基于泄漏同轴电缆入侵探测定位系统的新颖定位方法

何川侠，路宏敏，官 乔

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

0 引 言

基于泄漏同轴电缆的入侵探测定位系统是一种使用泄漏同轴电缆作为传感器的入侵者定位系统，该探测定位系统有着安全隐蔽、随形安装、覆盖区域广、全天候工作及没有盲区等优点[1-3]，广泛应用于机场，军事基地，厂房等重要场合[4-6]。基于泄漏同轴电缆的入侵探测定位系统，一般定位精度不超过1m[7-8]，并且存在入侵相位误差的问题，不同的入侵位置会产生不同的入侵相位，而入侵相位会对相应入侵位置处接收到的回波信号产生很大的影响[9]；对于在某些特定的入侵位置，因为相位误差的存在甚至导致接收到的回波信号的幅度值为零，使系统存在定位盲区。由于接收到的回波信号因入侵相位而导致的幅度不稳定，将直接产生漏报和误报的情况，导致无法正确检测到入侵者的入侵位置。

本文对基于泄漏同轴电缆的入侵探测定位系统进行理论建模分析和实地实验测试，通过实验测试结果，对IQ正交解调新颖定位方法与传统的定位方法的区别和优劣进行了分析比较。为基于泄漏同轴电缆的入侵探测定位系统的入侵判定方法提供了依据和有效途径。

1 入侵相位误差理论分析

因为探测定位系统采用结构特殊的泄漏同轴电缆作为检测装置，所以直接接收到的回波信号是完全看不出入侵者的入侵位置信息，为了从回波信号中获取到入侵位置信息，需要对接收到的回波信号进行滤波同步相减、相干解调、抽样判决和自相关运算等一系列处理，方可观察到入侵者的位置信息[10]。入侵者的位置信息是相比发射信号的时间延迟，这个时延对应着入侵者使探测定位系统产生扰动的位置，从而根据这个时间延迟便可以确定入侵者的入侵位置，从而达到定位的目的。

由于带载波的脉冲信号不便于计算机数字化处理，必须对原始的信号进行解调处理，将接收到的回波信号解调为零中频的基带信号，通过检测基带信号的幅值来确定入侵者的位置。假设在泄漏同轴电缆中传播的电磁波为TEM波，沿+z方向传播，电场强度只有r方向的坐标分量Er(z)，所以正弦均匀平面电磁波的复场量可以表示为：

E=arEr=arE0e-jkz

(1)

其中E0=E0me-jφ0和z=0的复振幅。式(1)所对应的瞬时值表达式为：

E(z,t)=Re[arE0e-jkz·e-jω]=

axE0mcos(ωt-kz+φ0)

(2)

其中k=2π/λ。

当频率较高时，λ值比较小，kz=2πz/λ的大小将不能被忽略。不同的入侵位置z值会有一个对应的kz=2πz/λ，φ0-kz的数值大小直接影响信号的初始相位，即不同的z值产生一个不同的初始相位。对于带载频的脉冲信号而言，这个相位只会影响信号的起始值，但是对于接收到的回波信号经过解调处理后，这个初始相位将直接影响解调后的基带信号的幅度。

为了充分说明相位对基带信号的影响作用，采用两路正交的信号进行解调处理。假设I路的本振信号选取SI(t)=Acos(ωt+φ)，Q路的本振信号选取SQ(t)=Asin(ωt+φ)，根据混频器的工作原理可以推导得知，混频器的输出信号S(t)为：其中可以根据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)

即接收到的回波信号SI(t)和SQ(t)的幅度为零，对于一个特定的系统，φ0和φ都是固定已知的，那么将会存在一些盲区，使整个系统的漏报率上升，根据上面的理论也可以推导出这些盲区的位置为：

(10)

(11)

其中，(n=0，±1，±2，±3…)。

对于接收到的回波信号而言，分别采用两路正交的本振信号去解调时，会得到一个不同的入侵相位，同时也对应着不同的盲区z。从推导的结果可以发现，SI(t)和SQ(t)两路信号并不会同时产生盲区。利用系统的这个特点，设计定位算法，两路信号同时解调，解调后的结果看成一个二维矢量，求二维矢量的模值，消除单路信号存在盲区和单路信号接收到的回波信号幅度不稳定的影响。矢量回波模值计算表达式为

(12)

可以发现解调后信号的幅值与入侵相位无关，幅值等于一个固定的值M，使得整个入侵探测定位系统具有稳定的接收回波信号幅度。同时，采用基于IQ正交解调的定位方法也可以解决入侵相位误差的问题，进而使得整个目标检测区域实现了无盲区覆盖，避免了入侵者在定位盲区无法识别的情况。

