劉康,張家田

　　(西安石油大學(xué) 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

       摘要：井下電視應(yīng)用一直受到傳輸速率的影響,數(shù)字井下電視可以分析并解決井下復(fù)雜狀況問題。采用H.264編碼技術(shù)可以在相同帶寬傳輸更高的圖像質(zhì)量，以及采用單對線高速數(shù)字用戶線（SHDSL）技術(shù)可以解決井下傳輸距離與速率相矛盾的問題。該傳輸技術(shù)具備自適應(yīng)能力來適應(yīng)同軸鎧甲電纜，對傳輸介質(zhì)降低了要求且節(jié)省成本。通過以上兩種技術(shù)可以解決井下圖像傳輸距離短和分辨率低的問題，并提高井下數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　關(guān)鍵詞：井下電視;H.264;SHDSL;高清; 實時

　　中圖分類號：TE953文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.027

　　引用格式：劉康,張家田.H264編碼和SHDSL傳輸技術(shù)在井下電視的應(yīng)用［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（3）：93-95.

0引言

　　現(xiàn)在油氣田開采開發(fā)過程主要存在兩大方面問題，一是隨著大部分油田的長期開采面臨著枯竭的狀態(tài)，開采新的油氣資源難度加大；二是常年處于生產(chǎn)過程的生產(chǎn)井面臨著套管老化、腐蝕及損壞等。現(xiàn)在多采用多種方法聯(lián)合測量、準(zhǔn)確定位損壞點，成本和風(fēng)險會很高，缺乏一種直觀、低成本的準(zhǔn)確定位方法來確定損壞點［1］。井下電視是解決上述問題的有效辦法，但井下電視傳輸距離3.0 km［2］都是極限，對于內(nèi)陸深井開采幫助不大，所以本文試圖采用基于H.264編碼壓縮技術(shù)和SHDSL高速傳輸技術(shù)來使高清、實時圖像傳輸距離達到7 km［3］。本系統(tǒng)涉及的兩個部分及對應(yīng)的重要技術(shù)為：井下測井部分、地面軟件部分，圖像壓縮、解壓縮主要采用H.264編碼壓縮技術(shù)；傳輸部分主要采用SHDSL高速傳輸技術(shù)。

1重要技術(shù)簡介

　　1.1H.264編碼壓縮技術(shù)

　　視頻壓縮工作是通過去冗余圖像數(shù)據(jù)的方法來實現(xiàn)，其中主要包括壓縮、創(chuàng)建壓縮文件、發(fā)送、解壓縮對視頻還原、顯示視頻幾個過程。延時包括壓縮過程、發(fā)送過程、解壓縮過程和顯示視頻所需時間過程［4］。延時與圖像壓縮算法高級程度成正比。相比H.263技術(shù),基于前后幀參考二元算術(shù)編碼（CABAC）算法的H.264技術(shù)將峰值信噪比（PSNR）提高0.6 db［5］以上，視頻數(shù)據(jù)得到進一步壓縮。在H.264編碼技術(shù)中，對I幀進行數(shù)據(jù)壓縮編碼，減少不必要的冗余數(shù)據(jù)。這種方法通過連續(xù)預(yù)測幀中每一個宏塊內(nèi)比較小的像素塊，來減少I幀所占數(shù)據(jù)位。這一點可與在新4×4像素塊［6］中其他像素實現(xiàn)匹配。本算法的優(yōu)勢是盡可能利用與前幀相似匹配，減少不必要的數(shù)據(jù)編碼，節(jié)省存儲空間。

　　1.2SHDSL 傳輸技術(shù)

　　單對線高速數(shù)字用戶線（SHDSL）技術(shù)的傳輸距離與用戶電話線的線徑成正比，電話線直徑越粗，傳輸距離也就越長。不管用戶的實際傳送帶寬，比較兩線的SHDSL模式和四線的HDSL，HDSL技術(shù)的傳送帶寬是2 Mb/s，并且是固定不變的；而SHDSL具有自適應(yīng)功能，不同的帶寬隨著線徑變化，隨著傳送速率的不同，實現(xiàn)的傳送距離也不同。以兩線SHDSL和四線HDSL相比較，如果是在2 Mb/s傳送速率下，前者將比后者提高15%的傳送距離。SHDSL提供數(shù)據(jù)流傳輸冗余和每秒延遲不超過1.2 ms［7］，這對于視頻實時傳輸非常重要。因此，SHDSL的一個顯著優(yōu)勢就是傳輸距離改變，帶寬也改變，對電纜要求降低。

2整體系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　數(shù)字高清井下測井儀根據(jù)工程需要主要分為3個部分：地面系統(tǒng)、傳輸電纜、井下系統(tǒng)。地面系統(tǒng)由上位機和電源供電系統(tǒng)組成，井下系統(tǒng)由CCD高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成，傳輸電纜由一對主從傳輸板和鎧裝電纜線組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)要達到以下目的：上位機發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)井下采集圖像的分辨率和碼率，契合傳輸速率與測井電纜達到傳輸平衡，實現(xiàn)井下圖像信號在地面系統(tǒng)高清實時回放。傳輸電路系統(tǒng)如圖2所示。

