硕士学位论文 _ d z 孑l ( 一x ) = ( 民+ j t o l 。) ( g o + ，崛) j ( 功= r 2 j ( ( 2 - 3 5 ) 式中 r = a + j p = ( r o + 以o ) ( g o + j m c o ) ( 2 - 3 6 ) 称为传播系数，是个复数，它的实部。称为为衰减系数( n p m ) ，虚部b 称为为相 位系数( r a d m ) 式( 2 3 4 ) 的通解为： ( ，( 工) = a 一一n + 以口r j ( 2 3 7 ) 将上式代入式( 2 3 1 ) 的复数形式，得： ，( 功= ( 4 p 。h 一以p “) ( 2 - 3 8 ) 厶o 舯 z 0 - - 照 q 瑚， 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。 式( 2 3 7 ) 的积分常数4 、也要由传输线的边界条件来决定。若已知始端电压u l 、 电流 ，选取由终端为起始点的坐标，则均匀传输线中电压和电流的解为： u ( x ) = uc o s h r ( 1 + x ) + i l z os i n h f ( i + x ) ( 2 - 4 0 ) 取) = 半s i n h f ( i + x ) + i i c o s h f ( 1 + x ) ( 2 - 4 1 ) 二o 2 1 4 传输线上波的传输特性参数 ，埔l 电缆的二次传输参数包括传播常数r 和特性阻抗z 0 等。在一定频率时，取决于电缆 结构。由传输线传输方程的解( 2 3 7 ) 和( 2 3 8 ) 可以看出，传输线上的电压波和电流 波都由两项组成，其中第一项表示沿( + x ) 方向传播的行波，称入射波，第二项表示沿 ( - x ) 方向传播的行波，称为反射波。下面根据这个解来讨论传输线上波的传输特性参 数。 a 特性阻抗传输线的特性阻抗定义为行波电压和行波电流之比，由式( 2 3 7 ) 和( 2 3 8 ) 得 z o = 譬= 罹 或 z o ；一_ u - 厂 可见，z 0 只取决于传输线的分布参数和频率，而与传输线长度无关。 1 2 ( 2 4 2 ) 第二章单芯电缆特性分析 对于无损耗线，r l = o ，g i = o ，则 厅一 z 0 。惜 。：4 。， b 传播常数式( 2 3 6 ) 已给出传播系数，可求出它实部a 和虚部b 口= 挣厨i 丽磊丽- ( c 0 2 厶c i 一墨g 1 ) j ( 2 - 4 4 ) 卢= j 三【石寻j i i i i 页石f 而+ ( m 2 厶c i 一蜀g 。) 】( 2 - 4 5 ) 衰减系数a 表示传输线上单位长度行波电压( 或电流) 振幅的变化，相位系数1 3 表 示传输线上单位长度行波电压( 或电流) 相位的变化。 对于无损耗线，r l = o ，g i = o ，则 口= 0( 2 - 4 6 a ) 晷= 0 毕t ( 2 - 4 6 b ) c 反射系数在传输线上，各点的电压和电流均由入射波和反射波组成。线上既有 入射波又有反射波，这是由于终负载造成的 传输线上某点的反射波与入射波电压之比，定义为该点处的反射系数，即 c ， p 2 _ u+(2-47) 设特性阻抗为z 0 的传输线终端接有阻抗等于z l 的负载，如图2 5 所示 圈2 巧传输线终端接负载模型 应用式( 2 3 7 ) 、( 2 - 3 8 ) 并取终端为坐标圆点，则 掣：z ：z o 笔* + u - ( 2 - 4 8 ) ，( o )u + 一u 一 按反射系数的定义，则上式为z 上= z 0 f l + 石p ，从而得p = 乏g l + - z 0 9 0 由p 的表达 式可见，当终端阻抗匹配时，即负载阻抗等于回路特性阻抗时，由传输线传到终端的能 量，全被负载吸收了，不会产生反射，无反射波。这是传输线上各处的电压和电流行波 中，只有入射波，它们的向量式分别为( 2 3 7 ) 、( 2 3 8 ) 式中第一项，即 u ( 工) = u + p 。“ ( 2 - 4 9 ) 西安石油大学硕士学位论文 r ，+ z ( 石) = 二，e 一“ ( 2 5 0 ) z 0 如果负载和特性阻抗不等，传至终端的能量一部分反射回来，向始端传输，