CN111786927A - 正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油勘探技术领域，公开了一种正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用，在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。本发明提高了数据传输速率，降低了误比特率，有效克服了符号间干扰，提高了频谱利用率，实现高速率井下通信。

Description

正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用
技术领域
本发明属于石油勘探技术领域，尤其涉及一种正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用。
背景技术
目前，钻井是油田勘探开发过程中风险最大的环节。在钻井过程中，石油地质工程师要及时从井下获取足够的信息和数据以便对井下环境进行监测。目前使用最为广泛的钻井数据传输***主要有泥浆脉冲和电磁波两种。泥浆脉冲和电磁波技术已经非常成熟并且在井下数据传输领域得到广泛应用，但由于存在带宽有限及衰减较大等限制因素，这些方法的传输速率都比较低，最大不超过每秒40比特。井下数据上传速率慢、等待时间长、数据精度低的问题，严重制约着石油生产的效率和产量。为解决上述问题，在对钻井液信道特性进行精准研究的基础上，发明了一种将钻杆中钻井液作为信道，基于正交频分复用的随钻数据声波传输***。基于正交频分复用的随钻数据声波传输***解决了钻井数据传输过程中的传输距离受限、通信速率低、抗干扰能力弱三个关键问题。
井下泥浆脉冲传输技术以钻井液为传输通道，根据预编码脉冲设计产生脉冲信号。脉冲信号的高低变化引起钻井液压力的同步变化。该传感器对钻井液压力变化进行解码，得到井下测量参数。目前常用的泥浆脉冲技术主要有正脉冲技术、负脉冲技术和连续压力波调制技术。泥浆脉冲数据传输技术是使用一种具有特殊活塞结构的泥浆脉冲发生器，产生不连续的泥浆压力脉冲信号。这项技术的发明奠定了随钻泥浆脉冲测井技术的雏形，对推动钻井工业发展起到了巨大的作用。连续正弦压力波的泥浆脉冲数据传输***采用旋转阀产生连续压力波，提出了泥浆压力波相移键控调制方案。与正脉冲***0.5～1.5bit/s的传输速率相比，连续式压力波调制***的传输速率可达40bit/s。连续波泥浆脉冲发生器由电机、旋转阀转子、定子、减速器、控制电路和地压传感器组成。在运行过程中，电机带动转子相对于定子旋转，改变泥浆流动面积，通过节流产生压力波。压力波信号经调制后，经泥浆输送至地面，经接收、滤波、解调、解码，得到井下传输数据。
目前，泥浆脉冲随钻测量技术已成为井下测量数据实时上传的行业标准之一，其中连续压力波随钻测量***是最重要的发展趋势。连续压力波发生器一般采用电机驱动转子对信号进行调制，将信号频谱搬移到噪声频谱较小的频段，由于其结构复杂、难度大，只有少数外企拥有此类产品，技术上属于严格垄断，产品只能租不能卖。泥浆脉冲***虽然具有很高的稳定性，但对钻井液的依赖性强，对钻井液和泥浆泵的机械性能要求很高，脉冲阀容易损坏，钻井成本较高。在信号调制方面，由于泥浆压力波信号是由井下机械部件旋转产生的，无法使用更为先进的通信技术产生更为复杂的波形，调制方式受限，数据传输速率低。
电磁波是无线通信中最重要、应用最广泛的波。从低频到高频，电磁波分为模拟波、射频波和微波。射频波(300KHz-300GHz)和微波(300MHz-3000GHz)的有限功率和高衰减限制了其在地下环境中的应用。模拟波(小于100Hz)天线尺寸过大，不能满足地下狭小空间的要求，并且严重限制了可用带宽和数据传输速率。由于电磁波在地层中传播，受地层电阻率的影响很大，信号衰减严重。地面接收天线通过电极之间的电场进行探测，接收到的信号通常只有几十微伏。当电磁信号到达一定深度时，很难检测出有效的电磁信号。为了解决这一问题，所采取的技术措施有有三个方面，一是提高电磁波信号的传输功率，二是降低电磁波的载频，三是采用高效的检测和降噪技术。斯伦贝谢、哈里伯顿、沙马地平线等公司推出了一系列随钻电磁波遥测***。比较有代表性的是以地层为传输信道的俄罗斯ZTS电磁波随钻遥测***。由于传输距离和信号频率成反比，传输频率越低，信号衰减越小，传输距离也相应越长，因此该***使用10hz、5hz、2.5hz和1.25hz的低频信号进行传输。ZTS***采用钻井液涡轮发电机供电，发电机叶轮由循环钻井液驱动，钻井液循环排量要求为30-75L/S，钻井液中固体颗粒体积比要求小于3％。由钻井液驱动的井下涡轮发电机功率需要达到350瓦以上。
随钻电磁波遥测***得到了广泛的应用，但是***的传输深度取决于信号频率、井下动力、发射功率、传输效率、衰减系数、钻井液流量、地面信号处理能力和钻井液中颗粒物体积浓度等因素的制约。为了穿透地层，电磁波遥测***只能使用不大于10Hz的低频或超低频信号，这就存在天线体积大、通信速率低、传输距离受限等问题。数字化学遥测***通过在井底释放携带信息的微粒将信息传送到地面接收端。携带信息的微粒可以通过形状、大小、颜色、成分等方式进行区分。在该***中，不同的微粒分别储存在不同的井下容器中，在特定条件下按照预设模式释放。该***具有操作简单、复杂度低、安全可靠等优点。但是这种方式存在通讯速率慢，需要钻井液流动，井下储存颗粒物数量有限等因素的制约。
