齊懷琴，花曉慧

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子信息工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

0 引言

我國(guó)油田主要開(kāi)采對(duì)象為石油和天然氣，涉及到二者的勘探、采集和運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)環(huán)節(jié)。油田建筑物包括采油井、運(yùn)輸管道和存儲(chǔ)廠房等，上述建筑物周圍環(huán)境中存在揮發(fā)的烴類化合物，極易發(fā)生火災(zāi)。油田火災(zāi)主要由于油田內(nèi)部及附近的的明火或暗火引起，一旦發(fā)生火災(zāi)，損失巨大。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如何快速準(zhǔn)確地定位到火源點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)施滅火，顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，發(fā)生火災(zāi)采用全局灑水方法，這樣不但沒(méi)有針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，而且浪費(fèi)水資源。鑒于上述缺點(diǎn)，火災(zāi)定位技術(shù)成為油田火災(zāi)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的火災(zāi)定位技術(shù)多采用TOA技術(shù)、TDOA技術(shù)或AOA技術(shù)，這些方法由于自身缺點(diǎn)，并不適用于油田火災(zāi)定位，而且大多數(shù)技術(shù)研究?jī)H停留在理論分析層面，對(duì)具體處理流程很少提及。針對(duì)上述提及的各種問(wèn)題，提出了適合油田火災(zāi)的偽碼測(cè)距定位技術(shù)，并給出了具體實(shí)現(xiàn)流程和基于Matlab仿真方案。仿真結(jié)論顯示，偽碼測(cè)距定位技術(shù)能夠更好地滿足油田具體環(huán)境狀況及特定需求指標(biāo)，具有良好的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。

1 油田火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］(Wireless sensor network)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)，可以在油田中隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)自組織。在獲取周圍環(huán)境的信息后，形成分布式自組織系統(tǒng)，通過(guò)相互協(xié)同完成火災(zāi)檢測(cè)任務(wù)。在油田火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)中，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在油田內(nèi)，散布大量的無(wú)線傳感器［2］。無(wú)線傳感器分為傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩部分。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，匯聚節(jié)點(diǎn)位置已知，如圖2所示。其中，黑色代表匯聚節(jié)點(diǎn)，白色代表傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖1 油田傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 油田傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)

當(dāng)油田內(nèi)某區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器進(jìn)行報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)警信號(hào)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他手段，將其傳遞至觀測(cè)中心。觀測(cè)中心根據(jù)接收到的報(bào)警信號(hào)，定位到具體發(fā)送報(bào)警信號(hào)的傳感器節(jié)點(diǎn)［3］。

2 油田定位技術(shù)研究

2.1 油田定位技術(shù)選擇

在油田火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)核心。目前，已有大部分定位算法包括時(shí)間差 (TDOD)測(cè)距法、到達(dá)角 (AOA)定位法、信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距 (RSSI)法等。

TDOA方法主要原理是測(cè)量無(wú)線發(fā)射信號(hào)與其他信號(hào)的時(shí)間差。如圖3所示，依照電磁波和聲波兩種波形在空氣中傳播速度不同實(shí)現(xiàn)。由于兩種波形傳播速度不同，接收時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)差別。計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的時(shí)間差，從而計(jì)算得到距離值。

圖3 TDOA測(cè)距技術(shù)

該方法的優(yōu)點(diǎn)為精度高，可達(dá)到厘米水平，缺點(diǎn)為受距離限制。因?yàn)槁暡▊鬏斁嚯x有限，如果超出了聲波傳輸距離，就不能用這種方法了。

AOA方法不但可以測(cè)得節(jié)點(diǎn)的距離，還可以測(cè)量目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和測(cè)距節(jié)點(diǎn)之間的方向，且方向精度很精確。但該方法有效范圍為40度，即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和測(cè)距節(jié)點(diǎn)之間的角度范圍應(yīng)該在40度以內(nèi)。

