基于泄漏同軸電纜入侵探測定位系統(tǒng)的新穎定位方法

何川俠，路宏敏，官 喬

(西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071)

0 引 言

基于泄漏同軸電纜的入侵探測定位系統(tǒng)是一種使用泄漏同軸電纜作為傳感器的入侵者定位系統(tǒng)，該探測定位系統(tǒng)有著安全隱蔽、隨形安裝、覆蓋區(qū)域廣、全天候工作及沒有盲區(qū)等優(yōu)點[1-3]，廣泛應用于機場，軍事基地，廠房等重要場合[4-6]?；谛孤┩S電纜的入侵探測定位系統(tǒng)，一般定位精度不超過1m[7-8]，并且存在入侵相位誤差的問題，不同的入侵位置會產(chǎn)生不同的入侵相位，而入侵相位會對相應入侵位置處接收到的回波信號產(chǎn)生很大的影響[9]；對于在某些特定的入侵位置，因為相位誤差的存在甚至導致接收到的回波信號的幅度值為零，使系統(tǒng)存在定位盲區(qū)。由于接收到的回波信號因入侵相位而導致的幅度不穩(wěn)定，將直接產(chǎn)生漏報和誤報的情況，導致無法正確檢測到入侵者的入侵位置。

本文對基于泄漏同軸電纜的入侵探測定位系統(tǒng)進行理論建模分析和實地實驗測試，通過實驗測試結(jié)果，對IQ正交解調(diào)新穎定位方法與傳統(tǒng)的定位方法的區(qū)別和優(yōu)劣進行了分析比較。為基于泄漏同軸電纜的入侵探測定位系統(tǒng)的入侵判定方法提供了依據(jù)和有效途徑。

1 入侵相位誤差理論分析

因為探測定位系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)特殊的泄漏同軸電纜作為檢測裝置，所以直接接收到的回波信號是完全看不出入侵者的入侵位置信息，為了從回波信號中獲取到入侵位置信息，需要對接收到的回波信號進行濾波同步相減、相干解調(diào)、抽樣判決和自相關(guān)運算等一系列處理，方可觀察到入侵者的位置信息[10]。入侵者的位置信息是相比發(fā)射信號的時間延遲，這個時延對應著入侵者使探測定位系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的位置，從而根據(jù)這個時間延遲便可以確定入侵者的入侵位置，從而達到定位的目的。

由于帶載波的脈沖信號不便于計算機數(shù)字化處理，必須對原始的信號進行解調(diào)處理，將接收到的回波信號解調(diào)為零中頻的基帶信號，通過檢測基帶信號的幅值來確定入侵者的位置。假設在泄漏同軸電纜中傳播的電磁波為TEM波，沿+z方向傳播，電場強度只有r方向的坐標分量Er(z)，所以正弦均勻平面電磁波的復場量可以表示為：

E=arEr=arE0e-jkz

(1)

其中E0=E0me-jφ0和z=0的復振幅。式(1)所對應的瞬時值表達式為：

E(z,t)=Re[arE0e-jkz·e-jω]=

axE0mcos(ωt-kz+φ0)

(2)

其中k=2π/λ。

當頻率較高時，λ值比較小，kz=2πz/λ的大小將不能被忽略。不同的入侵位置z值會有一個對應的kz=2πz/λ，φ0-kz的數(shù)值大小直接影響信號的初始相位，即不同的z值產(chǎn)生一個不同的初始相位。對于帶載頻的脈沖信號而言，這個相位只會影響信號的起始值，但是對于接收到的回波信號經(jīng)過解調(diào)處理后，這個初始相位將直接影響解調(diào)后的基帶信號的幅度。

為了充分說明相位對基帶信號的影響作用，采用兩路正交的信號進行解調(diào)處理。假設I路的本振信號選取SI(t)=Acos(ωt+φ)，Q路的本振信號選取SQ(t)=Asin(ωt+φ)，根據(jù)混頻器的工作原理可以推導得知，混頻器的輸出信號S(t)為：其中可以根據(jù)SI(t)=E(z,t)·sI(t)和SQ(t)=E(z,t)·sQ(t)得到：

cos(2ωt-kz+φ0+φ))

(3)

sin(φ0-kz-φ))

(4)

(5)

SI(t)=Mcos(φ0-kz-φ)

(6)

同理，

SQ(t)=Msin(φ0-kz-φ)

(7)

cos(φ0-kz-φ)≡0

(8)

sin(φ0-kz-φ)≡0

(9)

即接收到的回波信號SI(t)和SQ(t)的幅度為零，對于一個特定的系統(tǒng)，φ0和φ都是固定已知的，那么將會存在一些盲區(qū)，使整個系統(tǒng)的漏報率上升，根據(jù)上面的理論也可以推導出這些盲區(qū)的位置為：

(10)

(11)

