5000米數字高清高速圖傳技術

該技術可廣泛應用于石油、地質、水文水利、海洋等物探行業的數字高速遙傳通信。

深井數字高速遙傳技術,采用一對銅線可實現遠距離高速通信,應用井下電視圖像傳輸,配合H.264網絡高清攝像頭,圖像分辨率最高達到1280*720,傳輸速率最高2.3Mbps,傳輸距離最遠可達到10km。

1. 高清電纜圖傳

(1)技術標準

Global SHDSL Recommendation

ITU-T G.991.2,G.shdsl,2003, 2005.

ETSI,TS 101 524,SDSL(Symmetric single pairhigh bitrate DSL), 2005

EFM Standard – Long Reach Ethernet PHY

IEEE 802.3ah(EFM, Ethernet First Mile) in 2004

IEEE802.3-2008(2BASE-TL)

(2)電纜自適應均衡技術

    高清電纜圖傳系統采用先進的電纜自適應均衡技術,能夠依據不同材質、不同線徑、不同長度的電纜的傳輸特性自動進行自適應濾波,實現最佳匹配和最佳接收,對于各種類型的電纜真正實現即連即用,再也不需要進行繁瑣的電纜參數匹配。

(3)編碼方式:TC-PAM(Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation)

    采用先進的TC-PAM編碼技術,采用高效的編碼技術在有限的電纜帶寬上通過提高頻帶利用率的方法實現高速數據傳輸。

(4)傳輸速率:64kbps~2.3Mbps

(5)傳輸距離::0~7000m

(6)傳輸介質:         

     只采用一對導線進行高速傳輸,適用于各種兩芯以上的電纜,也適用于石油、地質勘探使用的單芯鎧裝和多芯鎧裝電纜。

2. H.264高清攝像

深井數字高清井下電視采用H.264網絡高清攝像頭,支持主、輔兩種碼流。可選擇彩色/黑白圖像,幀率,碼率可選,可在圖像質量,連續性之間進行均衡,以實現在固定鏈路傳輸速率條件下最佳的圖像視覺質量。


3. 應用

石油行業水井、氣井檢測。如套管檢測,落物打撈、找漏等。

4.造型

實驗室


井下攝像高清電纜圖傳技術系統研制的技術方案



1.“井下攝像系統”技術要求
該高清電纜圖傳技術攝像系統能滿足大多數油、氣,水井的測井需要,根據各種不同井的井深調查,以井深3000m-5000M,115mm管作為“井下電視攝像系統”的技術要求,具體的技術指標是:
“井下電視攝像系統”(包括1個井下電視攝像機、1根長3000-5000m的井下傳輸綜合電纜、一套控制系統、和相應的起下設備)。其中視角90°左右,最高工作溫度125℃,耐壓35-70Mpa,可視距離≥0.1米(與水質有關);儀器最大外徑≤75mm(可定制)。如有外接深度信息,則可將其數據疊加在攝像機的視頻信號中。起下設備可滿足在上述負荷條件下的儀器起下要求。
2. “井下攝像系統”總體方案
2.1“井下攝像系統”的工作原理和工作過程
整個系統包括井下工作部分和井上工作部分。井下工作部分又包括照明系統、攝像系統、密封防護系統和信號處理與傳輸系統;井上工作部分又包括供電系統、控制系統與顯示系統以及儀器起下系統等附屬設施。整個井下工作部分為圓柱狀,由下至上依次為:透明保護殼窗、成像鏡頭和攝像機、照明光源、信號處理系統。這些部分均密封在一個由高強度,耐腐蝕的金屬材料制成的密封殼體內,與井內的油、水等介質相隔離,殼體的最后是電纜連接部分及傳輸電纜。
整個系統的工作原理是:由攝像機照明系統發出的光線照射井壁,井壁的反射光經成像透鏡后,被攝像機的光電成像器件接收,經信號處理放大系統放大后,通過信號轉換,將視頻信號,通過傳輸電纜將圖像傳送至地面。最后由地面的系統顯示與采集實時圖像。事后可對圖像進行分析和處理形成測量報告。
整個系統的工作過程是:
①將井下工作部分與電纜和地面儀器相連;
②由地面上的電源供電,檢查整個系統的工作狀態是否良好;
③用纜車由專用電纜將井下工作部分下入測試目的井中,根據測井設計要求對目的井段進行檢測,一般情況下采用下放測試,也可采用上提測試;
④根據得到的圖像并結合深度指示器對井壁進行觀察,發現問題后,可采用反復檢測或停留檢測,并將目標井段的測試圖像記錄在計算機硬盤上;
⑤完成測井任務后,對所存儲的圖像資料進行回放、分析或處理,并編寫測井解釋報告。
2.2 系統組成
系統由井下攝像系統、地面纜車收放系統、圖像顯示與采集系統等組成。其中井下攝像系統拍攝井壁圖像,經過電纜的信號傳輸,將圖像傳輸地面,由系統采集與顯示。地面纜車收放系統主要功能是將井下攝像系統放置到井下所需的攝像的地方,為了了解井下攝像的工作深度,要求纜車收放系統提供井下深度信號,由系統處理后疊加到視頻圖像上。


