CC BY
50
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ
_ГОРНО ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ_
2002 СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА Вып. 15
IV. ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАЗВЕДОЧНОЙ ГЕОФИЗИКИ
УДК 539.1.083: 550.83: 621.315.2
A.B. Давыдов, Т.С. Мамлеев
ЧАСТИЧНАЯ ДЕКОНВОЛЮЦИЯ ИМПУЛЬСНОГО ОТКЛИКА КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ
Как было рассмотрено в работе [5]. каротажный кабель представляет собой линию связи с пониженной добротностью и нелинейной зависимостью передаточной функции от длины кабеля. Импульсную пропускную способность кабеля и качество передачи данных определяют эффективная ширина частотного спектра ДОк, эффективная длительность импульсного отклика Д7'к и индекс неопределенности ДT„AQh токопроводящих жил кабеля. Максимальная частота передачи по кабелю кодовых импульсов соответствует тактовым интервалам, равным 2-АТк, при эффективной длительности импульсов, не превышающей эффективной длительности отклика кабеля. На предельной частоте передачи однополярные сигналы с гладкой формой и минимальной шириной спектра не имеют преимуществ перед прямоугольными импульсами.
Однополярные импульсы по отношению к электрическим параметрам кабеля и его частотным характеристикам не являются оптимальными. Практически все первичные и вторичные электрические характеристики кабеля, за исключением емкости, существенно нелинейны в области низких частот, где сосредоточена значительная часть энергии однополярных сигналов. Соответственно кабель оказывается рассогласованным на этих частотах с нагрузкой, а стабильность передачи сигналов зависит от изменения степени рассогласования при влиянии на кабель дестабилизирующих факторов (температуры, условий заземления оплетки в скважине и пр.). При однополярных сигналах на ограничение импульсной пропускной способности кабеля оказывает влияние и существенное смещение нулевой линии, определяемое резкой асимметрией импульсного отклика кабеля и зависимое от конкретной импульсной нагрузки кодовых последовательностей. По этой же причине для однополярных кодов не может быть выполнена система надежной автоматической синхронизации тактовых частот передатчика и приемника.
Решение данной проблемы в радиотехнике известно: частотное перераспределение энергии сигналов со смещением в средне- и высокочастотную область спекфа каЬеля, т. е. применение биполярных сигналов с нулевым средним значением по тактовым интервалам.
В табл. 1 приведены импульсные параметры двух типов биполярных сигналов равной энергии, П-импульсов одного периода меандра (Би-П) и одного периода синусоиды (Син) пределах тактовых периодов Т-2ДГК и Д7"к (расчет по рекомендациям работ [1,2]; смотри следующую статью в настоящем сборнике). Из таблицы можно видеть, что потеря сигналами высокочастотных составляющих приводит их к практически идентичной форме, и гладкая форма входных сигналов на предельных тактовых частотах, как и для однополярных импульсов, не имеет преимуществ перед п ря моу гол ьн ы м и и м пул ьсам и.
Таблица 1
Параметры биполярных сигналов на кабеле КГ 3x0.75-60-150 (ДТК* 26 мке, ДП«* 34.4 кГц. ДТКАПК * 0.9)
Тактовый шпервал Т= 2ДГк Г= Д7»
Сигналы Входные Выходные Входные Выходные
1(арамстры Би-П Сии Би-П Син. Би-П Син. Би-П Син.
Д'Г импульса, мке 30.3 27.9 39.3 36.2 15.2 13.9 24.9 23.5
АП импульса, кГц 400 38.2 26.3 282 566 76 4 44.1 480
Индекс ДГДП 12.1 1.06 1.03 1.02 8.06 1.07 1.10 1.13
Биполярные импульсы не лают смещения нулевой линии в пределах кодового слова, при этом по внутритактовому пересечению нуля может выполняться автоматическая синхронизация тактовых частот передатчика и приемника. Кроме того, импульсы отрицательной полярности представляют собой дублирующую кодовую информацию, сдвинутую на половину таета. Она также может быть использована для повышения достоверности идентификации импульсоз и допустимого уровня шумов (детектирование сигналов по полярности на два канала, задержка канала положительных импульсов на полтакта, инверсия полярности канала отрицательных импульсов и суммирование каналов. При этом амплитуды импульсов увеличиваются в 2 раза, а среднеквадратический уровень
статистических шумов уменьшается в V 2 раз).
