利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?br>【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，主要應?在工程勘探中。
【背景技術】
[0002] 對于需要經(jīng)常移動的地下鉆探設備，采用數(shù)據(jù)的有線傳輸方式極不方便，不但需 要事先將傳輸線穿過每節(jié)探桿，鉆探過程中還需要多出人員負責鉆桿的傳遞，并且傳輸線 使用過程中極易磨損。采用有線傳輸方式，可選的方案也十分有限。如果采用通過巖層的長 波或甚長波的電磁波通訊，對于移動的鉆探工程，成本太大;在鉆桿中采用光纖通訊，一方 面成本太大，另一方面對于惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，其可行性難W保證。利用聲波轉播原理應該是 一種地下鉆探工程數(shù)據(jù)通訊的一種新技術，將對地下鉆探的信息化和智能化產(chǎn)生革命性的 影響。
[0003] 聲波在鉆桿管壁和鉆桿空腔內(nèi)的空氣中都能傳播，而且在鉆桿管壁中傳播得更 遠、更快。由于在實際鉆探時，需要將有限長的鉆桿連接起來，連接的緊密程度和阻抗的變 化，將導致聲波產(chǎn)生反射、延時和波形崎變等復雜問題，給數(shù)據(jù)處理帶來極大困難，甚至影 響到數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù) 傳輸?shù)姆椒ā?br>[0005] 本發(fā)明是通過W下技術方案來實現(xiàn)的。
[0006] -種利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，步驟包括：
[0007] 通過微控制器將鉆桿下端傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行編碼；
[000引將編碼后的數(shù)據(jù)信號放大；
[0009] 通過電聲轉換器件將放大的數(shù)據(jù)信號轉換為聲波；
[0010] 轉換后的聲波由豎直空腔向上傳遞到地表；
[0011] 通過鉆桿上端的聲電轉換器將聲波轉換為電信號；
[0012] 將電信號進行放大、解碼，獲得地下勘察數(shù)據(jù)。
[0013] 進一步地，數(shù)據(jù)編碼采用CRC編碼，CRC碼由前部分的信息碼和后部分的校驗碼構 成，其編碼規(guī)則：
[0014] 將信息碼左移x+k位，k為信息碼長度，X為校驗碼長度；
[0015] 運用生成多項式g(x)用模2除上面的式子，得到的余數(shù)為校驗碼。模2除法與算術 除法類似，但每一位除的結果不影響其它位，即不向上一位借位，所W實際上就是異或。
[0016] 進一步地，CRC校驗碼為8位、16位、32位中的任意一種。
[0017] 進一步地，將編碼后的數(shù)據(jù)進行調(diào)制再進行放大，調(diào)制方式采用ASK、FSK、PSK、 4FSK、DPSK、QPSK中的任意一種的單一調(diào)制或任意多種的混合調(diào)制。
[001引進一步地，調(diào)制信號的頻率f=min(fC，f '），其中fC為管中聲波傳播的截止頻率，f ' 為選取Aa或An不大于20地對應的最小頻率；
[0019] Ae為聲波在空曠環(huán)境傳輸過程中由于空氣吸收產(chǎn)生的衰減值：
[0021] e = 4X106, d)為濕度，X為傳播距離，A t為溫度修正值；
[0022] An為聲波在管道空氣傳輸過程中，由于管內(nèi)壁的粘滯阻尼效應產(chǎn)生的衰減值：
[0024] n=l .983X l〇-5F*axs，p=1.29kg/m3，c = 3X l〇8m/s，x為傳播距離，a為管內(nèi)徑。
[0025] 進一步地，將電信號轉換為聲波的電聲轉換器件為揚聲器。
[0026] 進一步地，將聲波轉換為電信號的聲電轉換器件為駐極體聽筒。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：
[0028] 通過鉆桿空腔中的聲波導理論進行鉆探數(shù)據(jù)的通訊，其理由是，空屯、鉆桿中的空 氣介質均勻，數(shù)據(jù)傳輸比較可靠，激振源制作簡單，成本不高，現(xiàn)場操作方便。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǖ脑砜驁D；
