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EM-MWD 系统通信影响因素分析

作者：李运升日期：2016-01-04 15:42 来源：未知

【文章摘要】
本文详细探讨了影响EM-MWD系统通信有效性与可靠性的具体因素。分析了EM-MWD系统通信信道容量，指出该模式道容量有限，属于典型的窄带通信；为了兼顾长距离实时通信的要求，建议选取调相方式对信号进行编码设计；同时，对通信过程中的噪声源进行了全面分析，指出造成地面接收端低信噪比的主要原因是地面接收环境强噪声，并给出了处理建议。
【关键词】
钻井；噪声；电磁随钻测量
0 引言
EM-MWD系统利用超低频电磁信号可以在地层中长距离传输的特性实现井下与地面之间的数据通信。
1 信道分析
通信的有效性是指信号传输的速度快慢问题，通信的可靠性是指数据传输的准确性问题。为了合理设计，必须充分了解 EM-MWD 的信道资源：
2 带宽
EM-MWD系统在长距离通信时载波频率一般不高于 20Hz，在数值上可由下式计算得出。

其中是信道的带宽，是信道能够通过的最低频率，是信道能够通过的最高频率。
2.1 信号调制
实际应用中，数据经过编码之后并不适合大地信道的传输，必须经过载波调制后才能发射。通常情况下，信道的频带资源越宽，传播环境越稳定，其能够承载的数据传输速率就越高，传输信号的失真也就越小，常用的调制方式一般分为调幅、调频和调相三种：
⑴ 幅度调制占用带宽少，一般只适宜在恒参信道下采用。在相同的信号功率条件下，超低频电磁波穿过地层后信号能量衰减严重而且地层和钻探过程中情况复杂多变，因此不适合作为EM-MWD信号调制使用。
⑵ 频率调制频带利用率最好的，具有较好的抗噪声与抗衰减的性能，但是它需要的频带资源太宽；而EM-MWD系统在千米以上深度的传输信道带宽资源十分紧张，加上地层传输特性的不确定性将会出现频率选择性衰落，难以保证信号稳定性。
⑶ 与前两者相比，相位调制频谱利用率适中并且具有良好的抗干扰性，三者中最为适合功率受限、频带资源紧张的EM-MWD 通信。
2.2 信道容量
信道容量是指单位时间内信道上有效传输的最大信息量。根据奈奎斯特采样定理，设带宽为、码元宽度是、等效比特宽度，则码元传输速率、比特率之间的关系为：

其中，为传输码元的进制数。对于带宽为的带限高斯信道，设其加性高斯白噪声，由香农定理得到受干扰信道容量极限：

其中，信号平均功率，噪声功率平均功率。由于在传输过程不可避免会存在各种失真以及多种干扰，该结果只是理论极限值，实际信道容量要小得多。
3 噪声源分析
EM-MWD系统通信中存在的噪声可以分为两大类：系统噪声和环境噪声：
3.1 系统噪声
主要包括：钻杆链接的接触阻抗引起的噪声；钻井过程中由于强烈振动产生的感应噪声；大地磁场噪声；不同地层之间的电磁波反射和干扰等。
3.2 环境噪声
主要包括：① 现场的电力电缆辐射的50Hz（包括谐波）的磁通量；② 低频元件运行（如通断电、开关操作等）或外接负载变化时由瞬时电流引起的电磁干扰（1~20Hz）；③ 泥浆泵工作时所辐射的电磁干扰；④ 现场发电机、电动机产生的电磁波及其谐波分量。
同时，加上由于钻杆材料和接触电阻等因素的变化，在钻进过程中还会产生不规律的电磁脉冲信号并且有可能相互耦合。
4 减弱噪声的处理方法/原则
4.1 系统噪声的处理
根据香农定理可以知道，低频电磁信号经由大地传输的信道容量十分有限，如果不考虑地面环境噪声的影响，主要因素是传输过程中的能量衰减，可以使用提高井下发射功率的方法来解决这个问题，但是发射功率不能提高过大：一方面是这种方式受制于井下供电方式；另一方面，过高的激励可能引起钻杆与套管之间产生电火花，并且强低频信号对人体的损害也非常大。
其次，对于传输信道中地层电阻率、载波频率、钻杆电阻/接触电阻以及周围介质电导率对信号的影响及其程度有待于进一步完善信道模型的分析研究，以便结合相关理论公式进行数据的预处理。
4.2 环境噪声的处理
对环境噪声的处理应该结合每个噪声源各自特点，按照首先尽量消除，无法消除的尽量隔离，无法隔离的尽量减弱其影响范围和程度的原则进行，目的在于提高接收端检测信号的信噪比。具体技术方法详述如下：
4.3 消除噪声
消除噪声主要依靠滤波技术。一般而言，EM-MWD系统地面接收端首先经过带通滤波，将载波频率范围以外的信号滤除，然后再利用各种先进的算法[1-5]对频谱特性与载波信号一样或者相近的噪声进行处理。
4.4 电气隔离
有两种方式：一种是将噪声单元隔离，如收发装置中的易产生噪声的单元进行电路隔离；另一种主要利用接收元器件感应方式的差异实现区别信号采集，如磁力计就对电场干扰信号不敏感，而电极则对磁场变化不敏感。
4.5 抑制 / 补偿
由于噪声具有非周期性和随机性，单纯利用滤波技术很难实现信号的有效恢复，有时会采用将起主要影响作用的噪声作为辅助信号用以抵消部分影响，这种噪声补偿的抑制方法主要有两种思路来产生噪声信号：
⑴ 直接采集噪声。在泥浆泵、电动机/发电机以及主电缆附近（或者这些设备的内部）安置专门的传感器对这些设备所产生噪声信号进行采集，然后将它们作为参考信道输入接收端以达到消减噪声的目的。
⑵ 模拟噪声。设置多路采集，利用各路噪声的相关性，利用各种先进的算法模拟出噪声信号对接收端采集的信号进行补偿 / 抑制。
5 结论
⑴ EM-MWD通信信道是个典型的窄带信道，信道容量有限，应当选用调相方式对载波信号进行调制；
⑵ 系统噪声需要更为完善的信道模型来指导设计，目前可以采用适用于恶劣环境中的性能稳定的元器件和增加发射功率的方式缓解这方面的不利影响；
⑶ 地面接收环境是影响EM-MWD系统通信稳定性的主要影响因素，为了提高地面接收端信噪比，文中建议对环境噪声进行滤波、电气隔离、噪声补偿、功率放大器等处理方式。
【参考文献】
[1]逄玉叶,付永生.无线随钻测量系统中信号处理.电子测量技术. 2005年第二期, pp:43～44.
[2]李世玲,李合生,李治.小波滤波器在弱信号检测中的应用及设计.西南交通大学学报.2005年2月第35卷第1期:86～89.