2.3 井下攝像頭系統的組成
井下攝像頭系統由照明燈、成像鏡頭、攝像機、信號處理、隔熱層、吸熱層、密封防護等組成。
整個井下攝像系統為圓柱狀,由下至上依次為:透明保護殼窗、成像鏡頭、攝像機、照明光源、信號處理系統。這些部分由高強度的耐腐蝕金屬材料制成的密封殼體保護起來,與井內的油水等相隔離,殼體的最后是與電纜的連接部分及傳輸電纜。攝像機與處理電路由隔熱層與外殼隔開,并與吸熱層相連。吸熱層具有高溫吸熱,低溫放熱的特點。它能保證在一定時間內攝像機在井內?度正常工作。
2.3.1照明系統
井下電視照明方式
②前端照明方式:它是將多個體積較小的LED高亮照明燈固定在攝像機的周圍,直接對井壁進行照明。這種照明方式的優點是光能利用率高,照度均勻,不會對攝像機產生影響。


2.3.2成像系統
它是整個系統的關鍵部分,主要由成像物鏡、光電成像器件組成。成像物鏡是將所成的井壁圖像成像在光電成像器的靶面上。由于觀察的是井壁圖像,同時又是在深井井下工作,所以需要專門設計研制,而不能用普通透鏡替代。為保證有足夠的放大倍率,同時盡量減少畸變,確保有良好的成像質量,在生產過程中,還充分考慮了油、水混合物的折射率對光學成像質量的影響,油、水混合物對光的散射與吸收對光學成像質量的影響以及成像鏡頭與光學殼窗的合理配合等問題。
2.3.3信號傳輸系統
信號傳輸系統主要包括視頻信號傳輸和電力傳輸。
視頻信號傳輸:由于傳輸距離遠(3500米-5000米),通過高速視頻傳輸模塊方式實現長距離、低失真,高速率的視頻信號傳送是保證電視監控系統基本質量和應用范圍的關鍵  
電力傳輸:攝像機采用交流電源,直流電源,或高溫鋰電池。
2.3.4密封與防護視頻采集系統
⑴抗壓
這是本產品的另一個關鍵部分,它由密封殼體、密封座、藍寶石玻璃防護窗組成,負責對其內部設備的防水和隔熱保護。其中密封殼體選用不銹鋼材料制成,以保證有足夠的強度和耐腐蝕性,形狀選為圓柱體,壁厚由強度計算公式確定:

