一种气体脉冲通讯编解码方法与流程

1.本发明属于石油勘探开发领域，具体涉及一种气体脉冲通讯编解码方法。


背景技术：

2.气体钻井在大幅提高机械钻速方面有突出的贡献，但限制其发展的问题有井眼控制问题，尤其是气体钻定向井、水平井的随钻测量方面，其中数据传输是关键问题。在钻井过程中由于缺少了钻井液进行循环，因而不能使用理论和技术体系相对完善的泥浆脉冲信号传输方式(mwd)。另外由于气体相对与泥浆有较大的压缩系数，气体由压力脉冲编码存在以下问题需要解决：
3.(1)气体压力脉冲信号传输到地面时存在较大的时间延迟，并且压力绝对值大小也与井底不同，井底编码方难以精确控制地面压力；
4.(2)气体压力脉冲信号传输到地面时波形发生明显的变化，不再是阶跃信号，地面解码方难以精确匹配传输的起始时刻；
5.(3)气体压力脉冲信号传输到地面时幅度非常弱，难以从噪声中提取有用信息；
6.(4)气体压力脉冲信号传输到地面时不是规则的方波，难以通过压力脉冲绝对值的大小来判定识别信息数字编码的逻辑1和逻辑0。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种气体脉冲通讯编解码方法解决了空气钻通讯中压力脉冲编码和解码可靠识别的问题。
8.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
9.一种气体脉冲通讯编解码方法，包括以下步骤：
10.s1、将井底传感器数据按传输协议序列化为逻辑比特位，根据逻辑比特位规则定义逻辑代码控制电磁阀，产生气体压力脉冲信号传导到地面压力传感器；
11.s2、记录步骤s1中气体压力脉冲信号在地面压力传感器的数据，计算地面压力传感器数据的差分数据，并在时间窗内根据差分波形将所述差分数据转化为逻辑代码，并将所述逻辑代码反序列化为应用数据。
12.进一步地，步骤s1包括以下分步骤：
13.s11、根据传输协议，将一帧井底传感器数据序列化为逻辑0或者逻辑1的排列组合；
14.s12、按照排列顺序逐个取出分步骤s11中排列组合的比特位，如果是逻辑1，则关闭电磁阀t1秒，打开电磁阀t2秒，如果是逻辑0，则保持电磁阀打开t3秒；
15.s13、判断分步骤s12中是否取出所有比特位；若是则进入分步骤s14，否则跳转到分步骤s12；
16.s14、判断采样间隔时间是否满足要求；若是则跳转到分步骤s11，否则继续执行延时等待。
17.进一步地，步骤s11包括以下分步骤：
18.s111、确定起始位为逻辑1，停止位为逻辑0；
19.s112、根据奇偶校验算法确定校验位；
20.s113、将井底传感器量程内的浮点数映射到整数范围0到1023，利用无符号整数编码确定传感器数据位；
21.s114、根据传感器类型确定帧类型标志位。
22.进一步地，t1和t2之和为一个周期t，t2至少为t1的2倍，t3为一个周期t，t为1个比特的时长。
23.进一步地，步骤s2包括以下分步骤：
24.s21、确定与约定的通讯协议帧长度一致的时间窗；
25.s22、记录步骤s1中传输到地面压力传感器的数据；
26.s23、计算分步骤s22中的地面压力传感器数据相对于时间的差分数据，并缓存所述差分数据；
27.s24、判断分步骤s23中缓存的数据是否超过一个时间窗+半个比特；若是则进入分步骤s25，否则跳转到分步骤s22；
28.s25、将分步骤s24中超过一个时间窗+半个比特的差分数据转化为逻辑代码数据；
29.s26、判断分步骤s25中得到的逻辑代码数据是否通过合法性验证；若是则进入分步骤s27，否则时间窗向前推进半个比特；
30.s27、将分步骤s26中通过合法性验证的逻辑代码数据反序列化为应用数据；
31.s28、向前推进一个时间窗的距离，并跳转到分步骤s24。
32.进一步地，步骤s25包括以下分步骤：
33.s251、寻找步骤s23中缓存的差分数据的最佳匹配点；
34.s252、将时间窗头部与分步骤s251中的最佳匹配点对齐；
35.s253、在时间窗内按逐个比特位提取差分数据，判断比特位里的差分波形是否存在尖角波峰；若是则记此比特位为1，否则记此比特位为0。
36.进一步地，步骤s251包括以下分步骤：
37.s2511、以时间窗左边界为基点，基点单次推进0.5*b数据长度，确定数据长度为0.5*b内的所有差分样点，并分别以每个差分样点为起始比特的左边界；