[0030] 圖2為本發(fā)明利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒☉迷陟o力觸 探中的示意圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒☉迷陟o力 觸探中采用聲波中繼的示意圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明S種調(diào)制的波形圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034] 參照圖1，本發(fā)明包括圖1中的發(fā)射端和接受端兩個部分。而發(fā)射端又包括原始數(shù) 據(jù)部分、編碼部分、調(diào)制部分、放大部分和電聲轉換(揚聲器)部分;接受端又包括聲電轉換 (駐極聽筒)部分、放大部分、解調(diào)部分、解碼部分和原始數(shù)據(jù)部分。發(fā)射端將原始數(shù)據(jù)PDATA 進行編碼后得到CCDATA，然后將CCDATA調(diào)制到適合鉆桿內(nèi)傳播的音頻頻率上，經(jīng)放大后由 電聲轉換部分轉換成音頻信號發(fā)射出去。接收端則采用逆過程將音頻信號轉換成原始數(shù)據(jù) PDATA，即實現(xiàn)了信號的聲波通信。
[0035] 參照圖2,鉆桿管壁9由鉆桿連接處8在地下固定，壓力感應片4將采集到的物理量 交給數(shù)據(jù)處理部分5進行物理量的處理，處理后的數(shù)據(jù)由安裝在鉆頭3內(nèi)的聲波收發(fā)部分6 進行編碼、調(diào)制、電聲轉換等處理，最后將轉換成的聲波信號通過鉆桿空腔7內(nèi)的空氣介質 進行傳播;地表2上聲波收發(fā)部分10接收到聲波信號，經(jīng)過聲電轉換、解調(diào)、解碼等處理后交 給數(shù)據(jù)采集部分11，數(shù)據(jù)采集部分11將已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)通過無限發(fā)射天線12(比如： wifi、zigbee、433M、藍牙等)發(fā)送給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端的控制信號則通過相反的過程向鉆 頭前端發(fā)送。
[0036] 參照圖3,聲波中繼部分1將鉆頭內(nèi)聲波收發(fā)部分發(fā)射的聲波信號進行處理后，原 封不動地向地表上聲波收發(fā)部分進行發(fā)射。
[0037] 裝置一般利用已有的標準鉆頭和鉆桿，聲波收發(fā)部分安裝在圖2所示位置。使用 時，要先將鉆頭內(nèi)數(shù)據(jù)處理部分和聲波收發(fā)部分的電源打開，然后就可W正常進行靜力觸 探等鉆探工作，如果鉆探過深，只需要按照圖3所示采用聲波中繼的方式即可。由于管內(nèi)空 氣介質均勻，聲波只要滿足傳播條件，就能達到很好的通信效果。
[0038] 本發(fā)明，利用鉆桿空腔中聲波導進行地下鉆探數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ?br>[0039] 在發(fā)送端，把需要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)，經(jīng)過編碼，再調(diào)制到鉆桿空腔中空氣介質容易 傳輸?shù)囊纛l上，放大后通過電聲轉換器(揚聲器)生成沿著軸向傳播的聲波;在接受端，通過 聲電轉換器或麥克風，把聲波轉換回電信號，放大后再經(jīng)過解調(diào)，得到編碼數(shù)據(jù)，最后進行 解碼得到原始數(shù)據(jù)。主要要點如下：
[0040] (1)首先，為了利于數(shù)據(jù)的接收和糾錯，需要對原始數(shù)據(jù)(PDATA)進行編碼和附加 冗余碼，由于空氣中高頻聲波衰減快，所W選擇中低頻聲波進行數(shù)據(jù)通信，為了加快數(shù)據(jù)的 通信速率，數(shù)據(jù)采用較為簡單的編碼方式。它由長度LENGra+PDATA+8位CRC構成，其格式如 表1所示。
[0041] 表 1
[0043] 其中：LENGTH=PDATA的字節(jié)數(shù)+1(-個字節(jié)的CRC校驗碼）。
[0044] CRC校驗碼有8位、16位、32位等多種編碼方式，為了提高信號的通信速率，就要減 小編碼的長度，所W選用8位校驗碼來進行編碼。生成CRC碼的基本原理是任意一個由二進 制位串組成的代碼都可W和一個系數(shù)僅為'0'和'1'取值的多項式一一對應。
[0045] CRC碼是由兩部分組成，前部分是信息碼，就是需要校驗的信息，后部分是校驗碼