深地勘探长电缆遥传系统关键技术研究
随着地表浅层资源的开发水平的提升，传统勘探空间发现矿产，油气，稀土等重要资源的概率越来越小，地球深部资源的勘探与开发将是保障国家资源储量的必然选择。近年来，国内深地资源勘探技术逐渐进步，用于更深地层、更复杂地质结构的勘探仪器探测的数据维度更高，参数更多，数据量也更大。深地勘探中的长电缆遥传系统是地上与井下数据通信的咽喉要道，但国内对遥传系统的研究起步较晚，与国外的哈利伯顿等公司的先进仪器相比还有很大差距。因此研究其中的各项关键技术，以满足越来越高的数据遥传需求，成为当前亟需进行的工作。除此之外，对于深地勘探中长电缆遥传系统关键技术的研究，在深地资源勘探领域以外，还可以应用于地铁信号覆盖，陆上大规模地震勘探系统，海洋地震勘探长缆系统等需要长电缆实现高速数据传输的场合。 长距离电缆可用的频谱资源少，高频衰减严重，不利于高速信号传输。为了设计出能充分利用信道带宽的遥传系统，首先要通过建模仿真，来了解深地勘探应用中电缆的基本特征，这也是后续研究的基础。之后，就可以根据信道特性采用合适的编码与调制技术，来最大化利用信道带宽，并减小系统误码率。另外，为了减小长电缆高频衰减对通信的影响，如何对高频信号进行补偿也是提升遥传系统传输性能的关键之一。最后，遥传系统接收端与发送端同步的性能会直接影响到接收端译码的准确性，因此高可靠的同步技术同样是本文的研究目标。 在电缆的建模仿真方面，本文采用有限元法对七芯铠装测井电缆进行二维横截面建模与网格划分，求解了各项分布参数。讨论了井下高温环境对分布参数以及传输特性带来的影响。进而利用时域有限差分法分析了7000米七芯铠装电缆在不同连接方式下的插入损耗，指导了电缆遥传系统的各项参数设计。 在编码调制技术方面，本文研究并讨论了曼彻斯特编码，四电平幅度调制，离散多音调制等调制解调技术在应用于长电缆传输时的优缺点。为提高遥传系统的可靠性，降低误码率，对比了循环冗余校验码，二进制BCH，里德-所罗门码等多种检错纠错编码的性能与复杂度。基于深地勘探应用中的实际需求，选用离散多音调制作为电缆遥传系统的调制解调方案，里德-所罗门码作为信道编码方案。 在信道均衡技术方面，本文首先研究了时域均衡与频域均衡间的关系与各自的特点，在时域上采用预加重与均衡相结合的方式，以平衡发送端输出功率与接收端信噪比。在频域上针对信道特点，采用块状拓扑结构的训练序列实现信道估计，并给出了各个均衡模块的硬件逻辑设计方案。 在信号同步技术方面，本文研究了符号同步，采样时钟频率同步的实现方法，测试了Zadoff-Chu序列，最长线性移位寄存器序列等同步序列的性能，提出了基于FFT过采样的同步序列设计方法。针对硬件电路的特点，研究了符号同步逻辑电路的资源优化方法，并加以仿真，结果证明了优化方案的可行性。 最后，综合以上研究内容，本文设计并实现了长电缆遥传系统，经过测试，该遥传系统能够在7000米七芯铠装电缆上达到最高1.4Mbps的遥传速率，误码率优于10-8，还可以根据电缆传输特性自适应调整系统参数，在长达11000米的七芯铠装电缆上也能达到900kbps以上的通信速率，达成了设计目标，并顺利通过了国家重点研发计划项目(2018YFC0603300)的验收。
海洋地震勘探;长距离电缆遥传系统;编码调制;信道均衡;信号同步
中国科学技术大学
博士
物理电子学
宋克柱
2022
中文
P631.43
2023-04-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）