38.s2512、对分步骤s2511中每个所述左边界对应的一帧数据内的所有比特位，按单个比特位内的差分样点求和并取绝对值，得到所有比特位的对应值；
39.s2513、计算每个所述左边界对应的一帧数据内所有比特位对应值的总和；
40.s2514、对比分步骤s2513中每个所述左边界对应一帧数据内计算得到的总和值，确定所述总和值中最大值对应的左边界，将所述左边界对应的差分样点确定为最佳匹配点。
41.进一步地，数据的合法性验证包括以下步骤：
42.s261、判断起始位是否为逻辑1；如是则进入步骤s262，否则判为数据合法性验证不通过；
43.s262、判断停止位是否为逻辑0；若是则进入步骤s263，否则判为数据合法性验证不通过；
44.s263、判断传感器数据位和帧类型标志位的校验计算结果是否与奇偶校验位一致；若是则通过数据合法性验证，否则数据合法性验证不通过。
45.进一步地，步骤s27包括以下分步骤：
46.s271、提取时间窗内各个比特位；
47.s272、合并传感器数据位数据并利用无符号整数解码；
48.s273、根据帧类型标志位确定传感器类型；
49.s274、将分步骤s272中解码得到的整数映射回分步骤s273确定的传感器的浮点数量程内。
50.本发明的有益效果为：
51.(1)本发明采用压力差分波形进行解码，避免了地面压力需要很长响应时间与井底压力一致的问题，延迟很小；
52.(2)本发明在定义的与约定的通讯协议帧长度一致的时间窗内进行解码，使每一帧数据传输起始时刻都得以同步；
53.(3)本发明计算了地面压力传感器数据的差分数据，采用压力的差分数据作为分析的数据源而非压力本身，极大提高了信噪比；
54.(4)本发明通过分析地面压力差分波形的走势，解决了逻辑1和逻辑0的可靠识别问题。
附图说明
55.图1为一种气体脉冲通讯编解码方法流程图；
56.图2为气体脉冲解码流程图；
57.图3为井底发送和地面接收的传输协议结构图
58.图4为解码部分的时间窗及其细分槽位的结构图；
59.图5为井底压力和地面压力以及地面压力差分的对比图。
具体实施方式
60.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
61.如图1所示，一种气体脉冲通讯编解码方法，包括步骤s1-s2：
62.s1、将井底传感器数据按传输协议序列化为逻辑比特位，根据逻辑比特位规则定义逻辑代码控制电磁阀，产生气体压力脉冲信号传导到地面压力传感器。
63.步骤s1包括以下分步骤：
64.s11、根据传输协议，将一帧井底传感器数据序列化为逻辑0或者逻辑1的排列组合。
65.在本发明的一个可选实施例中，本发明没有先序列化为字节，而是根据传输协议，将一帧井底传感器数据直接序列化为逻辑0或者逻辑1的比特位，用比特位而不是字节组帧，可节省一定的传输时间，省去不必要的空比特填充。
66.步骤s11包括以下分步骤：
67.s111、确定起始位为逻辑1，停止位为逻辑0。
68.s112、根据奇偶校验算法确定校验位。
69.s113、将井底传感器量程内的浮点数映射到整数范围0到1023，利用无符号整数编码确定传感器数据位。
70.s114、根据传感器类型确定帧类型标志位。
71.s12、按照排列顺序逐个取出分步骤s11中排列组合的比特位，如果是逻辑1，则关闭电磁阀t1秒，打开电磁阀t2秒，如果是逻辑0，则保持电磁阀打开t3秒。
72.在本发明的一个可选实施例中，本发明关闭阀t1秒，使得井底压力迅速上升，产生气体压力脉冲信号，并在一定时间后传导到地面压力传感器，之后打开电磁阀t2秒，使得井底和地面的压力都恢复到低压力的空闲状态。
73.具体地，本发明中逻辑1编码为压力先上升后下降的动态过程，对于井底来说是一个非常理想的方波正脉冲，对于地面来说是一个类似电路中先快速充电之后缓慢放电的波形。
74.t1和t2之和为一个周期t，t2至少为t1的2倍，t3为一个周期t，t为1个比特的时长。
75.在本发明的一个可选实施例中，t的取值由通讯波特率决定，取为1个比特的时长。t1和t2的取值和井深井直径以及空压机的排量有关，通常t2是t1的2到6倍，可以现场通过加压和泄压的相对快慢来确定。
76.s13、判断分步骤s12中是否取出所有比特位，若是则进入分步骤s14，否则跳转到分步骤s12。
77.s14、判断采样间隔时间是否满足要求，若是则跳转到分步骤s11，否则继续执行延时等待。
