用于室內(nèi)安防的耦合型泄漏電纜輻射特性研究

王文勇，袁明輝，韓 臣

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

泄漏同軸電纜（LCC）是同軸電纜的一種，其外導(dǎo)體上等間距開有泄漏槽孔［1］。電纜內(nèi)傳播的電磁波可由槽孔處泄漏出來。泄漏同軸電纜是一種將信號傳輸、發(fā)射及接收融為一體的低頻傳輸線，具有同軸電纜和小孔衍射的雙重功能［2-3］。本文提出把漏纜應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的室內(nèi)安防，以兩根平行鋪設(shè)的漏纜作為前端分布式傳感器，利用漏纜的耦合特性探測電磁場干擾信號，從而實(shí)現(xiàn)檢測入侵者的目的［4］。

市場上存在很多基于聲、光、電、壓力等物理原理的周界安防設(shè)備，這些系統(tǒng)有各自特點(diǎn)和適用范圍，但也都存在著明顯缺點(diǎn)，如受氣候環(huán)境影響較大、誤報(bào)漏報(bào)率高及缺乏精確定位能力等。與其他周界入侵系統(tǒng)相比，泄漏電纜技術(shù)具有誤報(bào)漏報(bào)率低、定位精確、安裝簡便，適合復(fù)雜地形安裝，可環(huán)繞任意形狀的境界區(qū)域，立體式防護(hù)區(qū)域覆蓋范圍界線明顯，可做到無死角防范，且報(bào)警門限可依據(jù)環(huán)境任意設(shè)置等特點(diǎn)，已成為最具發(fā)展前景的安防產(chǎn)品［5］。在泄漏電纜探測技術(shù)應(yīng)用于入侵探測早期，大多用于室外周界入侵檢測［6-8］，很少用于室內(nèi)安防檢測，因此將泄漏電纜應(yīng)用于室內(nèi)安防具有廣闊的發(fā)展前景。

1 相關(guān)研究

目前泄漏同軸電纜在安防領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在室外周界入侵探測，電子科技集團(tuán)50 所和54 所進(jìn)行過該方面研究，但在泄漏電纜的設(shè)計(jì)、調(diào)制方式、頻率優(yōu)選等方面與國外相比尚有明顯不足，大多數(shù)產(chǎn)品和技術(shù)還存在定位精度不高、實(shí)用性不強(qiáng)等缺點(diǎn)［9-11］。武漢多普電子有限公司研發(fā)的DP-300 埋地式泄漏電纜入侵探測器采用微機(jī)自診斷、自調(diào)節(jié)技術(shù)，再加上入侵特征分析等智能算法的應(yīng)用，使產(chǎn)品可適用于極端復(fù)雜的安裝地形，但該探測系統(tǒng)無定位功能［12］。

國內(nèi)學(xué)者針對定位算法也進(jìn)行了大量理論研究，如何川俠等［13］采用脈沖測距結(jié)合IQ 正交解調(diào)技術(shù)得到矢量回波的最大模值，利用模值確定回波信號的時間延遲，獲得入侵位置信息；朱妍靜等［14］提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測算法，可使泄漏電纜電磁入侵檢測系統(tǒng)具有更低的誤報(bào)率與漏報(bào)率，以及更高的定位精度；于慧潔等［15］設(shè)計(jì)的泄漏電纜入侵探測系統(tǒng)定位精度可達(dá)5m，具有全隱藏安裝、可準(zhǔn)確定位入侵位置及誤報(bào)漏報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)。由于900MHz 蜂窩狀移動通信及3G、4G 技術(shù)的需要，國內(nèi)泄漏同軸電纜研究如今更多地關(guān)注于移動通信領(lǐng)域。國外也有較多關(guān)于漏纜輻射特性和入侵檢測技術(shù)的相關(guān)論文發(fā)表，主要集中在如何設(shè)計(jì)超寬帶泄漏同軸電纜以擴(kuò)展單模傳輸頻帶方面［16-18］。

本文提出的通過埋墻的泄漏同軸電纜作為室內(nèi)分布式傳感器檢測有無人體入侵，與傳統(tǒng)應(yīng)用于周界入侵檢測的情形在很多方面有較大不同。周界入侵檢測防護(hù)區(qū)域一般較大，正常情況下行人離埋地的泄漏同軸電纜較遠(yuǎn)，不會觸發(fā)報(bào)警。將泄漏電纜應(yīng)用于室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)和智能家居安防，當(dāng)兩套房屋或住宅相鄰時，需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)泄漏同軸電纜的輻射模式，否則隔壁房間或住宅的人靠近公共埋墻的泄漏同軸電纜就會誤觸發(fā)警報(bào)，不能起到真正的防盜報(bào)警作用。通常采用低頻信號源（典型值為30MHz），且槽孔大小遠(yuǎn)小于信號波長，輻射微弱，電磁波有效作用距離只在漏纜附近1～2m 范圍內(nèi)，不會干擾室內(nèi)無線電的空間秩序。在周界入侵檢測的應(yīng)用中，一般都避免成直角地埋藏泄漏同軸電纜，而在進(jìn)行室內(nèi)安防時，墻角拐彎處的防護(hù)角度大于270°。因此，本文設(shè)計(jì)出兩種T、F 型槽孔的耦合型漏纜，外導(dǎo)體上的槽口交錯排列，從槽口泄漏出的電磁波相互作用，電磁能量以前半圓較大、后半圓較小的方式擴(kuò)散在電纜周圍，應(yīng)用于室內(nèi)安防時可滿足墻角拐彎處的防護(hù)要求，同時優(yōu)化漏纜的開槽結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳的安防效果。采用的漏纜在槽口形狀、大小和橫豎排列方式上不同，可適用于不同應(yīng)用場景［19］。