钻井是油田勘探中风险最高的阶段。为确保生产的正常开展，工作人员要及时从井下获取信息和数据。目前，钻井数据传输方式主要有泥浆脉冲和电磁波两种。尽管这两种数据传输技术已经取得了巨大的进展并得到了广泛使用，但带宽窄、衰减大，速率慢、精度低，最大传输速率不超过每秒40比特，严重制约了石油的生产效率和产量。导致这些问题的原因有两个方面：(1)泥浆脉冲遥测***。***一般采用电机驱动转子对信号进行调制，将信号频谱搬移到噪声频谱较小的频段。泥浆脉冲***虽然具有很高的稳定性，但对钻井液的依赖性强，对钻井液和泥浆泵的机械性能要求很高，脉冲阀容易损坏，钻井成本较高。在信号调制方面，由于泥浆压力波信号是由井下机械部件旋转产生的，无法使用更为先进的通信技术产生更为复杂的波形，调制方式受限，数据传输速率低：(2)随钻电磁波遥测***。***的传输深度取决于信号频率、井下动力、发射功率、传输效率、衰减系数、钻井液流量、地面信号处理能力和钻井液中颗粒物体积浓度等因素的制约。为了穿透地层，电磁波遥测***只能使用不大于10Hz的低频或超低频信号，这就存在天线体积大、通信速率低、传输距离受限等问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前钻井数据传输方式带宽窄、衰减大，速率慢、精度低，最大传输速率不超过每秒40比特，严重制约了石油的生产效率和产量。
解决以上问题及缺陷的难度为：泥浆脉冲遥测***的信号是由井下机械部件旋转产生，无法产生复杂的调制波形。电磁波遥测***的信号由于衰减与频率成正比，只能采用不大于10Hz的超低频信号。由于受到带宽等因素的制约，这两种方式都无法与先进的高传输速率、低通信误差的通信技术融合。
解决以上问题及缺陷的意义为：与现有技术相比，本发明的意义及有益效果体现在传输速率、抗干扰力、传输距离、便捷程度四个方面。
(1)传输速率高。利用基于正交频分复用和MIMO的***和第五代通信技术，数据在频域内并行发送，频带资源利用率高。可以将声通信的数据传输速率提高到1000比特/秒以上，与基于PSK、FSK和AM的脉冲和电磁波通信方式相比，传输速率有了很大的提高。
(2)抗干扰能力强。通过频率调制，可以灵活有效地避开钻井机械产生的噪声频带(0-7kHz)。通过采用纠错编码、信号均衡、信道估计、信号同步和峰均功率比降低等技术，可以降低信道噪声和多径效应对***的干扰。抗干扰能力强，精度高，误码率在10-4以下。
(3)距离传输远。通过采用比特分配、功率分配、功率放大、降低峰均功率比等通信技术，可以提高能量的使用效率和信号的传输距离。在不使用信号中继的情况下，30W的发射功率可以将中心频率为100kHz的声波信号在目前应用占主导地位的水基钻井液在钻杆中传输2000米以上的距离。
(4)实施便捷。***结合了软件的灵活性和硬件的快速性，基于FPGA和射频模块的USRP***具有传输速度快、精度高的特点。随着新技术的发展，传感器和电路正朝着体积小、成本低、重量轻、寿命长、可靠性高等方向发展。该***使用方便，适用于环境复杂、空间有限的钻杆。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用。
本发明是这样实现的，一种正交频分复用随钻数据传输方法，所述正交频分复用随钻数据传输方法包括：
在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
进一步，所述发送端数据帧包括包头，数据部分、校验位和尾部比特，数据包的包头采用重复发送的方法，经过IFFT变换之后的时域OFDM符号为复数矢量，采用QAM映射，用于消除码间干扰的循环前缀和数据符号构成。
进一步，所述正交频分复用随钻数据传输方法的差错控制编码部分使用循环冗余校验码，通过数学运算建立数据位与校验位之间的一致关系，CRC32编码是模2除的余项，生成多项式为x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1，生成多项式确定生成矩阵和整个循环码，经过差错控制编码之后的信号进入信号调制模块。
进一步，所述正交频分复用随钻数据传输方法信号调制基于FPGA的USRP及低频射频电路完成，包括：
(1)数据打包模块完成数据链路层数据包的打包，数据帧结构包括包头，数据、4bit的CRC校验位和1bit的尾部四部分；其中包头包括两种信息，一是4bit的白化参数，二是12bit的数据包长度，数据包的包头采用重复发送的方法，数据帧的结构和打包过程分为三步；首先，待发送数据加上了使用CRC32算法的校验比特；其次，CRC校验比特和尾部比特都被白化处理，最后，加上数据包的包头，完成数据链路层数据包的打包过程；
(2)星座映射模块从队列中取出数据包，经过串行数据转换为并行信号之后，映射为频域的复数向量，完成IFFT输入信号的星座映射，星座映射后的数据添加序列头，进行IFFT变换，IFFT的输入采用4QAM星座{1+j，1-j，-1+j，-1-j}的随机复数向量，IFFT的输出是相应的时域的复数向量x；使用快速离散傅里叶逆变换，大写表示频率或离散的频域变量，小写表示时域变量；
(3)快速离散傅里叶反变换模块的正交频分复用信号的符号描述与一个IFFT运算相关联的时域序列，IFFT的输入是频域的复数向量X＝[X0 X1 X2 X3 … XN-1]T，X的每个元素都是表示频域的复数向量，频域的复数向量个数为N。N也是每次进行IFFT运算的输入频域复数向量的个数，X的每个元素表示要在相应子载波上携带的数据，Xk表示第k个子载波上携带的数据，IFFT的输出是时域的复数向量x＝[x0 x1 x2 x3 … xn-1]T。x的每个元素都是表示频域的复数向量：
Figure BDA0002553060170000061
(4)循环前缀模块在相邻的正交频分复用符号之间***由循环前缀组成的保护间隔，保护间隔的长度大于无线信道中的最大延迟扩展，使得一个正交频分复用符号的多径分量不会干扰下一个符号，x(i)＝[x0(i) x1(i) x2(i) x3(i) … xn-1(i)]T为第i个符号周期中IFFT的输出，在传输之前，每个时域符号的开始处添加循环前缀；将每个符号的后Tg时间内的信号复制到符号的前面，发送序列是xcp(i)＝[xN-G(i) … xN-1(i) x0(i) x1(i) x2(i) x3(i) … xn-1(i)]T；