    式中:s=材料的許用應力,MPa/mm2;
p=工作壓力,MPa;
b=為內徑,mm;
a=壁厚,mm。
根據儀器設計工作壓力和所選用材料的許用應力,由上式計算所得到的壁厚,為到安全起見,a取 5 mm。
防護視頻采集窗選用藍寶石玻璃制成,因為藍寶石玻璃的硬度高,耐壓性能好,抗磨損。藍寶石玻璃作為成像系統的一部分和光學鏡頭一起設計。同外殼厚度計算方法一樣,可計算得防護窗藍寶石玻璃的厚度為8mm。。
⑵密封
井下攝像系統的密封,為了可拆卸封頭拆裝方便,又能密封可靠,常用的密封組件為橡膠O型圈。橡膠O型圈是理想的密封材料,其優點是彈性好、壽命長、耐腐蝕性好、制造簡單、經濟。選用時注意O型密封圈的表面應當光滑,截面應當圓整,從而使密封可靠、壽命增長。
在井下電視系統密封的設計和加工過程中特別要注意光學透光窗與電纜連接處。具體的防水密封措施主要有:
?采用多層O型密封圈予以密封,以提高密封可靠性。O型橡膠圈保證互換性。嚴格控制密封槽的各項公差和其它技術要求。
?密封殼體采用耐腐蝕不銹鋼,防止微氣泡滲水。
?照明燈、攝像頭采用獨立密封結構,其插座為密封插座,即使電纜內部進水,也不會滲透到照明燈、攝像頭內部。
?所有密封體裝配好后,進行壓力實驗,實驗壓力為要求壓力的2~3倍。
⑶防腐
要注意防腐蝕的結構設計。水下攝像系統每次完成實驗作業后需要用淡水加以清洗,以消除殘留海水的腐蝕,在結構設計時要多考慮怎樣消除使井水滯留的地方,如:
?避免狹縫。
?用粘接連接來代替通常采用的過盈配合聯結,消除間隙。
?用密封材料填充聯接零部件之間的縫隙,使縫隙中的零件表面與腐蝕介質很好的隔開。
?盡可能使用粗牙螺紋,在螺釘連接處加塑料保護蓋。
2.3.5溫度保護系統
攝像機與處理電路由隔熱層、吸熱層、等組成的溫度保護系統保護,以滿足在?分鐘內在井內125度的條件儀器內部溫度可維持在55℃以內的要求,保證儀器正常工作。也可選擇高溫電子元器件。
⑴隔熱
采用承壓一體瓶。。
⑵吸熱層
在隔熱層內為吸熱層,層內裝有特殊吸熱材料。吸熱層具有高溫吸熱,低溫放熱的特點。吸熱層直接與攝像機或處理電路相接觸,當攝像機或處理電路產生熱量時,熱量將傳導到吸熱層,層內吸熱材料把熱量貯存,以降低攝像機或處理電路的溫度。
2.3.6圖像顯示和記錄系統
該部分在井上工作,主要包括深度記數、視頻疊加、圖像顯示、圖像記錄和電源等。
深度記數是將同步脈沖發生器與電纜支架的轉軸相連接,當開始測井時,電纜經電纜支架下入井下。在下井過程中,電纜帶動電纜支架的轉軸轉動,從而使同步脈沖發生器產生一系列脈沖信號,由記數器對脈沖信號進行記數和換算,就可得到井下攝像機所處的深度。這部分工作內容由絞車提供。本系統只接受深度數據,將深度數據疊加在圖像上。
圖像顯示和記錄是將合成后的視頻信號在顯示器上顯示,并用于實時觀察,同時將視頻信號存貯。
2.4 儀器起下系統
儀器起下系統由絞車完成。

3.深井井下攝像系統的技術特點
“井下攝像系統”作為井下觀測設備,使用環境復雜、惡劣,這就對整機的可靠性和操作方便性以及井下系統的體積、重量、耐壓、耐溫能力等各方面提出了苛刻的要求,因此,必須確保機、電等各個環節技術指標先進,性能可靠,才能保證整個系統長時間在井下正常工作,該系統的主要技術特點有:
⑴采用******、高靈敏度、高分辨率的器件作為井下光電成像器件。
⑵設計、研制適于井下環境使用的井下專用******鏡頭。由于“井下電視******系統”是在注水井或采油井中工作,周圍介質為油、水混合物(90%以上的水),由于水的折射率比空氣大,所以在水中,******機的視角比在空氣中小1/4 。為了獲得與空氣中同樣大小的視場角,必須選用水下專用成像物鏡。為此,專門設計、研制出適用井下使用要求的水下******鏡頭,在研制過程中,不僅充分考慮水的折射率對光學成像質量的影響,水對光的散射、吸收對光學成像質量的影響以及成像鏡頭與光學殼窗的配合等問題,還要考慮殼窗的耐壓與防腐等多種因素。
⑶井下光源。水對光的吸收(衰減)作用非常大,而且水中存在著各種懸浮物,這些懸浮物的性能各異,對光有散射作用,當光增強時,散射作用更嚴重,因此,光在水中不能遠程傳輸;光在水中的衰減大的問題,可以用加大光的方法來解決,然而對于水中懸浮物引起的散射問題,加大燈光卻無濟于事,所以,照明燈的位置應盡可能接近目標以減少散射光對圖像質量的影響。由于在井中作業,空間有限,徑向尺寸要求尤其嚴格,所以光源必須和******機做成一體,我們將光源放置在******機的前端,使照明均勻,從而降低了散射光對成像光束的干擾,提高圖像的襯度和分辨率,從而提高整個系統的圖像質量和可視距離;使用LED燈作為井下照明光源,充分利用其發射光譜與井下光學透射窗口相匹配的特性,達到發光效率高、功耗小、提高目標圖像細節分辨能力的目的;
⑷長線傳輸。采用交直流,鋰電池作為井下攝像機供電電源;同時采用雙絞線或二芯以上電纜線傳輸視頻信號,保證視頻信號的質量。
⑸綜合絕熱技術。井下的環境溫度隨深度的增加而升高,井下3000-5000處,溫度可達80℃以上,而攝像機正常工作的最高溫度只有55℃,所以要采取有效的保溫措施以確保攝像機不受高溫的影響。因此,使用隔熱層、吸熱層、等組成的溫度保護系統保護,以滿足在?分鐘內在井內?度的條件儀器內部溫度可維持在55℃以內的要求,保證儀器正常工作。
⑹密封技術。密封是井下電視攝像系統的關鍵技術之一,主要有殼體與殼窗之間、端蓋與殼體之間、水密插頭和端蓋之間的密封,密封填料采用性能良好的“0”型橡膠密封圈,確保整個系統在最大工作壓力1.2倍的壓力條件下所進行的高壓試驗中,各密封處不滲漏,不變形,從而保證井下電視攝像系統的可靠性;
⑺殼體、殼窗的材料選擇。由于井下工作環境惡劣,所以殼體材料選擇了具有良好的機械加工性能,不銹鋼高強度耐腐蝕、耐沖擊的材料。殼窗則應選擇藍寶石玻璃,藍寶石玻璃不僅機械強度高,耐溫性能強,而且還有很好的透光性。