其中，(n=0，±1，±2，±3…)。

對于接收到的回波信號而言，分別采用兩路正交的本振信號去解調(diào)時，會得到一個不同的入侵相位，同時也對應著不同的盲區(qū)z。從推導的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，SI(t)和SQ(t)兩路信號并不會同時產(chǎn)生盲區(qū)。利用系統(tǒng)的這個特點，設計定位算法，兩路信號同時解調(diào)，解調(diào)后的結(jié)果看成一個二維矢量，求二維矢量的模值，消除單路信號存在盲區(qū)和單路信號接收到的回波信號幅度不穩(wěn)定的影響。矢量回波模值計算表達式為

(12)

可以發(fā)現(xiàn)解調(diào)后信號的幅值與入侵相位無關(guān)，幅值等于一個固定的值M，使得整個入侵探測定位系統(tǒng)具有穩(wěn)定的接收回波信號幅度。同時，采用基于IQ正交解調(diào)的定位方法也可以解決入侵相位誤差的問題，進而使得整個目標檢測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了無盲區(qū)覆蓋，避免了入侵者在定位盲區(qū)無法識別的情況。

2 實驗結(jié)果分析

委托項目合作單位生產(chǎn)了兩根100 m長的接收纜和發(fā)射纜，在泄漏同軸電纜的外導體上開槽型為八字槽的周期性槽縫，相鄰槽縫的間距為0.5 m，槽縫周期為1 m，接收纜與發(fā)射纜的間距為1 m[11]。在發(fā)射纜的輸入端饋入100 MHz脈沖寬度為60 ns的單頻脈沖信號，接收纜的輸出端連接示波器用于存儲回波數(shù)據(jù)；接收纜和發(fā)射纜的另一端都接上匹配負載，以減少信號在漏纜中的反射。入侵探測定位系統(tǒng)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于漏纜的入侵探測定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)使用了兩條泄漏同軸電纜。一條用于發(fā)射信號，通常稱之為發(fā)射纜；另一條用于接收信號，通常稱之為接收纜。兩條漏纜中間和附近的區(qū)域是系統(tǒng)的目標監(jiān)測區(qū)域。電磁波信號在發(fā)射纜中傳播時，通過外導體上的槽縫向外耦合[12]。電磁波信號通過發(fā)射纜外導體上的槽縫耦合進接收纜，并送入接收機模塊，多余的能量被漏纜末端的匹配負載吸收。當入侵者進入監(jiān)測區(qū)域，兩條漏纜建立的電磁場產(chǎn)生了擾動，主機接收到的回波信號出現(xiàn)變化，通過提取回波信號的變化，就可以確定入侵者的位置。

2.1 入侵相位誤差驗證

實驗中采用型號為TektronixMDO3102的示波器以5GHz/s的采樣率對系統(tǒng)接收到的回波信號進行存儲。對接收到的系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)進行濾波和對消處理得到擾動信號，利用MATLAB對該擾動信號進行位置信息分析提取。為了驗證入侵相位對系統(tǒng)回波信號的影響，分別采用相位相差90°的兩路信號對回波信號進行解調(diào)，解調(diào)出來的結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從10 m，30 m，50 m，70 m，90 m的五個不同入侵位置的數(shù)據(jù)處理的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，無論是采用I路信號還是Q路信號進行回波信號的解調(diào)處理，都可以發(fā)現(xiàn)某些入侵位置解調(diào)出來的結(jié)果并不能很好的反映入侵位置信息。如圖2(a)中數(shù)據(jù)處理結(jié)果所示，當入侵者分別在30 m，50 m和70 m入侵時，采用I路信號作為本振信號進行解調(diào)時并不能獲取到入侵位置信息；同樣地，如圖2(b)中數(shù)據(jù)處理結(jié)果所示，當入侵者分別在10 m和90 m入侵時，采用Q路信號作為本振信號進行解調(diào)時同樣無法獲取到入侵位置信息。對于入侵者在10 m處入侵，采用Q路信號作為本振信號進行解調(diào)時，無法看出入侵者的位置信息，然而采用I路信號作為本振信號進行解調(diào)時，可以明顯看到入侵者的位置信息；同樣地，入侵者在70米處入侵，采用I路信號作為本振信號進行數(shù)據(jù)解調(diào)時無法看出入侵者的位置信息，然而采用Q路信號作為本振信號進行數(shù)據(jù)解調(diào)時可以明顯看出入侵位置信息，這就正好證明了入侵相位會直接影響解調(diào)出來的回波信號的幅度。如果正好存在一個相位滿足回波信號的幅度值為零或者低于系統(tǒng)設定的報警閾值，那么此時入侵定位探測定位系統(tǒng)將產(chǎn)生漏報。因為在系統(tǒng)上電的一瞬間，發(fā)射信號的初始相位是不確定的，相位的不確定會導致盲區(qū)位置的不確定，這將大大降低入侵定位探測定位系統(tǒng)位置檢測的準確率。通過觀察實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，也可以直接發(fā)現(xiàn)處理得到的回波信號的幅度不穩(wěn)定，不利于定位系統(tǒng)對入侵位置的判斷。