(5)上变频模块完成的是使用低频射频子板实现基带信号向更高传输频率的频率搬移，发送序列添加完成循环前缀之后，通过数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过低频射频子板将信号进行频谱搬移之后传送给功率放大电路。低频射频子板输出的信号电压幅值小于40mV，功率放大电路在确保信号准确率的基础上，完成小信号的幅值及功率放大。
进一步，所述正交频分复用随钻数据传输方法的功率放大部分将低频射频子板的输出信号进行功率放大，实现能量的控制和转换，包括差分电路、比例电流源、放大电路；
差分电路，使用特性相同的三极管将温度漂移相互抵消；比例电流源输出放大电流，输出电流的计算公式为I2＝I1*R2/R1。
进一步，所述发送端使用将电能转换成声能的发射换能器，接收端使用将声能转换成电能的接收换能器；
压电式换能器利用压电效应实现电能与声能的相互转换，将电信号转换为声波的机械振动；压电式换能器的核心部件是压电晶体；压电晶体使用电致伸缩效应和压电效应的原理，由锆钛酸铅陶瓷材料制成；
进一步，所述正交频分复用随钻数据传输方法的信号解调包括：
(1)匹配滤波模块去除接收信号的噪声；
(2)数据同步模块采用基于PN序列的COX时间频率估计方法，完成接收信号的窗口同步匹配，匹配成功则发送标志给采样模块。P(d)为滑动自相关运算，R(d)为滑动窗内的能量，M(d)为对滑动自相关的结果进行归一化处理：
Figure BDA0002553060170000071
(3)下变频模块使用的是数控振荡器和混频器，去除载波频率，得到基带信号，数控振荡器利用外部输入的信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现对输入信号频率的自动跟踪，混频器将换能器接收到的信号Acos(ωt+θ)和数控振荡器模块传过来的信号cos(ωt+θ)做乘法运算，进行相干解调得到需要的信号A，完成载波同步即下变频的整个过程，A表示需要接收的OFDM信号，Acos(ωt+θ)表示上变频之后的OFDM信号，整个下变频环节实现的关键是接收端产生一个与换能器接收到的信号严格同频同相的相干载波cos(ωt+θ)：
Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ)＝A/2+A/2cos(2ωt+2θ)；
(4)快速离散傅里叶变换模块完成FFT运算，经过处理的信号传送给采样环节，采样环节根据同步模块的匹配标志信号通过自相关的方式寻找数据头部，将数据头部和数据分离，并给出两者的边界标志，***将数据帧前面的循环前缀去除后进行FFT运算：
Figure BDA0002553060170000081
(5)数据帧获取模块在快速离散傅里叶变换之后进行，使用已知的PN码和接收到的PN码序列进行比较得到信道增益，使用增益修正后的数据帧完成帧同步和均衡，数据帧获取期间实时接收数据帧的定时信号；
(6)数据包的提取与解调模块将FFT输出的复数向量变换为0和1的比特流数据，完成信号的解映射过程，再将比特流打包发送到数据包结构分解模块；
(7)数据包结构分解模块完成对解调后的数据帧进行拆包。去掉白化信号，再去掉数据包的包头、包尾和CRC校验数据，最终获得实际有用的数据信息；
所述正交频分复用随钻数据传输方法的反馈部分在接收到数据链路层的数据包或者是OFDM信号解调完成之后都会给数据链路层一个回传信号，检测数据包是否正确接收或者解调，数据链路层和物理层之间没有时钟信号，同步靠队列完成，从队列中操作完一个数据包之后必须给数据链路层一个反馈信号才能进行下一个数据包的操作；
天线部分连接***硬件和信噪比估计程序；信噪比估计是使用二阶四阶矩阵估计算法对钻井液信道进行估计，将信噪比估计值传输给发送端，***发送端的自适应选择功能以这个信道估计值为参数进行自适应调整；
差错控制解码部分把经过数据包结构分解获得的比特流数据信息还原成它所代表的信息，与发送端的差错控制编码部分相对应；
在水基钻井液为传输介质的钻井液信道中，声波的传输距离与发送信号的中心频率平方成反比，上变频后的信号中心频率和信号带宽可根据传输距离进行灵活调整，可将信号中心频率降低并缩减信号带宽以增加传输距离。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述正交频分复用随钻数据传输方法的正交频分复用随钻数据传输***，所述正交频分复用随钻数据传输***包括：
发送端，用于实现信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
接收端，用于实现接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解；
发送端包括差错控制编码部分、信号调制部分、功率放大部分、电声转换部分；信号调制部分包括数据打包、星座映射、快速离散傅里叶反变换、循环前缀、上变频；在***发送端，USRP信号处理器与低频发送电路连接，低频发送电路与功率放大器连接，功率放大器与发送换能器连接；
电声转换部分由信号线、防水接头、上壳、下壳、环氧树脂胶、软木板、锆钛酸铅陶瓷片构成；信号线通过防水接头与上壳连接，上壳与下壳连接，锆钛酸铅陶瓷片设置在下壳的底部，锆钛酸铅陶瓷片的外侧被软木板包裹，软木板外侧为环氧树脂胶；
发送端数据帧包括包头，数据部分、校验位和尾部比特；功率放大电路由消除零点漂移的差分放大电路、具有温度稳定性的比例电流源、高效率的数字功放电路构成；压电式换能器由锆钛酸铅陶瓷、环氧树脂胶、防水接头构成；
接收端包括声电转换部分、信号解调部分、反馈部分、天线部分、差错控制解码部分；接收部分是接收端最关键的环节，包括匹配滤波、数据同步、下变频、采样、快速离散傅里叶变换、数据帧获取、数据包的提取与解调、数据包结构分解；在***接收端，接收换能器与低频接收电路连接，低频接收电路与信号处理器连接。