78.在本发明的一个可选实施例中，本发明编码完一帧数据，按采样间隔，延时一定时间后，重复步骤s1～s5，直到电池电量耗尽。
79.s2、记录步骤s1中气体压力脉冲信号在地面压力传感器的数据，计算地面压力传感器数据的差分数据，并在时间窗内根据差分波形将所述差分数据转化为逻辑代码，并将所述逻辑代码反序列化为应用数据。
80.如图2所示，提供了本发明气体脉冲解码流程图。
81.步骤s2包括以下分步骤：
82.s21、确定与约定的通讯协议帧长度一致的时间窗。
83.在本发明的一个可选实施例中，时间窗细分为m个比特位，每个比特位为一个周期t秒。
84.s22、记录步骤s1中传输到地面压力传感器的数据。
85.在本发明的一个可选实施例中，编码部分通过控制电磁阀产生的气体压力脉冲信号，传导到地面压力传感器，然后工作人员可实时记录对应数据。
86.s23、计算分步骤s22中的地面压力传感器数据相对于时间的差分数据，并缓存所述差分数据。
87.在本发明的一个可选实施例中，本发明计算地面压力相对于时间的差分数据(一阶微分)，并缓存所有差分数据在桌面应用软件的内存中。
88.地面压力相对于时间差分的公式为：
89.(p2-p1)/(t2-t1)
90.其中：p为地面压力，t为时间戳，t2-t1为一个固定的间隔时间，通常是采样间隔的几十到几百倍，例如假设采样间隔为20ms,则差分的间隔可以取1秒到1分钟，满足差分计算的结果能反应出地面压力波形的变化趋势即可。
91.s24、判断分步骤s23中缓存的数据是否超过一个时间窗+半个比特，若是则进入分步骤s25，否则跳转到分步骤s22。
92.在本发明的一个可选实施例中，本发明之所以设置要超过一个时间窗+半个比特，是因为只要采样数据都长度超过一帧，就能检测是否有起始位。
93.s25、将分步骤s24中超过一个时间窗+半个比特的差分数据转化为逻辑代码数据。
94.步骤s25包括以下分步骤：
95.s251、寻找步骤s23中缓存的差分数据的最佳匹配点。
96.步骤s251包括以下分步骤：
97.s2511、以时间窗左边界为基点，基点单次推进0.5*b数据长度，确定数据长度为0.5*b内的所有差分样点，并分别以每个差分样点为起始比特的左边界。
98.在本发明的一个可选实施例中，本发明的0.5*b是指一次解码前的预检测所迭代的数据长度，假设此时时间戳为t0,样点序号为n0,则从sdf(n0)到sdf(n0+0.5*b)，取其中所有的差分样点sdf分别作为起始比特的左边界。
99.s2512、对分步骤s2511中每个所述左边界对应的一帧数据内的所有比特位，按单个比特位内的差分样点求和并取绝对值，得到所有比特位的对应值。
100.在本发明的一个可选实施例中，本发明先假设某个样点为起始比特的起始左边界，然后按照通讯协议中约定的比特宽度，对一个比特内所有差分样点进行求和并取绝对值，然后一帧数据内所有比特都取对应值。同理得到所有假设的左边界的对应值。
101.s2513、计算每个所述左边界对应的一帧数据内所有比特位对应值的总和。
102.在本发明的一个可选实施例中，假设一帧数据内所有比特位对应值的总和为stot,则stot＝∑sbit(j),其中j取0到14，即协议帧中的15个比特，而sbit＝abs(∑sdf(i)),，其中i的取值范围为0到cnt-1,cnt指的是一个比特的样点数，abs指的是求绝对值。可得到所有假设的左边界对应的stot。
103.s2514、对比分步骤s2513中每个所述左边界对应一帧数据内计算得到的总和值，确定所述总和值中最大值对应的左边界，将所述左边界对应的差分样点确定为最佳匹配点。
104.在本发明的一个可选实施例中，如果是真正的起始左边界，一个比特内求和时不存在正负抵消的情况，取绝对值后再求和，这个和是最大值；如果是假边界，则由于一个比特内的差分数据在求和时存在正负抵消的情况，最后的总和相对较小。因此，确定所述总和值中最大值对应的左边界，所述左边界对应的差分样点即为最佳匹配点。
105.s252、将时间窗头部与分步骤s251中的最佳匹配点对齐。
106.在本发明的一个可选实施例中，工作人员可将时间窗滑动到同步时刻点，也就是时间窗头部(左边)与最佳同步点对齐。
107.s253、在时间窗内按逐个比特位提取差分数据，判断比特位里的差分波形是否存
在尖角波峰，若是则记此比特位为1，否则记此比特位为0。