Скорость передачи информации (бит/с) зависит не только от тактовой частоты передачи данных, но и от протокола кодирования информации. Хотя каротажную линию с трудом можно отнести к информационной магистрали, скорее это специальная технологическая линия управляемого сбора данных, тем не менее протокол передачи каротажных данных целесообразно заимствовать из стандартов открытых систем обмена информацией OSI (Open System Interconnect).
С учетом специфики и условий эксплуатации (один приемник, большое разнообразие и частая смена передатчиков - скважинных приборов) для каротажных систем используются, как правило, только двух- и трехуровневые коды RZ (Return to Zero), NRZ (Non Return to Zero) и Манчестср-П.
Двухуровневый код NRZ (ноль - нижний уровень, 1 - верхний! имеет информационные переходы на границе битов. Максимальная частота кода - при чередовании единиц и нулей, минимальная (нулевая) - при передаче последовательности одинаковых битов. Достоинство кода -максимальная простота. Основной недостаток - отсутствие надежной синхронизации и необходимость для синхронизации специальных (пакетных старт-стоповых) служебных битов.
Трехуровневый код RZ обеспечивает возврат к нулевому уровню после каждого бита информации. Логическому нулю соответствует положительный импульс, единице - отрицательный. Информационный переход осуществляется в начале бита, возврат к нулю - в середине бита. Код синхронизируется но битам переходом по его центру.
Код Манчсстер-Н является двухуровневым кодом с автосинхронизацией. Нулевому сигналу соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала с возвратом на нижний по концу битового интервала, если следующий бит также нулевой, соответственно, логической единице - переход на нижний уровень с возвратом на верхний по концу интервала, если следующий бит также 1. Бит обозначен переходом в ценгре бита, по которому выделяется синхросигнал. Максимальная частота кода при передаче нулей или единиц, при чередовании нулей и единиц частота кода уменьшается в два раза. Достоинство кода - отсутствие постоянной составляющей при передачах последовательностей »гулей или единиц.
На рис. 1 приведен пример кодировки одной битовой последовательности тремя данными кодами по тактовым интервалам 2-ДТк жилы кабеля и сигналы кодов на выходе кабеля. Масштаб выходных сигналов (утолщенные линии) - в единицах амплитуды входных сигналов. Тонкими линиями показаны входные сигналы, приведенные к выходу кабеля с учетом безвозвратных потерь энергии в кабеле умножением на тощадь импульсного отклика, и смещенные на время задержки.
Сравнение кодов достаточно наглядно. Скорость передачи данных fj = 1/(2Д7*к) бит/с можно считать предельной для всех трех типов кодов. Код NRZ имеет преимущество и определенный запас "прочности" по амплитудным параметрам выходных сигналов, но без "жесткой" синхронизации приемника и передатчика надежное декодирование сигналов в присутствии шумов не гарантируется. Амплитудные характеристики кода Манчестср-Н практически в 2 раза лучше кода RZ, и соответственно выше помехозащищенность кода и надежность автосинхронизации. Кроме того, две основные несущие частоты кода позволяют при приеме сигналов применять полосовые фильтры и тем самым повышать помехозащищенность линии передачи данных.
Заметим, что на предельных частотах передачи первые выходные импульсы в кодовых комбинациях и импульсы после нулевых битов в кодах RZ и Манчестер-И несколько больше по значениям последующих импульсов в непрерывной последовательности. При необходимости этот эффект может быть устранен уменьшением амплигуды входных импульсов, следующих за »^'левыми интервалами.