本发明的另一目的在于提供一种石油勘探中钻井、采油、修井通讯***，所述石油勘探中钻井、采油、修井通讯***搭载所述的正交频分复用随钻数据传输***。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：为了解决现有技术存在数据传输速率低、数据精度低、等待时间长的问题，本发明采用声波在液体中通信的技术方案，综合考虑钻井过程中的影响因素，在深入研究钻井液中悬浮颗粒物体积浓度、井场环境噪声、钻杆波导传输线效应、钻井液声吸收系数、钻杆内壁反射和折射的多径效应等因素的基础上，研发了一种基于正交频分复用的随钻声波数据传输***。该***基于正交频分复用技术，提高了数据传输速率，降低了误比特率，有效克服了符号间干扰，提高了频谱利用率，实现高速率井下通信，具有抗多径干扰能力强，数据传输速率高的特点。
本发明根据人耳听觉频率范围，声波可以分为次声波(小于20Hz)、听阈声波(20Hz～20KHz)和超声波(大于20KHz)三类。次声波具有低频率和长波长的特点，在能量损失很小的情况可以在钻井液中传输很远的距离。但是由于次声频率低，带宽窄，数据传输量小，收发***体积庞大，限制了它们在狭小的钻井内使用。在由水、油及悬浮颗粒物为主要成分的钻井液中，听阈声波和超声波的声吸收率低，功耗适中，可实现远距离及高速率的传输，是钻井液信道的理想选择。
本发明公开了一种基于正交频分复用的随钻声波数据传输***。该***使用钻井液信道进行声波传输，融合了基于FPGA的数字信号处理、正交频分复用、差错控制编码和功率放大等涉及多学科的前沿技术，软件使用Python和C语言编写，涵盖了CRC差错控制编码、串并转换、星座映射、循环前缀、数模转换、匹配滤波、上下变频、IFFT及FFT、信号同步模块。硬件部件包括基于FPGA的USRP***、低频射频电路、功率放大电路、压电式锆钛酸铅陶瓷换能器。
本发明能够将数据传输速率提高到每秒250千比特以上，误码率降低到10-4，与以前的泥浆脉冲和电磁波数据传输方式相比有了很大的提高。本发明能够有效地克服数据符号间干扰，降低误码率，提高数据传输速率，实现高速率、低差错、远距离的通信，有效解决了随钻数据通信中远距离传输、通信速率和抗干扰能力、实施难易程度这四个关键问题。
钻井是油田勘探中风险最高的阶段。为确保生产的正常开展，工作人员要及时从井下获取勘探数据。该***融合了数字信号处理、正交频分复用、功率放大和差错控制编码等多种技术，发送端及接收端软件使用Python和C语言编写，硬件包括基于FPGA的USRP***、低频射频电路、功率放大电路、压电式陶瓷换能器等核心部件。通过上述方式，本发明能够将数据传输速率提高到每秒1000比特以上，误码率降低到10-4。与现有的泥浆脉冲和电磁波数据传输方式相比有了很大的提高。该***能够有效地克服数据符号间干扰，降低误码率，提高数据传输速率，实现高速率、低差错、远距离的随钻数据通信。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的正交频分复用随钻数据传输方法流程图。
图2是本发明实施例提供的正交频分复用随钻数据传输***的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的随钻数据传输***原理框图。
图4是本发明实施例提供的功率放大电路原理示意图。
图5是本发明实施例提供的压电式换能器结构示意图。
图6是本发明实施例提供的OFDM信号时域波形示意图。
图7是本发明实施例提供的OFDM信号频域波形示意图。
图8是本发明实施例提供的数据传输精准度分析(误码率小于10-4)示意图。
图9是本发明实施例提供的OFDM信号瀑布图。
图10是本发明实施例提供的带通式换能器频率响应曲线示意图。
图11是本发明实施例提供的发送端数据结构示意图。
图12是本发明实施例提供的发送端软件结构示意图。
图13是本发明实施例提供的接收端软件结构示意图。
图14是本发明实施例提供的OFDM符号结构示意图。
图中：1、信号线；2、防水接头；3、上壳；4、下壳；5、环氧树脂胶；6、软木板；7、锆钛酸铅陶瓷片；8、差分电路；9、比例电流源；10、放大电路；11、发送端；12、接收端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种正交频分复用随钻数据传输方法、***、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的正交频分复用随钻数据传输方法包括以下步骤：
S101：在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
S102：在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
发送端包括差错控制编码部分、信号调制部分、功率放大部分、电声转换部分。信号调制部分是发送端最关键的环节，主要模块包括数据打包、星座映射、快速离散傅里叶反变换、循环前缀、上变频。在***发送端，USRP信号处理器与低频发送电路连接，低频发送电路与功率放大器连接，功率放大器与发送换能器连接。
送端数据帧包括包头，数据部分、校验位和尾部比特。为增加***的可靠性，数据包的包头采用重复发送的方法。经过IFFT变换之后的时域OFDM符号为复数矢量，采用QAM映射，由用于消除码间干扰的循环前缀和数据符号构成。功率放大电路由消除零点漂移的差分放大电路、具有温度稳定性的比例电流源、高效率的数字功放电路构成。压电式换能器由锆钛酸铅陶瓷、环氧树脂胶、防水接头构成。
接收端包括声电转换部分、信号解调部分、反馈部分、天线部分、差错控制解码部分。接收部分是接收端最关键的环节，主要模块包括匹配滤波、数据同步、下变频、采样、快速离散傅里叶变换、数据帧获取、数据包的提取与解调、数据包结构分解。在***接收端，接收换能器与低频接收电路连接，低频接收电路与信号处理器连接。