2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

泄漏同軸電纜結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，泄漏電纜為同軸設(shè)計(jì)，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)（泡沫聚乙烯）、開著周期性槽孔的外導(dǎo)體和熱塑性護(hù)套幾部分組成［20］，如圖1所示。內(nèi)外導(dǎo)體由氯化聚乙烯（PEC）管組成，絕緣介質(zhì)的相對電容率為1.39，介質(zhì)衰耗因數(shù)為0.000 5。槽孔的大小、形狀、周期和排列方式等會影響漏纜的輻射特性。其典型結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外導(dǎo)體外半徑c=0.462 5cm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑b=0.362 5cm，內(nèi)導(dǎo)體半徑a=0.083cm，縫長為0.8cm，縫寬為1.2cm，縫隙間距L=20cm，工作頻率為30MHz（波長10m）。

Fig.1 Parameters of coupled leaky cable圖1 耦合型漏纜參數(shù)

由于漏纜是周期性結(jié)構(gòu)，由若干個如圖2 所示的縫隙單元構(gòu)成。以E 型槽孔為例，每個單元中央位置都在外導(dǎo)體上開有一定結(jié)構(gòu)的縫隙。其中，漏纜周期為L，槽孔寬度為w，開槽角為δ。

Fig.2 Parameters of leaky unit圖2 漏纜縫隙單元參數(shù)

3 泄漏電纜輻射場模型

在同軸電纜的外導(dǎo)體上等間距開了一系列相同尺寸結(jié)構(gòu)的槽孔，由于槽孔間距L（典型值為20～30cm，也可根據(jù)應(yīng)用需求采用其他值）遠(yuǎn)小于傳輸?shù)碾姶挪úㄩL，因此漏纜產(chǎn)生的電磁輻射可近似看作小孔衍射。根據(jù)小孔衍射原理，通過小孔輻射出去的電磁能量隨著徑向距離的增加而快速減小，小孔輻射出去的電磁波在垂直方向上為0級衍射，信號最強(qiáng)。在兩邊對稱的角度上依次出現(xiàn)信號逐次遞減的第2、3 衍射級，類似于主瓣和旁瓣結(jié)構(gòu)，同一或相鄰泄漏電纜上相鄰槽的衍射波相互耦合，如圖3 所示。其中，θ0是徑向與法向量的夾角（θ0=0 時一致），θ是向量與法向量的夾角。

Fig.3 Radiation field model圖3 輻射場模型

兩根相鄰漏纜通過小孔衍射出來的電磁波在漏纜周圍耦合形成輻射場。點(diǎn)P 處的場強(qiáng)等于各鄰槽輻射場強(qiáng)的疊加其中為點(diǎn)P 從相鄰槽孔Qi輻射的場強(qiáng)（i=1…N）?？紤]到小孔衍射的有限輻射距離，本文只計(jì)算兩根漏纜上兩個相鄰槽孔之間的輻射。點(diǎn)P 從相鄰槽孔Qi輻射的場強(qiáng)傾斜因子

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)化兩個關(guān)鍵性能參數(shù)，一個是前后瓣抑制比，另一個是前瓣輻射角，前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ 如圖4 所示。為了獲得室內(nèi)安防中不同應(yīng)用場景所需的輻射場分布，外導(dǎo)體上設(shè)計(jì)出幾種不同結(jié)構(gòu)的槽孔（如水平和垂直放置的E-/H-/F-/T-/橢圓形）。

Fig.4 3dB divergence angle θ3dB and total radiation angle θ of anterior lobe圖4 前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ

4.1 雙根LCC 輻射特性

橫豎兩種開槽方向的E/H/F/T/橢圓型槽孔輻射特性方向圖如圖5 所示。由圖可以看出：①豎放E/F 型槽口的后瓣遠(yuǎn)小于前瓣，適用于對后瓣有嚴(yán)格要求的場景（如兩個相鄰房間的隔離墻或薄的外墻等）；②橫放的F/T 型前瓣發(fā)散角θ 較大（>270°），沒有后瓣，適用于探測角度大的場景（如柱形結(jié)構(gòu)的外角安防）；③各種開槽均能滿足前向探測角度為180°的要求，但是H 型/橢圓型槽口以及橫放的E/T 型槽口后瓣較大，不適用于對后瓣有嚴(yán)格要求的場景。