RSSI方法測(cè)量能量的損失，從而計(jì)算得到距離的信息。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射一定信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)，假設(shè)發(fā)射前信號(hào)的強(qiáng)度為A，經(jīng)傳輸之后，在測(cè)距節(jié)點(diǎn)接收到該信號(hào)。由于距離的傳輸，該信號(hào)的能量會(huì)出現(xiàn)損失。假設(shè)接收到信號(hào)能量為B，該信號(hào)通過(guò)傳輸損失的能量為C=A-B。通過(guò)傳輸介質(zhì)的傳輸參數(shù)，計(jì)算得到距離。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，并不需要很多的算法支撐，只需要測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度的差別就可以了，缺點(diǎn)是精度差。

傳統(tǒng)測(cè)距手段缺點(diǎn)［4］:

(1)定位運(yùn)算分辨不同節(jié)點(diǎn)的能力弱。在定位運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中，同時(shí)有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)需要分辨哪個(gè)信號(hào)是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射出來(lái)，這是現(xiàn)在算法的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)抗干擾能力弱。接收到信號(hào)具有很低的信噪比SNR，系統(tǒng)可能無(wú)法工作，只有當(dāng)SNR足夠大時(shí)，才可以檢測(cè)到信號(hào)。

(3)距離不可調(diào)。假如傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的可檢測(cè)距離范圍為S，那么S就已經(jīng)確定，如果想改變S大小，只有通過(guò)增加發(fā)射端的發(fā)射功率，但是加大發(fā)射端功率的代價(jià)是很大程度增加發(fā)射端的硬件復(fù)雜度。

(4)精度不可調(diào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，精度固定。需要調(diào)整精度時(shí)，只能通過(guò)調(diào)整硬件組成實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上面所說(shuō)的各種缺點(diǎn)，提出了偽碼測(cè)距定位技術(shù)［5］，可以逐一解決傳統(tǒng)測(cè)距手段所遇到的問(wèn)題。

(1)不同節(jié)點(diǎn)定位分辨能力強(qiáng)。因?yàn)閭未a的自相關(guān)峰值大，且互相關(guān)峰值小。當(dāng)接收多路偽碼信號(hào)后，每路信號(hào)有各自對(duì)應(yīng)偽碼。根據(jù)偽碼特性，只需要在基站節(jié)點(diǎn)中運(yùn)用相應(yīng)偽碼與輸入信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算，便可辨別得到相應(yīng)偽碼對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，即通過(guò)自相關(guān)值定位到是具體哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，從而得到該節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離。由于自相關(guān)的峰值遠(yuǎn)大于互相關(guān)的峰值，所以其他偽碼對(duì)本碼的影響很小。

(2)抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)香農(nóng)定理，在信道容量一定的情況下，偽碼可以很大程度的增加信號(hào)的帶寬，這樣可以降低對(duì)信噪比SNR的要求，在信噪比很低的情況下，依然可以工作。

(3)距離可調(diào)。由于在偽碼運(yùn)算中，每一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)的距離是固定的，如果想要增加距離，只需要增加一個(gè)碼周期的碼片數(shù)便可，從而大大降低了對(duì)原系統(tǒng)的修改程度。

(4)精度可調(diào)。在運(yùn)算過(guò)程中，精度是依靠碼片對(duì)應(yīng)碼相位精度決定的?？梢酝ㄟ^(guò)工作時(shí)鐘的變化，控制不同碼相位精度。而且如果希望得到更精確的碼相位值，在運(yùn)算程序后面加入碼跟蹤環(huán)處理，可以大大提升精度。而且重要的是，這里所提及的各種改變精度的方法都是限制在基站內(nèi)FPGA程序的改變，而與硬件無(wú)關(guān)，所以可以大大提升系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

綜上所述，這里選擇偽碼測(cè)距定位技術(shù)，根據(jù)偽碼自身的特點(diǎn)，克服前面所說(shuō)各種方法的缺點(diǎn)，從而更好地實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，并應(yīng)用到油田環(huán)境中實(shí)現(xiàn)火災(zāi)定位。

2.2 油田環(huán)境中的偽碼測(cè)距定位技術(shù)

三邊定位技術(shù):本文采用三邊定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。三邊測(cè)量法［6］的原理如下:

圖4 三邊測(cè)量法

假設(shè)節(jié)D的坐標(biāo)表示為 (x，y)，那么，存在下列公式

可以得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為

偽碼定位原理:首先，觀測(cè)中心通過(guò)輸入的偽碼和本地偽碼做自相關(guān)運(yùn)算，得到碼相位值n。由于偽碼每周期是有N個(gè)碼片組成的，碼片可以測(cè)量的距離固定C_code。通過(guò)碼相位值n和單個(gè)碼片測(cè)量距離C_code的乘積，得到測(cè)量的距離值［7］。具體解釋為:

(1)計(jì)算單個(gè)碼片測(cè)量的距離

首先假設(shè):碼片頻率為F1;每個(gè)碼片周期含有碼片數(shù)為N;光速為C。即分析如下:

1)計(jì)算碼片周期T。

因?yàn)榇a片頻率為F1，并且每個(gè)碼片周期含有的碼片數(shù)為N，可以得到，碼片周期

2)計(jì)算整個(gè)碼周期的測(cè)量距離S

碼片傳輸速度與光速時(shí)相同的。則在一個(gè)碼周期T時(shí)間內(nèi)，碼片共走動(dòng)距離S為

3)得到單個(gè)碼片代表的距離C_code

整個(gè)碼片周期代表的距離為C，并且一個(gè)碼周期共有碼片數(shù)為N，故一個(gè)碼片代表的距離C_code為

(2)得到實(shí)際測(cè)量的距離

根據(jù)偽碼相關(guān)運(yùn)算的原理，得到碼相位值，即輸入偽碼和本地偽碼的相位差。由于偽碼在發(fā)射端，是與本地偽碼完全相同的，即兩個(gè)碼片相位完全對(duì)準(zhǔn)的，自相關(guān)的峰值應(yīng)該出現(xiàn)在1的位置。但是現(xiàn)在接收到偽碼后，與本地偽碼自相關(guān)，得到的自相關(guān)峰值不在1的位置，而是發(fā)生了一定的偏移，這個(gè)偏移就是因?yàn)閭鬏斁嚯x引起的。假設(shè)偏移后的碼相位為n，則通過(guò)兩組偽碼相位差得到的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離s_get為

C_code為前面所計(jì)算的每個(gè)碼片代表的距離。

綜上所述，偽碼定位技術(shù)關(guān)鍵為求得碼片自相關(guān)后的碼相位值。

油田火災(zāi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu):該系統(tǒng)目的為實(shí)現(xiàn)油田中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 定位結(jié)構(gòu)

當(dāng)油田內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)D滿足火災(zāi)報(bào)警條件，發(fā)送偽碼信息至匯聚節(jié)點(diǎn)A、B和C。匯聚節(jié)點(diǎn)A、B和C轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信號(hào)到觀測(cè)中心。觀測(cè)中心接收到匯聚節(jié)點(diǎn)A、B、C信息后，根據(jù)偽碼性質(zhì)，換算得到該發(fā)射偽碼的傳感器節(jié)點(diǎn)D距離三個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)A、B和C的距離。由于匯聚節(jié)點(diǎn)位置已知，根據(jù)三邊定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)D的定位。從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位［8］。

3 油田定位系統(tǒng)仿真分析

3.1 油田定位系統(tǒng)仿真流程

本節(jié)主要說(shuō)明相關(guān)運(yùn)算的過(guò)程。

自相關(guān)公式為

這里把相關(guān)過(guò)程在頻域中運(yùn)算，時(shí)域中的自相關(guān)等于頻域中的共軛相乘。在頻域中計(jì)算要比在時(shí)域中計(jì)算節(jié)省時(shí)間，而火災(zāi)檢測(cè)時(shí)間是一個(gè)重要指標(biāo)，所以這里選擇在頻域中計(jì)算。

運(yùn)算過(guò)程如圖6所示。

圖6 油田定位系統(tǒng)原理框架

具體操作流程為:

(1)FFT處理。時(shí)域相關(guān)相當(dāng)于頻率相乘，相乘的兩個(gè)變量即為輸入信號(hào)的頻譜和本地偽碼頻譜。

(2)共軛復(fù)乘。把輸入信號(hào)的FFT和本地偽碼FFT共軛相乘后，得到二者相關(guān)值的頻譜。

(3)IFFT。對(duì)復(fù)乘的結(jié)構(gòu)，即對(duì)二者相關(guān)值頻譜的結(jié)果，做IFFT處理，得到二者時(shí)域中的值。

