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(kāi)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(lái)。泄漏同軸電纜是一種將信號(hào)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(cè)電磁場(chǎng)干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)入侵者的目的［4］。

市場(chǎng)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(jiǎn)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(wú)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(cè)技術(shù)應(yīng)用于入侵探測(cè)早期，大多用于室外周界入侵檢測(cè)［6-8］，很少用于室內(nèi)安防檢測(cè)，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(cè)，電子科技集團(tuán)50 所和54 所進(jìn)行過(guò)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(guó)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(cè)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(cè)系統(tǒng)無(wú)定位功能［12］。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)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(cè)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(hào)的時(shí)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(cè)算法，可使泄漏電纜電磁入侵檢測(cè)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(cè)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(dòng)通信及3G、4G 技術(shù)的需要，國(guó)內(nèi)泄漏同軸電纜研究如今更多地關(guān)注于移動(dòng)通信領(lǐng)域。國(guó)外也有較多關(guān)于漏纜輻射特性和入侵檢測(cè)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(guò)埋墻的泄漏同軸電纜作為室內(nèi)分布式傳感器檢測(cè)有無(wú)人體入侵，與傳統(tǒng)應(yīng)用于周界入侵檢測(cè)的情形在很多方面有較大不同。周界入侵檢測(cè)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(huì)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(shí)，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(huì)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(hào)源（典型值為30MHz），且槽孔大小遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，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(huì)干擾室內(nèi)無(wú)線電的空間秩序。在周界入侵檢測(cè)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(shí)，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(cuò)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(shí)可滿足墻角拐彎處的防護(hù)要求，同時(shí)優(yōu)化漏纜的開(kāi)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(chǎng)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(kāi)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(duì)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(huì)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(zhǎng)為0.8cm，縫寬為1.2cm，縫隙間距L=20cm，工作頻率為30MHz（波長(zhǎng)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(gè)如圖2 所示的縫隙單元構(gòu)成。以E 型槽孔為例，每個(gè)單元中央位置都在外導(dǎo)體上開(kāi)有一定結(jié)構(gòu)的縫隙。其中，漏纜周期為L(zhǎng)，槽孔寬度為w，開(kāi)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(chǎng)模型

在同軸電纜的外導(dǎo)體上等間距開(kāi)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(zhǎng)，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(guò)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(jí)衍射，信號(hào)最強(qiáng)。在兩邊對(duì)稱的角度上依次出現(xiàn)信號(hào)逐次遞減的第2、3 衍射級(jí)，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(shí)一致），θ是向量與法向量的夾角。

Fig.3 Radiation field model圖3 輻射場(chǎng)模型

兩根相鄰漏纜通過(guò)小孔衍射出來(lái)的電磁波在漏纜周圍耦合形成輻射場(chǎng)。點(diǎn)P 處的場(chǎng)強(qiáng)等于各鄰槽輻射場(chǎng)強(qiáng)的疊加其中為點(diǎn)P 從相鄰槽孔Qi輻射的場(chǎng)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(gè)相鄰槽孔之間的輻射。點(diǎn)P 從相鄰槽孔Qi輻射的場(chǎng)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(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，一個(gè)是前后瓣抑制比，另一個(gè)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(chǎng)景所需的輻射場(chǎng)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(kāi)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(duì)后瓣有嚴(yán)格要求的場(chǎng)景（如兩個(gè)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(méi)有后瓣，適用于探測(cè)角度大的場(chǎng)景（如柱形結(jié)構(gòu)的外角安防）；③各種開(kāi)槽均能滿足前向探測(cè)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(duì)后瓣有嚴(yán)格要求的場(chǎng)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(kāi)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(shuō)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(duì)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(lái)將對(duì)這兩種開(kāi)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(kāi)槽角δ 對(duì)輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)開(kāi)槽角為125°時(shí)，前后瓣抑制比η 與前瓣3dB發(fā)散角θ3dB同時(shí)達(dá)到最大。

Fig.7 Effect of the slot angle δ on θ3dB、η and θ圖7 開(kāi)槽角δ 對(duì)θ3dB、η 與θ 的影響

圖8 是槽孔間距L 對(duì)輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)L/λ=0.02 時(shí)，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ 同時(shí)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(duì)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(kāi)槽間隔L 的比值）對(duì)輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)D/L 的值為1.5 時(shí)，前后瓣抑制比η、前瓣3dB 發(fā)散角θ3dB與全輻射角θ 同時(shí)達(dá)到最大。

圖10 是槽孔橫向位移x 與漏纜開(kāi)槽間隔L 的比值對(duì)輻射性能的影響，可以看出，當(dāng)x/L 的值為0.15 時(shí)，前后瓣抑制比η、全輻射角θ 同時(shí)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(duì)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(kāi)槽間隔L 的比值對(duì)θ3dB、η 及θ 的影響

以本文中計(jì)算的漏纜為例，采用波長(zhǎng)為10 m 的30MHz低頻探測(cè)信號(hào)，分析橫放E 型和豎放F 型開(kāi)槽角δ、槽孔間距L、漏纜間距D 及槽孔橫向位移x 對(duì)輻射性能的影響，從而確定當(dāng)槽孔寬為8cm，長(zhǎng)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(shí)，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(yǔ)

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(chǎng)分布，并分析槽孔參數(shù)（開(kāi)槽角δ、槽孔間距L、相鄰漏纜間距D 和橫向位移x）對(duì)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(dòng)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(duì)適用于不同室內(nèi)安防場(chǎng)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(cè)，由于室內(nèi)環(huán)境的約束，信號(hào)處理系統(tǒng)與泄漏電纜相隔只有幾米，泄漏出來(lái)的電磁波可能會(huì)對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，接下來(lái)要深入研究泄漏電纜對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的干擾，以及如何減小這種干擾。