код^г
Код
КодМанчестер-П
строб - импульсы
битовая последовательность
Код шг
КодРг
Кабель КГ 3x0.75-60-150. жила-броня, длина 5 км. Тактовый интервал Т=2 аТк
600 Время, мхе.
200 400 600 ООО 1000
Воемя. мкс
Рис. 1. Примеры кодировки сигналов и форма сигналов на выходе кабеля
Таким образом, оптимальной формой сигналов для каротажного кабеля при кодовой передаче сигналов, обеспечивающей максимальную скорость передачи данных, являются биполярные импульсы. Основным кодом передачи каротажных данных, максимально использующим возможности каротажного кабеля, можно считать код Манчсстср-П.
Принципы частотной коррекции сигналов при их искажениях в линиях связи известны (3, 4). Заметим, что говорить о восстановлении формы сигналов с определенной погрешностью имеет смысл только в том случае, если эффективная ширина спектра сигналов много меньше эффективной ширины спектра импульсного отклика кабеля и затухает достаточно быстро. Для импульсных широкополосных сигналов, передаваемых по кабелю, возможна только частичная деконволюция импульсного отклика жил, т. е. применение фильтров сжатия импульсных откликов до определенной формы. Форма выходных импульсов кодовых сигналов значения не имеет, если не нарушается пространственное распределение импульсов. Оптимальной с позиции минимального значения коэффициента усиления дисперсии шумов в этом случае считается симметричная гауссовская форма выходных импульсов фильтров частичной деконволюции (ЧД) импульсных откликов.
Общая методика синтеза фильтров ЧД включает следующие операции:
1. Задание длины кабеля, определение его импульсного отклика и сдвиг отклика (по началу фронта) в начало координат. Полученную функцию будем считать амплитудным откликом /;(/) кабеля (без учета задержки сигнала), над которым выполняется преобразование Фурье /?(/) //(со).
2. Задание формы выходного импульса 2(1) фильтра ЧД в виде гауссовской функции и определение ее спектра г(/) с^ 2(со). Временное расположение импульса г(/) должно быть таким, чтобы площадь импульса практически полностью располагалась за пределами фронта импульсного отклика кабеля. Максимум г(/) должен располагаться за максимумом отклика кабеля (пример на рис.
2(А)). Ширима импульса г(/) подбирается по допуску на коэффициент усиления дисперсии шумов (после расчеза оператора ЧД), значение которого, с учетом усиления фильтром амплитуды импульсов, не должно, как правило, увеличивать отношение сигнал/шум. Чем меньше значение ДО импульса ¿(/) (больше эффективная ширина Д7), тем меньше коэффициент усиления дисперсии шумов.
3. Вычисление спектральной плотности передаточной функции фильтра ЧД, которое выполняется по формуле Щсо) = 2{(.о)///(со). Функция НсЦсо) имеет смысл только в области значимых значений //(со) и за пределами этой области должна быть обнулена, что исключит усиление фильтром высокочастотных шумов кабеля.
4. Обратным преобразованием Фурье функции //¿/(<о) вычисляется оператор фильтра ЧД: Ш(со) => 0 (пример оператора на рис. 2(В)).
При подаче на вход кабеля импульса Кронекера 60 на выходе фильтра ЧД будем иметь.
5(/)=6о./К0*М0 1-Я(со)-Ш(со)=2(со) о 2(/),
з
х!
В * 0.5 !
/ \ , ^ г4-* ^ | КГ 1*0 75-55-150
® / / |Л - 2 км
/ш
/ • / • \ 2(1)/4.7 ^ •
».-••' 1 !*"•••-........У
о
05
•0.5
2 Время. 4
__. I I КГ 1x0 75-55-150
Л- 2км|
® \ у'' ! . 1 - 1
2 3
Время. икс
Рис. 2. Оператор ЧД
т. е. выходной единичный импульс вместо асимметричной формы импульсного отклика кабеля будет иметь симметричную форму 1-ауссовского импульса.