(4)模方。由于IFFT的結(jié)果既有實(shí)部也有虛部。如果單獨(dú)用實(shí)部或者單獨(dú)用虛部都不會(huì)達(dá)到需要得到的自相關(guān)值，因?yàn)樵跁r(shí)域中看來(lái)，相關(guān)值都是實(shí)數(shù)，而沒(méi)有虛部的存在。所以這里，需要把得到的IFFT的值通過(guò)模方的處理，得到實(shí)數(shù)。這里得到的實(shí)數(shù)即為相關(guān)的結(jié)果，可以通過(guò)得到的相關(guān)結(jié)果的值，做相應(yīng)的處理，得到需要得到的測(cè)量距離的功能［9-10］。

3.2 油田定位系統(tǒng)仿真結(jié)果

當(dāng)輸入為全信號(hào)時(shí)，即沒(méi)有噪聲存在時(shí)，得到的自相關(guān)值如圖7所示。

圖7 偽碼相位值

由于輸入信號(hào)的偽碼和本地生成偽碼是完全相同的，所以相關(guān)結(jié)果的峰值應(yīng)該在第一點(diǎn)處。隨著輸入信號(hào)和本地產(chǎn)生偽碼的碼相位不同，這里的峰值跟隨著改變，所以可以根據(jù)峰值具體對(duì)應(yīng)的相位值，得到輸入偽碼和本地偽碼相位差，從而根據(jù)相位差值得到需要測(cè)量的距離值。但是，沒(méi)有噪聲干擾是不可能存在的，下面我們討論油田噪聲干擾的范圍。

當(dāng)外界有干擾時(shí)，自相關(guān)結(jié)果中，相應(yīng)的峰值以外的值會(huì)上升，而信號(hào)的峰值也會(huì)改變，這里仿真了SNR=-5dB時(shí)的相關(guān)波形，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 偽碼相位值

如果再降低SNR，得到當(dāng)SNR為-10dB時(shí)，得到的結(jié)果如圖9所示。

圖9 偽碼相位值

噪聲的干擾已經(jīng)很大，如果再降低SNR，仿真了SNR不同得到的波形。標(biāo)記最大值點(diǎn)后，如圖10所示。

由圖形可看出，當(dāng)SNR為-20dB時(shí)，具體的自相關(guān)鑒別方法失去意義，因?yàn)樵肼曔^(guò)大，使得噪聲的值超過(guò)信號(hào)的峰值，信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中。所以得到，偽碼雖然可以有效的抑制噪聲的影響，提高頻率工作靈敏度，使其能夠在很低SNR情況下工作，但是并不是可以無(wú)限降低SNR，當(dāng)SNR為-20dB左右時(shí)，偽碼自相關(guān)方法得到的峰值已經(jīng)淹沒(méi)在噪聲之中，無(wú)法正確得到信號(hào)值。所以，該算法要保證SNR在-15dB以上，而油田中的噪聲范圍恰好在-15dB以上，因此，該算法適合在此范圍內(nèi)應(yīng)用。

圖10 偽碼相位值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)已有火災(zāi)定位算法缺點(diǎn)，提出新的定位技術(shù)，把偽碼技術(shù)成功的應(yīng)用到油田火災(zāi)定位系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)定位范圍內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的功能分配，給出具體應(yīng)用偽碼定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田火災(zāi)定位的總體規(guī)劃。通過(guò)本論文對(duì)偽碼定位技術(shù)的理論分析和具體仿真驗(yàn)證，不但彌補(bǔ)了已有定位算法的缺點(diǎn)，而且總結(jié)了本算法的優(yōu)點(diǎn)，提高了該算法的適應(yīng)能力。使得偽碼定位技術(shù)，不但適合于油田火災(zāi)定位，還可以適用于森林或者溫室等多個(gè)領(lǐng)域，為定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域提供了有利的支撐，具有很好的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。

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