本发明提供的正交频分复用随钻数据传输方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的正交频分复用随钻数据传输方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的正交频分复用随钻数据传输***包括：
发送端11，用于实现信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输。
接收端12，用于实现接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明基于正交频分复用的随钻声波数据传输***使用声波将勘探数据通过钻井液信道由钻井底部进行上传。该***包括信号发射端和接收端两个部分，涵盖硬件开发及软件设计。硬件的核心部件包括基于FPGA的USRP信号处理器、低频射频电路、功率放大器、压电式发送及接收换能器。发送端和接收端的信号处理软件使用Python和C语言编写。
在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换。低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输。在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，最后将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
***发送端包括差错控制编码部分、信号调制部分、功率放大部分、电声转换部分。在***发送端，USRP信号处理器与低频发送电路连接，低频发送电路与功率放大器连接，功率放大器与发送换能器连接。
差错控制编码部分的目的是降低接收数据的误码率。使用广泛且检错较强的有卷积码、分组码、循环冗余校验编码。本发明使用的是循环冗余校验码。通过数学运算建立数据位与校验位之间的一致关系，能够在很短的时间内完成数据校验码的计算，并快速纠正信息传输过程中的错误，具有检错能力强、通信效率高、检测成本低的优势。CRC32编码是模2除的余项，生成多项式为x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1。生成多项式确定生成矩阵和整个循环码。经过差错控制编码之后的信号进入信号调制模块。
信号调制部分是发送端最关键的环节，信号的处理都是在这个模块中由基于FPGA的USRP及低频射频电路完成。信号调制部分包含的主要模块为数据打包、星座映射、快速离散傅里叶反变换、循环前缀、上变频。
(1)数据打包模块完成数据链路层数据包的打包。本***的数据帧结构包括包头，数据、4bit的CRC校验位和1bit的尾部四部分。其中包头包括两种信息，一是4bit的白化参数，二是12bit的数据包长度。数据包的包头采用了重复发送的方法，以增加***的可靠性。数据帧的结构和打包过程分为三步。首先，待发送数据加上了使用CRC32算法的校验比特。其次，为了使数据具有随机均匀分布的特性，CRC校验比特和尾部比特都被白化处理。最后，加上数据包的包头，完成数据链路层数据包的打包过程。
(2)星座映射模块从队列中取出数据包，经过串行数据转换为并行信号之后，映射为频域的复数向量，完成IFFT输入信号的星座映射。星座映射有QPSK，16QAM，64QAM等多种方式。星座映射后的数据添加序列头，进行IFFT变换。为降低误码率，IFFT的输入采用4QAM星座{1+j，1-j，-1+j，-1-j}的随机复数向量。IFFT的输出是相应的时域的复数向量x。本发明使用快速离散傅里叶逆变换，大写表示频率或离散的频域变量，小写表示时域变量。
(3)快速离散傅里叶反变换模块是信号调制部分的核心。正交频分复用信号的符号描述与一个IFFT运算相关联的时域序列。IFFT的输入是频域的复数向量X＝[X0 X1 X2 X3… XN-1]T，X的每个元素都是表示频域的复数向量，频域的复数向量个数为N。N也是每次进行IFFT运算的输入频域复数向量的个数。X的每个元素表示要在相应子载波上携带的数据，Xk表示第k个子载波上携带的数据。IFFT的输出是时域的复数向量x＝[x0 x1 x2 x3 … xn-1]T。x的每个元素都是表示频域的复数向量：
Figure BDA0002553060170000151
(4)循环前缀模块可以有效地抵抗多径时延扩展，最大限度地消除钻井液信道的多径干扰，在相邻的正交频分复用符号之间***由循环前缀组成的保护间隔。保护间隔的长度大于无线信道中的最大延迟扩展，使得一个正交频分复用符号的多径分量不会干扰下一个符号。x(i)＝[x0(i) x1(i) x2(i) x3(i) … xn-1(i)]T为第i个符号周期中IFFT的输出。在传输之前，每个时域符号的开始处添加循环前缀。使用的方法是将每个符号的后Tg时间内的信号复制到符号的前面。发送序列是xcp(i)＝[xN-G(i) … xN-1(i) x0(i) x1(i) x2(i)x3(i) … xn-1(i)]T。
(5)上变频模块完成的是使用低频射频子板实现基带信号向更高传输频率的频率搬移。发送序列添加完成循环前缀之后，通过数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过低频射频子板将信号进行频谱搬移之后传送给功率放大电路。低频射频子板输出的信号电压幅值小于40mV，功率放大电路在确保信号准确率的基础上，完成小信号的幅值及功率放大。
功率放大部分将低频射频子板的输出信号进行功率放大，实现能量的控制和转换，在高温高压及强噪声的钻井环境中，确保不失真的放大。适应钻井环境的功率放大电路设计包括三个关键环节。包括：差分电路8、比例电流源9、放大电路10。