Точность воспроизводства фильтром ЧД формы заданной функции выходного импульса определяется размером оператора ЧД, который имеет существенное значение при его технической реализации. Основная часть энергии оператора (более 99 %) сосредоточена а пределах интеркала, примерно равного (2-3) значениям фронта импульсного отклика, т. е. начальная часть импульсного отклика содержит практически всю информацию о форме сигналов на входе кабеля. Однако вследствие достаточно длинного спада отклика с постепенным уменьшением скорости спада чрезмерное ограничение размера оператора ЧД может приводить к появлению на его выходе послеимпульсных 'выбросов" и затянуть восстановление нулевой линии.
На рис. 3(А) показана деконволюция кодовых сигналов с тактовой частотой 38 кГц, приведенных ранее без деконволюции на рис. 1 на предельной тактовой частоте 19 кГц. Длительность оператора ЧД 20 мке, коэффициент усиления дисперсии шумов -0.65, коэффициент усиления амплитуды импульсного отклика жилы -3 8, что позволяет улучшить отношение сигнал/шум на выходе фильтра минимум в 2 раза, так как оператор ЧД в этом случае выполняет и роль низкочастотного сглаживающего фильтра.
Как следует из рисунка, деконволюция позволяет практически полностью восстановить амплитудные значения сигналов (за вычетом безвозвратных потерь) на удвоенной тактоиой частоте, т. с. импульсная пропускная способность кабеля повышается минимум в 2 раза. Что касается предельной импульсной пропускной способности кабеля, то она повышается практически в 4 раза по сравнению с приемом сигналов без деконволюции, о чем достаточно наглядно свидетельствует пример формы тех же кодовых сигналов на тактовой частоте 76 кГц, приведенный на рис. 3(В). Преимущество кода Манчестер-П перед кодом К2. также очевидно. С определенным запасом "прочности" можно считать, что при передаче информации биполярными кодами предельная скорость передачи данных с использованием частичной деконволюции импульсного отклика кабеля может быть увеличена минимум в 3 раза.
Основное условие технической реализации фильтров ЧД - работа в реальном масштабе времени. Дополнительное и желательное условие - автономность, которая позволит включать фильтры ЧД на выход кабеля в состав любой станции, если в том появится необходимость.
Кабель КГ 3:<С 75-60-150. »сила-броня, длина 5 км
Код Манче стер П
Код Манчестер-П
150 Время, мкс
Нормироьаххык входной скпол ТПЖ —Скггап ка выходе ТПЖ —Сигнал кд. выходе ЧД
Рис. 3. Деконволюция кодовых выходных сигналов, тактовые частоты 38 и 76 кГц
Достаточно простая форма передаточной функции фильтра ЧД позволяет выполнить его реализацию непосредственно в виде аналогового нерекурсивного или рекурсивного фильтра. Следует отметить, что такие фильтры будут являться индивидуальными для кабелей различных типов и различной длины (и определенных пределах возможной подстройки) и могут отличаться по исполнению: нерекурсивные - для фильтров с короткой функцией отклика, рекурсивные - для кабелей с длиной 3 км и более.
С учетом темпов развития электроники перспективным и универсальным направлением следует считать цифровые фильтры, микропроцессорные или программные в составе каротажных измерительно-вычислительных комплексов. Детерминированность кодовых сигналов позволяет выполнять цифровые ЧД с автоматической адаптацией под кабель, стоящий на каротажной станции.
Комбинацией дискретного синтеза с аналоговой фильтрацией являются трансверсальные фильтры на линиях задержки. Условия для их реализации аналогичны цифровым фильтрам.
Возможность цифрового исполнения фильтров ЧД можно оценить по табл. 2.