108.在本发明的一个可选实施例中，如果槽位里的压力差分波形是电容先迅速充电然后缓慢放电的走势，所谓迅速充电，指波峰之前的斜率很大，波形上升时间相对较短；而缓慢放电，是说波峰之后的斜率相对波峰之前的斜率比较小，波形下降持续时间相对较长。因此，逻辑1的走势视为一个尖叫波峰。本发明中地面波形不像井底波形那样表现为一个理想正脉冲，是因为数百米甚至千米的深井从能量角度可近似看做电路中的储能元件电容器，电容储能的规律为，电容电压不会与电源电压同步，而是经过一定时间延迟后充电到电源电压。
109.如果槽位里的压力差分波形像是电容缓慢放电走势或者较为平坦的随机白噪声，则判定此比特位为逻辑0。本发明中出现这样的波形，是因为即使上一个比特位也是逻辑0，当前比特位也可能压力没有释放完全，有少量残余能量，因此当前比特位也会呈现出下降趋势，只是比较平坦，可以看成是白噪声。
110.s26、判断分步骤s25中得到的逻辑代码数据是否通过合法性验证，若是则进入分步骤s27，否则时间窗向前推进半个比特。
111.数据的合法性验证包括以下步骤：
112.s261、判断起始位是否为逻辑1，如是则进入步骤s262，否则判为数据合法性验证不通过。
113.s262、判断停止位是否为逻辑0，若是则进入步骤s263，否则判为数据合法性验证不通过。
114.s263、判断传感器数据位和帧类型标志位的校验计算结果是否与奇偶校验位一致；若是则通过数据合法性验证，否则数据合法性验证不通过。
115.s27、将分步骤s26中通过合法性验证的逻辑代码数据反序列化为应用数据。
116.步骤s27包括以下分步骤：
117.s271、提取时间窗内各个比特位；
118.s272、合并传感器数据位数据并利用无符号整数解码；
119.s273、根据帧类型标志位确定传感器类型；
120.s274、将分步骤s272中解码得到的整数映射回分步骤s273确定的传感器的浮点数量程内。
121.s28、向前推进一个时间窗的距离，并跳转到分步骤s24。
122.如图3所示，其中：start bit是起始位,chk bit是奇偶校验位，stop bit是停止位，b0到b9是传感器数据位，f0和f1是帧类型标志位。起始位用于同步，校验位用于验证数据完整性，数据位用于传感器读数编码，标志位用于确定传感器类型，停止位用于帧间保留一定间隔。
123.如图4所示，时间窗总共分为15个槽位，与图3中通讯协议设计一致。解码时假设时间窗左边界已经与真正的数据边界对齐，如果检测到起始位，并且通过数据完整性验证，则说明时间窗与真实数据边界对齐，可以进行真正解码。如果没有检测到起始位，或者没有通过完整性验证，则说明此时是没有数据都空闲状态，或者此时时间窗没有和真正的数据边界对齐。
124.如图5所示，地面波形与井底的压力脉冲波形存在一定变化；地面波形与井底波形
存在时间上的延迟滞后；逻辑0对应的地面差分波形可能是零点附近的白噪声，有正有负但较为平坦，也可能是从正数到负数缓慢过渡的一个波形，当一阶差分变为负数时，地面压力才真正开始下降。
125.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将井底传感器数据按传输协议序列化为逻辑比特位，根据逻辑比特位规则定义逻辑代码控制电磁阀，产生气体压力脉冲信号传导到地面压力传感器；s2、记录步骤s1中气体压力脉冲信号在地面压力传感器的数据，计算地面压力传感器数据的差分数据，并在时间窗内根据差分波形将所述差分数据转化为逻辑代码，并将所述逻辑代码反序列化为应用数据。2.根据权利要求1所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s1包括以下分步骤：s11、根据传输协议，将一帧井底传感器数据序列化为逻辑0或者逻辑1的排列组合；s12、按照排列顺序逐个取出分步骤s11中排列组合的比特位，如果是逻辑1，则关闭电磁阀t1秒，打开电磁阀t2秒，如果是逻辑0，则保持电磁阀打开t3秒；s13、判断分步骤s12中是否取出所有比特位；若是则进入分步骤s14，否则跳转到分步骤s12；s14、判断采样间隔时间是否满足要求；若是则跳转到分步骤s11，否则继续执行延时等待。3.根据权利要求2所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s11包括以下分步骤：s111、确定起始位为逻辑1，停止位为逻辑0；s112、根据奇偶校验算法确定校验位；s113、将井底传感器量程内的浮点数映射到整数范围0到1023，利用无符号整数编码确定传感器数据位；s114、根据传感器类型确定帧类型标志位。