声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法

摘要

本发明涉及钻探中井底与地面之间双向数据的声波遥传技术领域，具体涉及声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法。现有技术存在钻柱声波信道无法在实验室进行充分研究的问题。在单个钻具的声波无缝传输模型基础上，通过数字滤波器技术，建立任意钻具的随钻声波传输的特征模型，对各种实际的钻柱信道，用单个钻具的特征模型的级联可充分模拟各种实际声波信道的传输特性。采用本发明可建立多样的信道，可以实现多种实验平台模拟，对于以前许多不稳定试验状况，现在可通过FIR的仿真来分析声波传输的问题所在，传输信息成功与失败的原因。

主权项

声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤一、建立任意单个钻具的声波无缝传输模型：根据已知的钻具结构参数，根据声波通过透声膜传输的理论公式(1)‑(5)求得钻具双口网络的S参数四个系统函数特性；所述公式如下：（1）其中，k=w/c，称k为波数；w为振动波频率，c为声波传输速度，为第n根钻杆的长度，为两个钻杆连接接箍的总长度，根据声波S参数模型，将方程（1）中n取第一项，并改写为双口网络S参数模型形式：（2）接箍的中心等效为透声膜，定义声波通过透声膜的反射和透射系数R和T如式(3)和(4)，(3)(4)声波由左侧处振动位移传播到透声膜上，振动位移相位变化，声波由右侧处传播到透声膜上，振动位移相位变化，其中，，为接箍截面积，为钻杆直段截面积，已知钻具结构尺寸，就可计算出钻杆信道S参数模型中，对应的S参数的四个传输函数，分别为：(5a)(5b)(5c)(5d)    根据S参数特性，应用数字滤波器设计方法，模拟钻杆信道某一单个钻具或某段短节的声波传输特性，根据其线性相位特性，用FIR滤波器实现声波钻杆信道的软件模拟，同时其设计参数又可以很方便地使用FPGA进行硬件实现，成为一个独立的信道模拟模块，单钻具无缝传输模型FIR设计步骤如下：    步骤（1）：选定所关心的频带范围，计算四个S参数在此频带内的频率特性；    步骤（2）：逐一设计四个S参数，从S₁₂开始，通过逼近S₁₂的幅频特性，设计FIR，寻找合适的长度范围；    步骤（3）：通过逼近S₁₂的相频特性，以均方误差最小为准则确定最佳FIR长度；    步骤（4）：重复上述步骤完成四个S参数的FIR滤波器的设计；步骤二、根据式(2)，将由四个S参数设计的四个FIR数字滤波器联合起来，模拟单钻具声波无缝传输模型，根据S参数的定义可知，声波输入信号u₀，经过透声膜后继续前行的部分信号就是端口1传输到端口2的系统函数，由S₂₁表示，同时前节钻具反射的声波信号v₁经过透声膜反射的部分信号，描述端口2反射到端口2的系统函数，由S₂₂表示，这两部分信号经过叠加之后，成为端口2的输出信号，也就是继续前行的声波信号u₁，声波输入信号u₀，在经过透声膜后反射出的部分信号描述的是信号由端口1反馈回端口1的过程，由系统函数S₁₁表示，前节钻具反射的声波信号v₁经过透声膜后继续前行的部分信号，描述信号由端口2传输到端口1的过程，由系统函数S₁₂表示，这两部分信号再在另一个累加器中相加，输出构成声波反射信号v₀；步骤三、单钻具无缝传输模型的级联：    实际的声波钻柱信道是由单个钻具联接构成的，将钻杆与钻杆之间的连接接箍左右两个半钻杆看做一个模型，就是假设的钻杆声波无缝传输模型，实际的钻柱可看做是多个模型的级联，在钻杆模型的连接处，由于没有截面积的变化，声波不发生反射，因此，称这种等效钻杆结构为声波无反射钻杆，也正是本发明S参数所描述的模型，由于子系统级联构成总系统函数是子系统函数的T参数连乘，因此将单个钻杆声波无缝传输模型的S参数转化为T参数，整个级联系统的系统函数求解则非常方便，    由S参数和T参数分别描述的模型方程如式(2)和式(6)，转换公式如式(7)，(6)，，，(7)其中，如果N个不同的钻具无缝联接，每个钻具的传输函数用表示，，则N个级联钻具的传输函数为N个子传输函数的矩阵连乘，即：(8)    假设声波在级联周期结构中传输时，在末端钻杆的声波无反射，即v₁=0，将式(6)两端同时除以u₀，有：，    即(9)称t为传输系数，该参数描述了声波沿钻柱传输的频率特性。