　　在圖2中模擬前端撥碼器可以自適應(yīng)平衡傳輸速率，撥碼器共4位，第一位設(shè)置地面系統(tǒng)傳輸電路系統(tǒng)和井下系統(tǒng)傳輸電路系統(tǒng)局端或客戶端即設(shè)置主從關(guān)系，傳輸電路系統(tǒng)綠燈亮表示此為用戶端，則另一端應(yīng)該設(shè)置綠燈滅；后三位設(shè)置速率，最高可達2.3 Mb/s，具體速率設(shè)置參考如圖3所示，傳輸電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。由于井下高溫高壓，傳輸電路都要在真空保溫瓶里［8］，照明光源照射井壁，反射光由CCD傳感器接收輸出電壓，由成像模塊將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理電路壓縮編碼再經(jīng)電纜傳送給地面系統(tǒng)。

　　2.2電纜傳輸方式選擇

　　本系統(tǒng)的地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)采用220 V交流電，所以需要把交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電源，地面系統(tǒng)采用AC/DC轉(zhuǎn)換模塊電源為電源提供+12 V電壓，但井下系統(tǒng)需要將220 V交流電經(jīng)過長距離電纜傳輸至井下再用AC/DC轉(zhuǎn)換模塊電源為井下儀器供電，這就需要選擇合適的電纜供電和傳輸連接方式。在本系統(tǒng)中采用七芯電纜傳輸信息和通電，當(dāng)采用七芯電纜方式進行數(shù)據(jù)傳輸時，由于傳輸距離長達7 000 m，電纜本身阻抗對信號傳輸影響很大，所以采用2、5，3、6并聯(lián)傳輸信號，1、4供電，如圖5所示。

3測試過程及結(jié)果分析

　　在測試之前，需要連接硬件，通電等待傳輸板紅燈閃爍結(jié)束變?yōu)榫G燈，證明傳輸板已連接，地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)可以通信。打開上位機，將本地連接中TCP/IPv4地址改為192.168.0.55，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。完成之后打開地面系統(tǒng)軟件進行網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址搜索，連接成功后會出現(xiàn)井下套管圖像，如圖6所示。

　　畫面出現(xiàn)之后會出現(xiàn)畫面升格或延時的問題，這時需要不斷調(diào)試碼流和圖像分辨率直到畫面清晰且實時為止，參數(shù)調(diào)試界面如圖7所示。其中碼流控制改為非限定碼率，幀率為30 FPS,分辨率和畫質(zhì)平衡調(diào)節(jié)，如果是多攝像頭傳輸數(shù)據(jù)流，可以分別對不同通道的攝像頭進行上述參數(shù)設(shè)置。測試過程中，在2 Mb/s傳輸速率下，四通道傳輸數(shù)據(jù)流基本不會出現(xiàn)延時問題，但更多通道傳輸數(shù)據(jù)需要采用電纜并聯(lián)方式以提高傳輸速率。多通道數(shù)據(jù)傳輸在硬件上需要加上以太網(wǎng)交換機，以太網(wǎng)交換機分配給每個網(wǎng)口的傳輸速率相同。

　　用MATLAB繪出在直徑為0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm的電纜中測試數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系，如圖8所示。從圖中可知鏈路速率與傳輸距離成反比趨勢，在井下系6 km深度，直徑為0.6 mm電纜傳輸速率可達2 Mb/s。平原井深一般不會超過4 km，采用直徑0.4 mm電纜即可達到2 Mb/s，節(jié)省大量成本。實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇合適的電纜，達到效率和性價比最高。

4結(jié)論

　　本文介紹了基于H.264編碼技術(shù)和SHDSL傳輸技術(shù)的井下電視的優(yōu)勢及實踐中的可行性，通過對7 000 m以內(nèi)測井電纜傳輸實驗和測試結(jié)果分析，采用一對線傳輸速率可達2 Mb/s，采用兩對線傳輸速率有望達到3 Mb/s。

　　SHDSL傳輸技術(shù)自適應(yīng)電纜傳輸及自動匹配、自動連接，且符合IEEE802.3/3u/3x和IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，支持橋/路由模式。

　　根據(jù)MATLAB分析可知在普通電纜狀況下，基于上述兩種技術(shù)的傳輸系統(tǒng)可自動適應(yīng)平衡各種電纜要求，以達到最佳傳輸速率和圖像清晰度，這種圖像壓縮技術(shù)和自適應(yīng)高速傳輸技術(shù)可以使更多井下儀器儀表數(shù)據(jù)通過此技術(shù)傳輸至地面，具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價值。

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