差分电路8，使用特性相同的三极管将温度漂移相互抵消。这一设计可以消除由温度变化引起的，输入电压为零而输出电压不为零的零点漂移现象。比例电流源9，在井下严苛环境下，输出具有更高温度稳定性的放大电流。输出电流的计算公式为I2＝I1*R2/R1。效率高、体积小、可靠性强的放大电路10。
电声转换部分主要是使用压电式换能器实现电能和声能相互转换。本发明使用的压电式锆钛酸铅陶瓷带通换能器由信号线1、防水接头2、上壳3、下壳4、环氧树脂胶5、软木板6、锆钛酸铅陶瓷片7构成。信号线1通过防水接头2与上壳3连接，上壳3与下壳4连接，锆钛酸铅陶瓷片7设置在下壳4的底部，锆钛酸铅陶瓷片7的外侧被软木板6包裹，软木板6外侧为环氧树脂胶5。发送端使用将电能转换成声能的发射换能器，接收端使用将声能转换成电能的接收换能器。换能器的主要设计指标有工作频率、频带宽度、谐振频率时的阻抗、指向性和灵敏度。换能器对性能参数的要求不同，发射端的换能器具备较大的输出功率和较高的能量转换效率。接收端的换能器具备较高的灵敏度及分辨率。
压电式换能器利用压电效应实现电能与声能的相互转换，将电信号转换为声波的机械振动。压电式换能器的核心部件是压电晶体。压电晶体使用电致伸缩效应和压电效应的原理，由锆钛酸铅陶瓷材料制成。锆钛酸铅陶瓷压电晶体的电声转换效率高、价格便宜、技术成熟、制作方便、不易老化。
***接收端主要分为声电转换部分、信号解调部分、反馈部分、天线部分、解码部分。在***接收端，接收换能器与低频接收电路连接，低频接收电路与信号处理器连接。
声电转换部分主要是使用压电式换能器将接收到的声波信号转换为可以进行处理的电信号。
信号解调部分是接收端最关键的环节。信号解调部分包含的主要模块为匹配滤波、数据同步、下变频、快速离散傅里叶变换、采样、数据帧获取、数据包的提取与解调、数据包结构分解。
(1)匹配滤波模块主要作用是去除接收信号的噪声，提高接收信号的信噪比。在***的幅频特性与相频特性中，幅频特性更多地表征频率特性，相频特性更多地表征时间特性。匹配滤波器在时域和频域，都确保了信号尽可能大地通过，噪声尽可能小地通过，从而获得最大信噪比的输出。
(2)数据同步模块采用基于PN序列的COX时间频率估计方法，主要功能是完成接收信号的窗口同步匹配，匹配成功则发送标志给采样模块。P(d)为滑动自相关运算，R(d)为滑动窗内的能量，M(d)为对滑动自相关的结果进行归一化处理：
Figure BDA0002553060170000171
(3)下变频模块主要使用的是数控振荡器和混频器，去除载波频率，得到基带信号。数控振荡器是一种典型的反馈控制电路，起到锁相环的功能，利用外部输入的信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现对输入信号频率的自动跟踪。混频器将换能器接收到的信号Acos(ωt+θ)和数控振荡器模块传过来的信号cos(ωt+θ)做乘法运算，进行相干解调得到需要的信号A，完成载波同步即下变频的整个过程。A表示需要接收的OFDM信号，Acos(ωt+θ)表示上变频之后的OFDM信号。整个下变频环节实现的关键是接收端产生一个与换能器接收到的信号严格同频同相的相干载波cos(ωt+θ)：
Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ)＝A/2+A/2cos(2ωt+2θ)；
(4)快速离散傅里叶变换模块完成FFT运算。经过处理的信号传送给采样环节，采样环节根据同步模块的匹配标志信号通过自相关的方式寻找数据头部，将数据头部和数据分离，并给出两者的边界标志。***将数据帧前面的循环前缀去除后进行FFT运算：
Figure BDA0002553060170000181
(5)数据帧获取模块在快速离散傅里叶变换之后进行。使用已知的PN码和接收到的PN码序列进行比较得到信道增益，使用增益修正后的数据帧完成帧同步和均衡。数据帧获取期间实时接收数据帧的定时信号。
(6)数据包的提取与解调模块将FFT输出的复数向量变换为0和1的比特流数据，完成信号的解映射过程，再将这些比特流打包发送到数据包结构分解模块。
(7)数据包结构分解模块完成对解调后的数据帧进行拆包。去掉白化信号，再去掉数据包的包头、包尾和CRC校验数据，最终获得实际有用的数据信息。
反馈部分在接收到数据链路层的数据包或者是OFDM信号解调完成之后都会给数据链路层一个回传信号，检测数据包是否正确接收或者解调。数据链路层和物理层之间没有时钟信号，同步靠队列完成。从队列中操作完一个数据包之后必须给数据链路层一个反馈信号才能进行下一个数据包的操作。
天线部分连接***硬件和信噪比估计程序。信噪比估计是使用二阶四阶矩阵估计算法对钻井液信道进行估计，将信噪比估计值传输给发送端。***发送端的自适应选择功能以这个信道估计值为参数进行自适应调整。
差错控制解码部分把经过数据包结构分解获得的比特流数据信息还原成它所代表的信息，与发送端的差错控制编码部分相对应。
在水基钻井液为传输介质的钻井液信道中，声波的传输距离与发送信号的中心频率平方成反比。本发明中，上变频后的信号中心频率和信号带宽可根据传输距离进行灵活调整，可将信号中心频率降低并缩减信号带宽以增加传输距离。可以广泛应用于石油勘探中的钻井、采油、修井等多种通讯场合。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
1.管道模拟实验参数
表1
实验参数 参数值
收发换能器数量 单发单收
中心频率 500kHz
信号带宽 100kHz
通频带范围 450kHz-550kHz
调制方式 QAM
FFT运算的长度 512
数据的长度 200
循环前缀的长度 128
信道估计方式 MMSE
信号同步方式 SchmidlCox算法
FPGA运算速率 64M
FPGA抽取因子 256
数据传输速率 250kbit/s