同時，利用IQ正交解調(diào)新穎定位方法也可以確定任何一個入侵位置的相位值，根據(jù)Q路信號和I路信號解調(diào)結(jié)果的比值，求取到入侵位置處的入侵相位。以圖2為例，可以計算出入侵者在10 m處的入侵相位約為0°，其他入侵位置的入侵相位，可以類似求解得到。

2.2 IQ正交解調(diào)定位方法

由于入侵相位的存在，入侵者的入侵位置不同將使得解調(diào)出的脈沖信號的幅度值的大小呈現(xiàn)出正弦或者余弦規(guī)律的變化，造成系統(tǒng)的漏報率上升。本文提出的IQ正交解調(diào)新穎定位方法，既保證了接收信號解調(diào)后的脈沖信號幅度的穩(wěn)定，又消除了入侵相位誤差。IQ正交解調(diào)新穎定位方法主要是采用正弦信號和余弦信號兩路正交信號進行回波信號的解調(diào)分析，利用兩路基帶信號構(gòu)成矢量回波，取矢量回波的矢量模值作為入侵位置信息，根據(jù)矢量模值來判斷入侵者的入侵位置。圖3是不同的入侵位置的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖3 IQ正交解調(diào)結(jié)果

IQ正交解調(diào)后的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，如圖3中“IQ”曲線所示。可以看出無論入侵位置發(fā)生在何處，解調(diào)后的回波信號所攜帶的入侵位置信息均十分明顯，不存在漏報的情況。入侵位置與不同時間延遲的回波峰值的關(guān)系，如表1所示。

表1 時間延遲與入侵位置對應表

從表1中我們可以發(fā)現(xiàn)，每一個入侵位置都對應于一個不同時間延遲的回波峰值，據(jù)此，通過回波峰值的時間延遲來判斷入侵位置成為一種定位思路。為了客觀描述出入侵位置和回波峰值對應時間的函數(shù)關(guān)系，通過將表1中的數(shù)據(jù)繪制圖像，可更加直觀地反映入侵位置和回波峰值對應時間的數(shù)學關(guān)系，利用該數(shù)學關(guān)系可以實現(xiàn)更加精確的定位。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以做出回波峰值對應的時間time(ns)與入侵位置P(m)的直線圖，如圖3所示。

圖4 入侵位置與峰值的線性關(guān)系圖

通過圖4的圖像可以看出入侵位置與回波信號的脈沖峰值時間位置具有良好的線性關(guān)系，根據(jù)最小二乘法可以擬合這五個點的直線方程為：

P=1.324 5×t-14.020 5

(13)

從10 m，30 m，50 m，70 m，90 m這五個不同入侵位置的數(shù)據(jù)處理的結(jié)果中讀出回波峰值對應的時間，將這個時間帶回直線方程式(13)，計算得到計算入侵位置，如表2所示。

表2 入侵位置與峰值時間

定位精度ΔS表示計算入侵位置與真實入侵位置之間的差值，定位精度ΔS基本在±0.1m附近波動，隨著統(tǒng)計數(shù)據(jù)的增多，定位精度ΔS還將進一步縮小，基于漏纜的入侵探測定位系統(tǒng)的定位精度還會進一步提高。根據(jù)式(13)有，監(jiān)測區(qū)域的任意入侵位置將會產(chǎn)生一個回波峰值，這個回波峰值都會對應一個時間延遲，將這個時間延遲帶回式(13)，都能計算得到與之相對應的入侵位置。

因此,在入侵探測系統(tǒng)中只需選取少量幾個的入侵位置和相應入侵位置對應的回波信號，便可以得到這幾點的線性關(guān)系。當入侵者在整條漏纜上的其他任意位置入侵，入侵探測系統(tǒng)都可以得到入侵者的位置信息，并且具有較高的定位精度。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)定位方法中存在入侵相位誤差的問題，提出了IQ正交解調(diào)新穎定位方法，對于入侵相位誤差產(chǎn)生的原因進行了分析，并且利用實驗數(shù)據(jù)驗證了新提出的IQ正交解調(diào)新穎定位方法的有效性和正確性。并得到了如下結(jié)論：

(1)改善泄漏同軸電纜的入侵探測定位系統(tǒng)的定位性能，同時提高定位精度至0.1 m；

(2)消除入侵相位誤差對入侵探測定位系統(tǒng)的影響,避免了因存在盲區(qū)而無法識別入侵者位置的情況；

(3)在系統(tǒng)目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的入侵者都能被準確定位，大大降低了系統(tǒng)的漏報率和誤報率；

(4)通過IQ正交解調(diào)新穎定位方法使接收到的回波信號的幅度值相比傳統(tǒng)的定位方法獲得的回波信號幅度值穩(wěn)定。

穩(wěn)定的回波信號幅度值和相對較高的定位精度對提高定位探測定位系統(tǒng)性能具有重要意義，是下一步獲取入侵者的速度、姿態(tài)等信息的前提。