4.根据权利要求2所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，t1和t2之和为一个周期t，t2至少为t1的2倍，t3为一个周期t，t为1个比特的时长。5.根据权利要求1所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s2包括以下分步骤：s21、确定与约定的通讯协议帧长度一致的时间窗；s22、记录步骤s1中传输到地面压力传感器的数据；s23、计算分步骤s22中的地面压力传感器数据相对于时间的差分数据，并缓存所述差分数据；s24、判断分步骤s23中缓存的数据是否超过一个时间窗+半个比特；若是则进入分步骤s25，否则跳转到分步骤s22；s25、将分步骤s24中超过一个时间窗+半个比特的差分数据转化为逻辑代码数据；s26、判断分步骤s25中得到的逻辑代码数据是否通过合法性验证；若是则进入分步骤s27，否则时间窗向前推进半个比特；s27、将分步骤s26中通过合法性验证的逻辑代码数据反序列化为应用数据；s28、向前推进一个时间窗的距离，并跳转到分步骤s24。6.根据权利要求5所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s25包括以下分步骤：
s251、寻找步骤s23中缓存的差分数据的最佳匹配点；s252、将时间窗头部与分步骤s251中的最佳匹配点对齐；s253、在时间窗内按逐个比特位提取差分数据，判断比特位里的差分波形是否存在尖角波峰；若是则记此比特位为1，否则记此比特位为0。7.根据权利要求6所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s251包括以下分步骤：s2511、以时间窗左边界为基点，基点单次推进0.5*b数据长度，确定数据长度为0.5*b内的所有差分样点，并分别以每个差分样点为起始比特的左边界；s2512、对分步骤s2511中每个所述左边界对应的一帧数据内的所有比特位，按单个比特位内的差分样点求和并取绝对值，得到所有比特位的对应值；s2513、计算每个所述左边界对应的一帧数据内所有比特位对应值的总和；s2514、对比分步骤s2513中每个所述左边界对应一帧数据内计算得到的总和值，确定所述总和值中最大值对应的左边界，将所述左边界对应的差分样点确定为最佳匹配点。8.根据权利要求5所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，数据的合法性验证包括以下步骤：s261、判断起始位是否为逻辑1；如是则进入步骤s262，否则判为数据合法性验证不通过；s262、判断停止位是否为逻辑0；若是则进入步骤s263，否则判为数据合法性验证不通过；s263、判断传感器数据位和帧类型标志位的校验计算结果是否与奇偶校验位一致；若是则通过数据合法性验证，否则数据合法性验证不通过。9.根据权利要求5所述的一种气体脉冲通讯编解码方法，其特征在于，步骤s27包括以下分步骤：s271、提取时间窗内各个比特位；s272、合并传感器数据位数据并利用无符号整数解码；s273、根据帧类型标志位确定传感器类型；s274、将分步骤s272中解码得到的整数映射回分步骤s273确定的传感器的浮点数量程内。

技术总结
本发明公开了一种气体脉冲通讯编解码方法，包括以下步骤：将井底传感器数据按传输协议序列化为逻辑比特位，根据逻辑比特位规则定义逻辑代码控制电磁阀，产生气体压力脉冲信号传导到地面压力传感器；记录气体压力脉冲信号在地面压力传感器的数据，计算地面压力传感器数据的差分数据，并在时间窗内根据差分波形将所述差分数据转化为逻辑代码，并将所述逻辑代码反序列化为应用数据。本发明采用压力差分波形进行解码，避免了地面压力需要很长响应时间与井底压力一致的问题，延迟很小，解决了逻辑1和逻辑0的可靠识别问题，极大提高了信噪比，并在定义的与约定的通讯协议帧长度一致的时间窗内进行解码，使每一帧数据传输起始时刻都得以同步。以同步。以同步。


技术研发人员：陈星宇 孟英峰 李皋 陈一健 龚林 李俊阳
受保护的技术使用者：成都皓瀚完井岩电科技有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/1