前言
旋轉導向閉環鉆井技術是當今國內外開發的各種先進鉆井技術與工藝中具突破性和戰略意義的技術，它將計算機控制技術揉合于鉆井工具，代表了當今世界鉆井技術發展的最高水平。西安石油大學井下測控研究所研究的可控偏心器是智能導向鉆井工具，可實現井下閉環旋轉導向智能鉆井系統。
聲波短傳的提出
要實現旋轉導向閉環鉆井就離不開地面和井下組合間的通訊，對于井下到地面的信號傳輸，石油界已有較為成熟且商業化的技術——隨鉆測量（MWD），該技術主要用來監測井下工作情況，并將其傳輸至地面。但是近鉆頭數據的短距離傳輸目前還沒有成熟的技術。
1993年以來，西安石油大學井下測控研究所一直致力于井下閉環旋轉導向智能鉆井系統的研究與試驗，其中就包括把靠近鉆頭位置傳感器采集的數據傳送給主軸，最初是在可控偏心器主軸和不旋轉套之間使用滑環來傳輸信號。但是用這種方法傳輸信號時出現一些問題，因此最好的解決辦法是研制出近鉆頭無線短傳裝置。
2007年，西安石油大學井下測控研究所致力于研究電磁遙測方法，根據可控偏心器這種特殊的結構，建立一套無線電磁短傳系統。研究的結果是：當發射線圈和接收線圈安裝在鉆鋌的內部，泥漿完全導電，信號發射功率為0.3W時，接收端信噪比是-60dB。但是，這種方法受井筒周圍地層電導率的影響較大。因此，本設計決定用聲波實現從不旋轉套到主軸的信號傳輸。
可控偏心器中的聲波短傳
可控偏心器的機械結構
主軸通過軸承的耦合穿過不旋轉套，在不旋轉套上有電子腔、控制偏心位移矢量的定位總成和翼肋。主軸的一端接鉆頭，另外一端接穩定器。在穩定器中還有與MWD連接的電源短節。近鉆頭的傳感器如鉆頭內外壓力、鉆頭姿態等安裝在不旋轉套上的電子腔中，發射電路板、供電電池和發射換能器也安裝在不旋轉套內的電子腔中，它們在電子腔內并行放置著。接收端供電電池、接收電路板和接收換能器在穩定器的電源短節中。
聲波短傳系統的組成
（1）發射裝置：發射電路對近鉆頭傳感器送來的數據進行FSK（頻移鍵控）調制，即在傳輸信號的最佳頻率點附近選2個頻率點作為調制二進制數據，然后通過耦合電路將調制后的FSK信號送入功率放大器，信號通過功率放大后再送入發射換能器。發射換能器將該電流信號轉換成聲波信號。而此聲波信號在可控偏心器、鉆井液、地層構成的回路中傳輸。
（2）接受裝置：位于傳輸信道另一端的接收換能器將傳輸過來的聲波信號轉換成電流信號，將捕獲到的信號反饋到小信號放大器，經過放大、噪聲濾波、FSK解調以及信號檢波等一系列功能模塊的處理最終獲得傳輸到MWD的數據，將此數據通過232口傳送到PC機上繪圖顯示。聲波短傳系統的原理框圖如1所示。
圖1 聲波傳輸系統原理框圖
發射端信號處理
調制方式及同步信號
考慮到聲波沿油管傳輸的聲學特性和在可控偏心器傳輸時的頻響曲線，因此利用2FSK調制，選取信道中衰減最小的6.8kHz和7.3kHz作為發射頻率。此外，為了在同步時能夠進一步分析中低頻段油管聲信道的頻率特性，選擇線性調頻信號LFM作為同步信號。
軟件設計
對C8051F060單片機、AD9833的I/O接口及交叉開關初始化。AD9833初始化流程圖如圖2所示。在進行FSK調制時，AD9833的兩個頻率寄存器裝載不同的頻率值。在本設計中，頻率寄存器0裝載低頻率6830Hz，頻率寄存器1裝載高頻率7230Hz。主程序流程如圖3所示。
圖2 AD9833初始化流程圖
圖3 主程序流程
寫數據到控制寄存器
單片機傳送數據到AD9833的時序如圖4所示。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發方式，低電平有效。進行串行數據傳輸時，FSYNC引腳必須置低。需要注意的是，在FSYNC開始變為低前（即將開始寫數據時），SCLK必須為高電平。
圖4 單元機傳送數據到AD9833的時序圖
單片機寫16位數據到AD9833時，高位在前，低位在后。用軟件模擬時鐘信號和片選信號。傳送數據的程序如下：
SCLK=1;
