基于天线结构和特性协同优化的井下高性能RFID系统研究

RFID (Radio Frequency Identification) using the contactless data transmission by an electronic tag is expected to provide a new way to control the downhole tools with high efficiency and low cost. However, the complex application environment in the downhole can greatly reduce the communication performance of RFID system. In this project, the design method of high-performance RFID system based on the cooperative optimization of antenna structure and characteristics is presented. Firstly, the optimizing mechanism of a new type antenna on the magnitude and direction of the space magnetic field will be studied, and the quantitative method to calculate the voltage sensitivity of the core tag antenna will be revealed. Then, based on the quantitative characterization of the high-performance RFID communication system, a multi-objective collaborative optimization model with hybrid constraints will be built, and a high-performance RFID system applied to the downhole complex environment will be achieved. Through research, the relationship between the antenna structure characteristics, complex environments and RFID system performances will be clarified. It could provide the basic theory and technical support for the RFID system design in the complex environment applications, which has important scientific significance and application value.

通过电子标签非接触式传递控制数据的RFID(Radio Frequency Identification,无线射频识别)有望为石油勘探开发中井下工具的高效、低成本控制提供一种全新的途径，但井下复杂的应用环境会极大降低RFID系统的通信性能。本项目探索基于天线结构和特性协同优化的高性能RFID系统设计方法。研究新型读写器天线结构对天线空间场强密度分布及方向性的优化修正机理，揭示磁芯标签天线电压感应灵敏度的定量计算方法，提出高性能RFID通信系统的定量表征指标，构建全系统混合约束下的多目标协同优化模型，实现应用于井下复杂环境的高性能RFID系统。通过研究，将阐明天线结构特性、复杂环境与RFID系统性能等参数之间的关系，为面向复杂环境应用的高性能RFID系统设计提供关键的基础理论和技术支撑，具有重要的科学意义和应用价值。

RFID技术在石油井下工具控制方面具有非常广阔的应用前景，可带来巨大的经济效益。然而，井下复杂的应用环境会对RFID系统造成不容忽视的多重耦合影响，极大削弱RFID系统的性能。天线是RFID系统中读写器和电子标签实现能量传递与数据交互的耦合载体，其结构和特性对RFID系统的性能有关键的贡献。本项目探索基于天线结构和特性协同优化的高性能RFID系统设计方法。首先，提出了一种新型三维全向RFID组合线圈天线设计方法，创新性地将两对马鞍形线圈天线与稀疏螺线管线圈天线集成，进行优势互补，实现了RFID标签的全方位读取。同时，首次引入了标签天线感应电压灵敏度用于表征标签天线的性能优劣，并提出了一种标签天线电压灵敏度计算与测量方法。在此基础上推导了铁氧体磁芯标签线圈天线电压灵敏度计算公式，给出了高灵敏度RFID磁芯标签天线优化设计策略，从标签角度大幅提高了RFID系统性能。此外，通过建立RFID系统双向通信链路模型引入读写器天线电感最大化这一优化设计目标，构建了多维度混合约束下的多目标协同优化模型，运用多目标遗传算法优化了系统参数设计，得到了RFID系统参数的最优组合。最后，研制了面向石油井下复杂环境应用的高性能RFID系统样机，搭建了针对井下RFID系统的性能测试平台。本项目围绕基于天线结构和特性协同优化的井下高性能RFID系统开展基础研究，解决石油开采钻完井和固井作业中的技术难题，具有一定的理论创新性和工程紧迫性，也为面向其他复杂环境应用的高性能RFID系统设计提供了关键的基础理论和技术支撑。