差错控制编码方式 CRC32
钻杆内径 100mm
钻杆外径 115mm
水基钻井液固相含量 10％
注：***的中心频率、信号带宽、通频带范围、调制方式、IFFT运算长度、数据长度、循环前缀长度等参数都可以根据钻井的实际需要进行灵活调整。
2.管道模拟实验结果
图6是OFDM信号时域波形；图7OFDM信号频域波形；图8数据传输精准度分析(误码率小于10-4)；图9OFDM信号瀑布图；图10带通式换能器频率响应曲线。
***的中心频率、信号带宽、通频带范围、调制方式、IFFT运算长度、数据长度、循环前缀长度等参数都可以根据钻井的实际需要进行灵活调整。实验中的OFDM符号采用QAM映射，符号长度为512，循环前缀的长度为128,数据的长度为200。信道估计采用MMSE算法，同步采用Schmidl Cox算法，差错控制编码采用CRC32算法。钻杆内径为100mm，钻杆外径为115mm，水基钻井液的固相含量为10％。上变频后的信号中心频率为500KHz,信号带宽为100KHz，通频带范围为450kHz-550kHz,FPGA的运算速率为64M，抽取因子为256，数据的传输速率250Kbit/s。
3.管道模拟实验流程图
图11发送端数据结构示意图；图12发送端软件结构示意图；图13接收端软件结构示意图；图14 OFDM符号结构示意图。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输方法包括：
在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
2.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述发送端数据帧包括包头，数据部分、校验位和尾部比特，数据包的包头采用重复发送的方法，经过IFFT变换之后的时域OFDM符号为复数矢量，采用QAM映射，用于消除码间干扰的循环前缀和数据符号构成。
3.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输方法的差错控制编码部分使用循环冗余校验码，通过数学运算建立数据位与校验位之间的一致关系，CRC32编码是模2除的余项，生成多项式为x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1，生成多项式确定生成矩阵和整个循环码，经过差错控制编码之后的信号进入信号调制模块。
4.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输方法信号调制基于FPGA的USRP及低频射频电路完成，包括：
(1)数据打包模块完成数据链路层数据包的打包，数据帧结构包括包头，数据、4bit的CRC校验位和1bit的尾部四部分；其中包头包括两种信息，一是4bit的白化参数，二是12bit的数据包长度，数据包的包头采用重复发送的方法，数据帧的结构和打包过程分为三步；首先，待发送数据加上了使用CRC32算法的校验比特；其次，CRC校验比特和尾部比特都被白化处理，最后，加上数据包的包头，完成数据链路层数据包的打包过程；
(2)星座映射模块从队列中取出数据包，经过串行数据转换为并行信号之后，映射为频域的复数向量，完成IFFT输入信号的星座映射，星座映射后的数据添加序列头，进行IFFT变换，IFFT的输入采用4QAM星座{1+j，1-j，-1+j，-1-j}的随机复数向量，IFFT的输出是相应的时域的复数向量x；使用快速离散傅里叶逆变换，大写表示频率或离散的频域变量，小写表示时域变量；
(3)快速离散傅里叶反变换模块的正交频分复用信号的符号描述与一个IFFT运算相关联的时域序列，IFFT的输入是频域的复数向量X＝[X0 X1 X2 X3 ... XN-1]T，X的每个元素都是表示频域的复数向量，频域的复数向量个数为N，N也是每次进行IFFT运算的输入频域复数向量的个数，X的每个元素表示要在相应子载波上携带的数据，Xk表示第k个子载波上携带的数据，IFFT的输出是时域的复数向量x＝[x0 x1 x2 x3 ... xn-1]T，x的每个元素都是表示频域的复数向量：
Figure FDA0002553060160000021
(4)循环前缀模块在相邻的正交频分复用符号之间***由循环前缀组成的保护间隔，保护间隔的长度大于无线信道中的最大延迟扩展，使得一个正交频分复用符号的多径分量不会干扰下一个符号，x(i)＝[x0(i) x1(i) x2(i) x3(i) ... xn-1(i)]T为第i个符号周期中IFFT的输出，在传输之前，每个时域符号的开始处添加循环前缀；将每个符号的后Tg时间内的信号复制到符号的前面，发送序列是xcp(i)＝[xN-G(i) ... xN-1(i) x0(i) x1(i) x2(i)x3(i) ... xn-1(i)]T；
(5)上变频模块完成的是使用低频射频子板实现基带信号向更高传输频率的频率搬移，发送序列添加完成循环前缀之后，通过数模转换将数字信号转换为模拟信号，再通过低频射频子板将信号进行频谱搬移之后传送给功率放大电路，低频射频子板输出的信号电压幅值小于40mV，功率放大电路在确保信号准确率的基础上，完成小信号的幅值及功率放大。
5.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输方法的功率放大部分将低频射频子板的输出信号进行功率放大，实现能量的控制和转换，包括差分电路、比例电流源、放大电路；
差分电路，使用特性相同的三极管将温度漂移相互抵消；比例电流源输出放大电流，输出电流的计算公式为I2＝I1*R2/R1。
6.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述发送端使用将电能转换成声能的发射换能器，接收端使用将声能转换成电能的接收换能器；