Fig.5 Radiation characteristics of E/H/F/T/elliptic slotted holes in both vertical and horizontal directions圖5 橫豎兩種開槽方向的E/H/F/T/橢圓型槽孔輻射特性方向圖

為驗(yàn)證以上仿真得到的場分布和輻射方向圖的正確性，可與文獻(xiàn)［21］中相同參數(shù)仿真得到的方向圖進(jìn)行對比。圖6 為本文采用仿真軟件HFSS 與文獻(xiàn)［21］中用FDTD分析法仿真得到漏纜不同槽孔間距的二維輻射方向圖對比。從圖中可以看出，兩者方向圖基本一致，因?yàn)榉抡孳浖﨟FSS 采用FEM 算法可能導(dǎo)致圖形并不是完全吻合，但圖形反映出的一致性充分說明使用仿真軟件HFSS 可避免繁瑣的理論計(jì)算，能快速、準(zhǔn)確地得出結(jié)論，從而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮指導(dǎo)作用。

Fig.6 Comparison of the direction diagrams of plane E and plane H between literature［21］and this paper圖6 本文與文獻(xiàn)［21］E 面及H 面方向圖對比

從橫豎兩種放置方向的E 型、H 型、F 型、T 型和橢圓型輻射方向圖可以看出：豎放E 型前后瓣抑制比最大，橫放F型輻射角最大，因此本文接下來將對這兩種開槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4.2 參數(shù)優(yōu)化分析

基于耦合型豎放E 型和橫放F 型的兩種幾何結(jié)構(gòu)槽孔漏纜模型，以前后瓣抑制比η 與前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。圖7 是開槽角δ 對輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)開槽角為125°時，前后瓣抑制比η 與前瓣3dB發(fā)散角θ3dB同時達(dá)到最大。

Fig.7 Effect of the slot angle δ on θ3dB、η and θ圖7 開槽角δ 對θ3dB、η 與θ 的影響

圖8 是槽孔間距L 對輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)L/λ=0.02 時，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ 同時達(dá)到最大。

Fig.8 Effect of slot spacing L on θ3dB、η and θ圖8 槽孔間距L 對θ3dB、η 與θ 的影響

圖9 是兩根耦合漏纜間距（即漏纜間距D 與漏纜開槽間隔L 的比值）對輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)D/L 的值為1.5 時，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ 同時達(dá)到最大。

圖10 是槽孔橫向位移x 與漏纜開槽間隔L 的比值對輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)x/L 的值為0.15 時，前后瓣抑制比η、全輻射角θ 同時達(dá)到最大。

Fig.9 Effect of distance between two leaky cables D on θ3dB、η and θ圖9 兩根漏纜間距D 對θ3dB、η 與θ 的影響

Fig.10 Influence of the ratio of lateral displacement x to slotting interval L on θ3dB、η and θ圖10 槽孔橫向位移x 與漏纜開槽間隔L 的比值對θ3dB、η 及θ 的影響

以本文中計(jì)算的漏纜為例，采用波長為10 m 的30MHz低頻探測信號，分析橫放E 型和豎放F 型開槽角δ、槽孔間距L、漏纜間距D 及槽孔橫向位移x 對輻射性能的影響，從而確定當(dāng)槽孔寬為8cm，長為12cm，槽孔間距L 為20cm，兩根漏纜間距D 為30cm，槽孔橫向位移x 為3cm 時，漏纜的輻射性能（即前后瓣抑制比η、前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB和全輻射角θ）達(dá)到最優(yōu)。

5 結(jié)語

本文利用仿真軟件HFSS 分析橫豎兩種放置方向的E型、H 型、F 型、T 型和橢圓型共5 種槽孔的輻射場分布，并分析槽孔參數(shù)（開槽角δ、槽孔間距L、相鄰漏纜間距D 和橫向位移x）對前后瓣抑制比及前瓣發(fā)散角的影響，得出E 型漏纜前后瓣抑制較小，可避免較薄墻體處走動引起的誤觸發(fā)；F 型漏纜全輻射角較大，可在墻角拐彎處形成全防護(hù)。本文研究結(jié)果對適用于不同室內(nèi)安防場景的泄漏電纜設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。計(jì)算結(jié)果表明，耦合型泄漏電纜可應(yīng)用于室內(nèi)安防入侵探測，由于室內(nèi)環(huán)境的約束，信號處理系統(tǒng)與泄漏電纜相隔只有幾米，泄漏出來的電磁波可能會對信號處理系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，接下來要深入研究泄漏電纜對信號處理系統(tǒng)的干擾，以及如何減小這種干擾。