FSYNC=1;
Delay(100);
FSYNC=0;
for(i=0;i<16;i++)
{ SDATA=datas&0x8000;
SCLK=0;
Delay(50) ;
SCLK=1;
datas=datas<<1;
}
Delay(50);
FSYNC=1;
SCLK=0;
輸出波形
在示波器上觀測FSK調制信號，可看到頻率為7230Hz的正弦信號輸出，實際輸出頻率為7.22985kHz。
接收信號處理
接收處理過程
由于聲波傳感器輸出的是模擬信號，因此在進行ADC采樣之前必須進行信號的預濾波處理。考慮到最大限度降低信號紋波的要求和濾波器的通帶濾波特性，本設計中采用Butterworth型濾波器。
經過調理后的傳感器信號還不能立即被單片機采樣。這是因為，傳感器輸出信號的范圍是-5V～+5V，而單片機ADC模塊的輸入電壓范圍是0V～2.5V，所以調理后的傳感器信號必須經過電壓轉換電路，由精密電壓芯片AD780為單片機提供2.5V標準的ADC參考信號。
程序設計
上位機應用程序是運用MATLAB的類（Serial）和m語言開發，輔以MATLAB的GUIDE工具箱，程序開發相對簡單。SoC的程序應用C語言編制。下位機MCU接收到上位PC機的下發命令后，通過串口中斷程序轉入相應的子程序，執行相應操作，最后返回一個握手信號作為狀態標志，確認命令是否被正確執行。
幀同步識別
同步過程實際上就是尋找最大相關峰的過程。
先確定一個門限GATE，只有當乘累加的值大于GATE以后才開始比較相關峰。GATE必須設定的意義有兩條：
(1)減少不必要的比較次數，提高程序執行效率；
(2)將隨機噪聲和lfm信號乘累加得出的偽最大相關峰濾掉。
出現大于門限GATE乘累加值時，預示著真實的lfm信號可能到來。找到相關峰值所在的位置，就可以知道信息碼的起始位。
解調濾波器的軟件設計
設計中心頻率為6830Hz的帶通濾波器，其階數為8階，采樣頻率為100kHz，通帶范圍內的幅值衰減為1dB、阻帶最小衰減為30dB。根據以上參數來設計濾波器為：
將高階的IIR濾波器轉換為一系列二階IIR濾波器的級聯。從FDAtool中輸出的分子系數為Num，分母系數為Den，增益為Gain。濾波器的傳遞函數如下式所示：
根據濾波技術要求在FDAtool中得到濾波階數為8階，系數采用4個二階級聯方式的IIR濾波器。這四個二階級聯的根本形式是一樣的，只是在于它的系數不同，濾波程序的編寫可以采用for循環的形式，循環4次就可以構成一個點的濾波。整體濾波的軟件流程如圖5所示。
圖5 四階帶通切比雪夫濾波器軟件編程流程圖
本文通過調用MATLAB中Simulink的各功能模塊構成數字濾波器的仿真框圖。通過Simulink環境下的數字濾波器設計模塊導入FDAtool所設計的濾波器文件，反復進行仿真，以得出最好的濾波效果。原始信號波形圖和濾波后信號波形圖分別是圖6和圖7所示。從圖7中可以看到經過離散采樣、數字濾波后分離出了7kHz的頻率分量。
圖6 原始信號波形圖 圖7 濾波后信號波形圖
解調結果與分析
采用上述解調方法，在單片機C8051F060編寫解調程序，通過適配器完成在線調試，采用最終調試成功的解碼軟件進行解碼測試。聲波信號在可控偏心器中傳輸之后，接收端將接收到的信號進行調理、數據采集，采集信號的時域圖如圖8所示，然后進入到解調程序中進行解調，在MATLAB中繪制圖形如圖9所示。可以看出，接收端信號經過解碼之后的碼元是1010101010101010，與發射端的信息碼是一致的，說明解調成功。
圖8 信號時域圖 圖9 解碼后的波形圖
結論
在復雜的井下環境中，信息準確實時的傳輸非常重要。本文采用2FSK技術處理旋轉導向工具中的聲波短傳信號，相比于泥漿脈沖傳輸方式，信號傳輸速率更快。同時在接收端設計了IIR濾波器，有效地克服了采用電磁波傳輸時衰減嚴重的問題。此外，2FSK技術設備簡單，解調方便，有利于推廣使用。