Таблица 2
Параметры передачи данных (кабель КГ 3x0.75-60-150, жила-броня) в зависимости от длины кабеля
Параметры 1 ! 2 3 4 5 6 7
11рсдс.1ьная частота /"„„ [по уровню 0.01 К^], ГТи 2460 718 358 220 151 111 85
Шаг дискретизации на предельной частоте (1/2/1.,), мкс 0.2 0.7 1.4 2.3 3.3 4.5 5.9
Эффективная ширина импульсного отклика ЛТ,. мкс 3.3 8.6 14.1 19.9 26.1 33.1 40.9
Тактовая частота передачи данных/т=1/А7'„ кГц 306 117 71 50.3 38.3 30.3 24.4
Шаг дискретизации по тактовой частоте (1/4/т), мкс 0.4 1.0 2.2 2.5 3.3 4 1 5.1
Размер оператора ЧД (>98 % энергии оператора), кс 2.6 5.1 9 13.5 19 25 32
Оптимальный шаг дискретизации данных Л/. мкс 0 12 0.24 0.4 0.65 1 1.2 1.5
11римсчанис. Длина кабеля в километрах.
При определении частоты Найквиста цифрового фильтра по частоте /пр передаточной функции кабеля значение шага дискретизации данных на выходе кабегя находится в диапазоне 0.2-6 мкс в зависимости от длины кабеля. Этот диапазон хорошо согласуется с шагом дискретизации данных по предельной тактовой частоте передачи информации биполярными импульсами (частота Найквиста за третьей гармоникой тактовой частоты). Для исключения трансформации высокочастотных шумов в частотный диапазон фильтру ЧД должен предшествовать низкочастотный аналоговый фильтр с полосой пропускания до частоты Найквиста или полосовой фильтр основных кодовых частот.
Усиление дисперсии шумов оператором цифрового фильтра зависит от интервала дискретизации его коэффициентов. При увеличении шага дискретизации количество коэффициентов оператора ЧД уменьшается, а их значения возрастают, что вызывает увеличение коэффициента усиления дисперсии шумов. При значении коэффициента усиления дисперсии помех на уровне, не большем 1, шаг дискретизации коэффициентов фильтра ЧД соответствует 20-30 значениям в пределах длительности значимой части оператора ЧД. Соответственно диапазон оптимальных значений шага дискретизации данных на входе фильтра ЧД, показанных в последней строке габл. 2, установлен по длине операторов ЧД и составляет от 0.12 до 1.5 мкс. В принципе такой тактовый диапазон при 20-30 операциях умножения и сложения вполне доступен для современных микропроцессорных систем, особенно для кабелей большой длины, для которых фильтр ЧД необходим в максимальной степени.
В трансвсрсальных фильтрах сигнал с кабеля подается на последовательную цепочку линий задержки (ЛЗ), в каждой из которых осуществляется задержка сигнала на интервал дискретизации данных. К выходам ЛЗ подключается матрица резисторов, значения которых обратно пропорциональны значениям коэффициентов оператора ЧД. Токи через резисторы, пропорциональные положительным и отрицательным значениям коэффициентов оператора, суммируются раздельно (на входах операционных усилителей), после чего из "положительного" тока вычитается "отрицательный" и результат подается на вход аппаратуры станции как выходной сигнал фильтра ЧД. Трансверсальный фильтр хорошо приспособлен для исполнения в качестве автономного промежуточного блока между кабелем и станцией. При переменных сопротивлениях резисторной матрицы фильтр легко подстраивается под любой тип и любую жилу кабе;:я, а при изменении длины кабеля изменение интервала дискретизации данных выполняется заменой ЛЗ. Некоторые технические трудности могут возникать только в наборе линий задержки для длинных кабелей (большое время задержки) с дополнительным затуханием сигнала в самой ЛЗ, но последнее компенсируется соответствующим изменением коэффициентов резисторной матрицы.
