中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年，測量儀器行業(yè)持續(xù)展現(xiàn)出強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力。尤其是礦用隨鉆測量儀器領(lǐng)域，隨著煤礦井下作業(yè)對精準(zhǔn)度和高效性要求的不斷攀升，相關(guān)技術(shù)的革新迫在眉睫。其中，信號通信編碼作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對儀器的性能起著決定性作用。傳統(tǒng)編碼方式在能耗、抗噪以及解碼準(zhǔn)確性等方面存在諸多不足，難以滿足復(fù)雜的井下作業(yè)環(huán)境。因此，開發(fā)一種新型的、更優(yōu)化的編碼設(shè)計(jì)方法成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。

  一、測量儀器低頻電磁波通信編碼的需求背景

  《2025-2030年全球及中國測量儀器行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，煤礦井下掘進(jìn)前，需在煤層內(nèi)鉆設(shè)眾多孔系，用于瓦斯抽采和地下水防治。此時(shí)，導(dǎo)向儀器至關(guān)重要，它位于鉆頭后方，負(fù)責(zé)測量鉆孔軌跡姿態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)給操作人員，以便調(diào)整鉆孔軌跡。目前，隨鉆測量儀器多采用電纜傳輸數(shù)據(jù)，但電纜存在接頭不可靠、密封不嚴(yán)、故障率高、壽命短以及成本高昂等問題。故而，無線傳輸數(shù)據(jù)的通信方式亟待應(yīng)用。普通無線電波(射頻頻段)無法穿透煤層實(shí)現(xiàn)千米傳輸，極低頻電磁波通信則成為較為適宜的選擇。不過，極低頻電磁波信號雖穿透能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，但經(jīng)千米衰減后，抵達(dá)孔口時(shí)信號極為微弱，對解碼提出了極高要求。為節(jié)省孔內(nèi)發(fā)射裝置能源、延長電池使用時(shí)間、抑制現(xiàn)場復(fù)雜噪聲環(huán)境以提升解碼成功率并降低錯(cuò)誤率，必須精心設(shè)計(jì)無線電磁信號的編碼形式。常規(guī)編碼制式，如曼徹斯特調(diào)整編碼，以每個(gè)時(shí)間格中的上升沿、下降沿代表串行數(shù)據(jù)的 “0” 和 “1”，其缺點(diǎn)是需連續(xù)發(fā)射，耗電多且碼距近，抑制噪聲效果欠佳。所以，優(yōu)化通信編碼設(shè)計(jì)方法、降低能量消耗并提升抗噪能力，是保障隨鉆測量儀器探測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵手段。

  二、測量儀器低頻電磁波信號通信編碼設(shè)計(jì)新方法

  提出一種礦用隨鉆測量儀器低頻電磁波信號通信的編碼設(shè)計(jì)方法，其流程具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓浴?

  1、確定頻點(diǎn)并估計(jì)通信時(shí)長。依據(jù)鉆孔過程中孔底到孔口的傳輸距離，選取極低頻電磁波的頻點(diǎn)作為脈沖信號，一般處于 5~20Hz 范圍。

  2、依據(jù)脈沖信號的寬度 t 定義脈沖之間的最小間隔時(shí)間，每個(gè)脈沖信號占空比小于 50%。通過控制脈沖信號的位置和脈沖間隔，生成不同的脈沖序列。

  3、n個(gè)脈沖組成一個(gè)脈沖序列 a。依據(jù)上述對脈沖的約束條件，枚舉出所有脈沖序列，獲取m個(gè)脈沖序列a，記作所有脈沖序列的集合。計(jì)算集合 A 中每 2 個(gè)元素之間的相關(guān)系數(shù) r，獲得相關(guān)系數(shù)矩陣集合。之后，去除自相關(guān)系數(shù)，獲得元素間的互相關(guān)系數(shù)的矩陣集合 R。對 R 的每一行進(jìn)行大小排序，得到排序后的集合 S。對集合 S 中的元素進(jìn)行篩選，依據(jù)相關(guān)性篩選標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)性判別。采用多個(gè) M 的線性組合，最終組成編碼序列，用于表示需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

  三、測量儀器編碼設(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  針對上述編碼設(shè)計(jì)方法，開展了實(shí)驗(yàn)與分析。選取一組脈沖序列，每行為一個(gè)脈沖序列，共 128 個(gè)脈沖序列，其中 1 表示脈沖，0 表示保護(hù)時(shí)隙。該實(shí)例采用 3 個(gè)脈沖組合 1 個(gè)脈沖序列，單脈沖寬度 0.4s，脈沖序列寬度 4.8s，最小脈沖間隔 0.4s。改變脈沖的位置和間隔時(shí)間，共產(chǎn)生 353 個(gè)脈沖序列。對 353 個(gè)脈沖序列進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，以每個(gè)脈沖序列的相關(guān)系數(shù)大于 0.8 的個(gè)數(shù)為依據(jù)，提取數(shù)值最小的 128 個(gè)所對應(yīng)的脈沖序列，作為數(shù)據(jù)編碼。將該方法與曼徹斯特碼進(jìn)行對比，曼徹斯特碼信息傳輸速率為 1.25b/s，本文方法的信息傳輸速率為 1.46b/s。本文方法的分組碼共用 353 種脈沖序列，其中 128 種作為有效碼，其余 225 種作為禁用碼，可用于檢錯(cuò)或糾錯(cuò)。曼徹斯特碼的脈沖信號占空比為 50%，本文方法分組碼的占空比在示例中為 25%，相對曼徹斯特碼可節(jié)約 1/2 的能量。采用 5A?h 電池供電，測量儀器靜態(tài)電流 0.05A，信號輸出所需電流 0.2A。使用連續(xù)波形信號輸出時(shí)，電池使用時(shí)間為 20h;采用占空比 25% 的脈沖信號時(shí)，信號輸出平均電流 0.05A，電池使用時(shí)間為 50h。與傳統(tǒng)的曼徹斯特編碼方法相比，本文編碼方法占空比由 50% 縮減到 25%，碼距更大，降低了誤碼率，提升了噪聲抑制效果。

  四、總結(jié)

  礦用隨鉆測量儀器采用電池供電，實(shí)際應(yīng)用中為滿足儀器在孔中的使用時(shí)長，省電至關(guān)重要。針對連續(xù)輸出的信號波形能耗高、不滿足使用需求等問題，提出采用間歇性脈沖信號減少電池能量消耗的編碼設(shè)計(jì)方法。該方法在傳統(tǒng)編碼技術(shù)基礎(chǔ)上，采用相關(guān)篩選方法，以硬閾值調(diào)節(jié)編碼率，提高了編碼增益;在能量固定時(shí)，調(diào)節(jié)脈沖數(shù)量和占空比，可定量提高系統(tǒng)的使用時(shí)間。此編碼方法適用于各種低速、低耗能傳輸系統(tǒng)，尤其在高背景噪聲環(huán)境中具有良好的應(yīng)用前景，為礦用隨鉆測量儀器的性能提升提供了有力的技術(shù)支持，有望在未來的煤礦井下作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，推動測量儀器行業(yè)的高效、安全發(fā)展。

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