压电式换能器利用压电效应实现电能与声能的相互转换，将电信号转换为声波的机械振动；压电式换能器的核心部件是压电晶体；压电晶体使用电致伸缩效应和压电效应的原理，由锆钛酸铅陶瓷材料制成。
7.如权利要求1所述的正交频分复用随钻数据传输方法，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输方法的信号解调包括：
(1)匹配滤波模块去除接收信号的噪声；
(2)数据同步模块采用基于PN序列的COX时间频率估计方法，完成接收信号的窗口同步匹配，匹配成功则发送标志给采样模块，P(d)为滑动自相关运算，R(d)为滑动窗内的能量，M(d)为对滑动自相关的结果进行归一化处理：
Figure FDA0002553060160000031
(3)下变频模块使用的是数控振荡器和混频器，去除载波频率，得到基带信号，数控振荡器利用外部输入的信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现对输入信号频率的自动跟踪，混频器将换能器接收到的信号Acos(ωt+θ)和数控振荡器模块传过来的信号cos(ωt+θ)做乘法运算，进行相干解调得到需要的信号A，完成载波同步即下变频的整个过程，A表示需要接收的OFDM信号，Acos(ωt+θ)表示上变频之后的OFDM信号，整个下变频环节实现的关键是接收端产生一个与换能器接收到的信号严格同频同相的相干载波cos(ωt+θ)：
Acos(ωt+θ)cos(ωt+θ)＝A/2+A/2cos(2ωt+2θ)；
(4)快速离散傅里叶变换模块完成FFT运算，经过处理的信号传送给采样环节，采样环节根据同步模块的匹配标志信号通过自相关的方式寻找数据头部，将数据头部和数据分离，并给出两者的边界标志，***将数据帧前面的循环前缀去除后进行FFT运算：
Figure FDA0002553060160000041
(5)数据帧获取模块在快速离散傅里叶变换之后进行，使用已知的PN码和接收到的PN码序列进行比较得到信道增益，使用增益修正后的数据帧完成帧同步和均衡，数据帧获取期间实时接收数据帧的定时信号；
(6)数据包的提取与解调模块将FFT输出的复数向量变换为0和1的比特流数据，完成信号的解映射过程，再将比特流打包发送到数据包结构分解模块；
(7)数据包结构分解模块完成对解调后的数据帧进行拆包；去掉白化信号，再去掉数据包的包头、包尾和CRC校验数据，最终获得实际有用的数据信息；
所述正交频分复用随钻数据传输方法的反馈部分在接收到数据链路层的数据包或者是OFDM信号解调完成之后都会给数据链路层一个回传信号，检测数据包是否正确接收或者解调，数据链路层和物理层之间没有时钟信号，同步靠队列完成，从队列中操作完一个数据包之后必须给数据链路层一个反馈信号才能进行下一个数据包的操作；
天线部分连接***硬件和信噪比估计程序；信噪比估计是使用二阶四阶矩阵估计算法对钻井液信道进行估计，将信噪比估计值传输给发送端，***发送端的自适应选择功能以这个信道估计值为参数进行自适应调整；
差错控制解码部分把经过数据包结构分解获得的比特流数据信息还原成它所代表的信息，与发送端的差错控制编码部分相对应；
在水基钻井液为传输介质的钻井液信道中，声波的传输距离与发送信号的中心频率平方成反比，上变频后的信号中心频率和信号带宽可根据传输距离进行灵活调整，可将信号中心频率降低并缩减信号带宽以增加传输距离。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
在发送端，信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
在接收端，接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解。
9.一种运行权利要求1～7任意一项所述正交频分复用随钻数据传输方法的正交频分复用随钻数据传输***，其特征在于，所述正交频分复用随钻数据传输***包括：
发送端，用于实现信号处理器将差错控制编码之后的数据进行信号调制，经过快速离散傅里叶反变换后添加循环前缀并进行数字模拟转换；低频射频电路对模拟信号上变频之后进行功率放大，发送换能器将功率放大后的电信号转换为声波信号在钻井液信道中进行传输；
接收端，用于实现接收换能器将接收到的声波信号转换为电信号，经过匹配滤波及下变频之后，进行数据同步及快速离散傅里叶变换，将输出的复数矢量解映射为比特数据并进行结构分解；
发送端包括差错控制编码部分、信号调制部分、功率放大部分、电声转换部分；信号调制部分包括数据打包、星座映射、快速离散傅里叶反变换、循环前缀、上变频；在***发送端，USRP信号处理器与低频发送电路连接，低频发送电路与功率放大器连接，功率放大器与发送换能器连接；
电声转换部分由信号线、防水接头、上壳、下壳、环氧树脂胶、软木板、锆钛酸铅陶瓷片构成；信号线通过防水接头与上壳连接，上壳与下壳连接，锆钛酸铅陶瓷片设置在下壳的底部，锆钛酸铅陶瓷片的外侧被软木板包裹，软木板外侧为环氧树脂胶；
发送端数据帧包括包头，数据部分、校验位和尾部比特；功率放大电路由消除零点漂移的差分放大电路、具有温度稳定性的比例电流源、高效率的数字功放电路构成；压电式换能器由锆钛酸铅陶瓷、环氧树脂胶、防水接头构成；
接收端包括声电转换部分、信号解调部分、反馈部分、天线部分、差错控制解码部分；接收部分是接收端最关键的环节，包括匹配滤波、数据同步、下变频、采样、快速离散傅里叶变换、数据帧获取、数据包的提取与解调、数据包结构分解；在***接收端，接收换能器与低频接收电路连接，低频接收电路与信号处理器连接。
10.一种石油勘探中钻井、采油、修井通讯***，其特征在于，所述石油勘探中钻井、采油、修井通讯***搭载权利要求9所述的正交频分复用随钻数据传输***。
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