Возможно и комбинированное цифро-аналоговое исполнение фильтра ЧД, в котором роль ЛЗ исполняет сдвиговый цифровой регистр с АЦП на входе (тактовая частота сдвига определяет шаг дискретизации данных), каждая цифровая ячейка которого имеет обратный резисторный ЦАП. Дальнейшая обработка токов ЦАП и формирование выходного сигнала аналогично трансверсальному фильтру. Для кодовых сигналов объем цифровых ячеек регистра может быть в пределах 6-8 двоичных разрядов. В таком исполнении фильтр ЧД становится автономным универсальным блоком
с простой и гибкой настройкой под любой тип кабеля любой длины с изменением интервала дискретизации данных частотой тактового сдвига цифрового регистра.
Краткие выводы по возможностям повышения импульсной пропускной способности каротажных кабелей:
1. Качество приема и надежность идентификации кодовой информации на выходе кабеля могут быть существенно повышены при частичной деконволюции импульсного отклика кабеля до симметричной (гауссовской) формы.
2. Скорость передачи кодовых данных при использовании частичной деконволюции импульсного отклика может быть увеличена минимум в 2 раза при любых методах кодирования и равна 1/ДГк. При передаче информации биполярными импульсами предельная скорость передачи данных может быть увеличена минимум в 3 раза.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гоноровскин И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977. 608 с.
2. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. Часть 2. М.: Мир, 1988. 360 с.
3. Сильвинская К.А., Голышко З.Н. Расчет фазовых и амплитудных корректоров: Справочник. М.: Связь, 1980. 104 с.
4. Стрнжевскин Н.З. Коаксиальные видеолинин. М.: Радио и связь, 1988. 200 с.
УДК 539.1.083: 550.83: 621.315.2
Т.С. Мамлеев, A.B. Давыдов ИМПУЛЬСНАЯ ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КАРОТАЖНЫХ КАБЕЛЕЙ
Начиная с 80-90-х годов прошлого века в технологиях геофизических исследований скважин (ГИС) наблюдаются существенные качественные изменения, а именно: переход на комплексные многопараметровые измерения с применением многофункциональных скважинных приборов с обработкой первичных данных в реальном масштабе времени непосредственно в каротажных лабораториях. Это требует передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило, в цифровой форме и с высокой скоростью. В то же время практически единственной телеметрической линией передачи данных ГИС остается традиционный каротажный кабель.
Каротажный геофизический кабель относится к типу грузонесущих кабельных линий передачи информации от скважинных приборов к каротажной станции и управляющих сигналов на скважинные приборы. Пропускная информационная способность кабеля определяет скорость каротажа, особенно в комплексных методах ГИС. В силу многообразия геофизических датчиков и разнотипности частотных характеристик измеряемых геофизических параметров, кабели должны обеспечивать передачу информации в достаточно широком частотном диапазоне. Но вместе с тем каротажный кабель является тросом с разрывным усилием до нескольких тонн, несущим скважинные приборы в химически и механически агрессивной среде скважин. По существу, это кабель-трос специального технологического назначения, что накладывает определенные ограничения на его характеристики как линии связи. Реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей, в зависимости от их длины, ограничивается диапазоном до 10-100 кГц. что начинает существенно сдерживать развитие и совершенствование технологий ГИС. Отметим также возможность эксплуатации кабеля в широком диапазоне температур, от минусовых на поверхности до 100-150 и более градусов на больших глубинах, и при больших давлениях, что приводит к существенному изменению и вариациям электрических характеристик кабеля в процессе эксплуатации.
С учетом этих факторов целесообразно обратить внимание на разработку методов обеспечения максимальной скорости передачи данных по каротажному кабелю одновременно с трех позиций: оптимальность формы сигналов при согласовании с частотными характеристиками кабеля; применение фильтров восстановления формы сигналов при приеме сигналов с кабеля, в том числе на