4.井下電視攝像系統的總體性能指標
4.1井下電視攝像系統主要性能指標
井下電視攝像系統的主要技術指標是:
?圖像類型 黑白/彩色,視頻(PAL)
?像素 130萬網絡(700線。索尼CCD)
?靈 敏 度 0.1Lux
?可視距離 ≥0.10米(與水質有關)
?視  角 90°/120
?工作方式 固定光圈,固定(可調)焦距
?工作深度 3000-5000米(可以定制)
?工作溫度 -20℃ — +125℃(其中溫度和工作時間有關)
?耐    壓 35(70) MPa
4.2  井下電視攝像系統主要傳輸性能指標
 數字高清井下電視基于高清電纜圖傳技術,采用一對銅線可實現遠距離高清圖像傳輸,配合H.264網絡高清攝像頭,圖像分辨率最高達到1280*720,傳輸速率最高2.3Mbps,傳輸距離最遠可達到10km。可廣泛應用于石油、地質、水文水利、海洋等行業。
勘測如此深遠、圖像如此清晰,前所未見。
5.高清電纜圖傳
(1)技術標準
Global SHDSL Recommendation
ITU-T G.991.2,G.shdsl,2003, 2005.
ETSI,TS 101 524,SDSL(Symmetric single pairhigh bitrate DSL), 2005
EFM Standard – Long Reach Ethernet PHY
IEEE 802.3ah(EFM, Ethernet First Mile) in 2004
IEEE802.3-2008(2BASE-TL)
(2)電纜自適應均衡技術
    高清電纜圖傳系統采用先進的電纜自適應均衡技術,能夠依據不同材質、不同線徑、不同長度的電纜的傳輸特性自動進行自適應濾波,實現最佳匹配和最佳接收,對于各種類型的電纜真正實現即連即用,再也不需要進行繁瑣的電纜參數匹配。
(3)編碼方式:TC-PAM(Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation)
    采用先進的TC-PAM編碼技術,采用高效的編碼技術在有限的電纜帶寬上通過提高頻帶利用率的方法實現高速數據傳輸。
(4)傳輸速率:64kbps~2.3Mbps
(5)傳輸距離::0~7000m
(6)傳輸介質:         
     只采用一對導線進行高速傳輸,適用于各種兩芯以上的電纜,也適用于石油、地質勘探使用的單芯鎧裝和多芯鎧裝電纜。
6.H.264高清攝像
數字高清井下電視采用H.264網絡高清攝像頭,支持主、輔兩種碼流。可選擇彩色/黑白圖像,幀率,碼率可選,可在圖像質量,連續性之間進行均衡,以實現在固定鏈路傳輸速率條件下最佳的圖像視覺質量。
7.應用

石油行業水井、氣井檢測。如套管檢測,落物打撈、找漏等。

8.選型


5.井下電視攝像系統儀器外觀

6. 井下電視攝像系統的進度安排

生產周期:一般60工作日——120個工作日
   第一階段:詳細技術設計
   第二階段:器件、材料購買:零件加工;電路設計與加工。
   第三階段:系統的裝配和調試
   第四階段:檢測和實驗
本產品是集光、機、電一體化的高技術產品,能滿足3000-7000米深度的油、氣,水井的測井要求,該系統具有操作方便、圖像質量優良和圖像實時顯示等優點,其綜合性能指標已達到國外同類產品水平。             

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