2 实验结果分析

委托项目合作单位生产了两根100 m长的接收缆和发射缆，在泄漏同轴电缆的外导体上开槽型为八字槽的周期性槽缝，相邻槽缝的间距为0.5 m，槽缝周期为1 m，接收缆与发射缆的间距为1 m[11]。在发射缆的输入端馈入100 MHz脉冲宽度为60 ns的单频脉冲信号，接收缆的输出端连接示波器用于存储回波数据；接收缆和发射缆的另一端都接上匹配负载，以减少信号在漏缆中的反射。入侵探测定位系统实现的结构框图如图1所示。

图1 基于漏缆的入侵探测定位系统结构框图

整个系统使用了两条泄漏同轴电缆。一条用于发射信号，通常称之为发射缆；另一条用于接收信号，通常称之为接收缆。两条漏缆中间和附近的区域是系统的目标监测区域。电磁波信号在发射缆中传播时，通过外导体上的槽缝向外耦合[12]。电磁波信号通过发射缆外导体上的槽缝耦合进接收缆，并送入接收机模块，多余的能量被漏缆末端的匹配负载吸收。当入侵者进入监测区域，两条漏缆建立的电磁场产生了扰动，主机接收到的回波信号出现变化，通过提取回波信号的变化，就可以确定入侵者的位置。

2.1 入侵相位误差验证

实验中采用型号为TektronixMDO3102的示波器以5GHz/s的采样率对系统接收到的回波信号进行存储。对接收到的系统回波数据进行滤波和对消处理得到扰动信号，利用MATLAB对该扰动信号进行位置信息分析提取。为了验证入侵相位对系统回波信号的影响，分别采用相位相差90°的两路信号对回波信号进行解调，解调出来的结果如图2所示。

图2 数据处理结果

从10 m，30 m，50 m，70 m，90 m的五个不同入侵位置的数据处理的结果中可以发现，无论是采用I路信号还是Q路信号进行回波信号的解调处理，都可以发现某些入侵位置解调出来的结果并不能很好的反映入侵位置信息。如图2(a)中数据处理结果所示，当入侵者分别在30 m，50 m和70 m入侵时，采用I路信号作为本振信号进行解调时并不能获取到入侵位置信息；同样地，如图2(b)中数据处理结果所示，当入侵者分别在10 m和90 m入侵时，采用Q路信号作为本振信号进行解调时同样无法获取到入侵位置信息。对于入侵者在10 m处入侵，采用Q路信号作为本振信号进行解调时，无法看出入侵者的位置信息，然而采用I路信号作为本振信号进行解调时，可以明显看到入侵者的位置信息；同样地，入侵者在70米处入侵，采用I路信号作为本振信号进行数据解调时无法看出入侵者的位置信息，然而采用Q路信号作为本振信号进行数据解调时可以明显看出入侵位置信息，这就正好证明了入侵相位会直接影响解调出来的回波信号的幅度。如果正好存在一个相位满足回波信号的幅度值为零或者低于系统设定的报警阈值，那么此时入侵定位探测定位系统将产生漏报。因为在系统上电的一瞬间，发射信号的初始相位是不确定的，相位的不确定会导致盲区位置的不确定，这将大大降低入侵定位探测定位系统位置检测的准确率。通过观察实验数据处理结果，也可以直接发现处理得到的回波信号的幅度不稳定，不利于定位系统对入侵位置的判断。

同时，利用IQ正交解调新颖定位方法也可以确定任何一个入侵位置的相位值，根据Q路信号和I路信号解调结果的比值，求取到入侵位置处的入侵相位。以图2为例，可以计算出入侵者在10 m处的入侵相位约为0°，其他入侵位置的入侵相位，可以类似求解得到。

2.2 IQ正交解调定位方法

由于入侵相位的存在，入侵者的入侵位置不同将使得解调出的脉冲信号的幅度值的大小呈现出正弦或者余弦规律的变化，造成系统的漏报率上升。本文提出的IQ正交解调新颖定位方法，既保证了接收信号解调后的脉冲信号幅度的稳定，又消除了入侵相位误差。IQ正交解调新颖定位方法主要是采用正弦信号和余弦信号两路正交信号进行回波信号的解调分析，利用两路基带信号构成矢量回波，取矢量回波的矢量模值作为入侵位置信息，根据矢量模值来判断入侵者的入侵位置。图3是不同的入侵位置的数据处理结果。

图3 IQ正交解调结果

IQ正交解调后的数据处理结果，如图3中“IQ”曲线所示。可以看出无论入侵位置发生在何处，解调后的回波信号所携带的入侵位置信息均十分明显，不存在漏报的情况。入侵位置与不同时间延迟的回波峰值的关系，如表1所示。

表1 时间延迟与入侵位置对应表

从表1中我们可以发现，每一个入侵位置都对应于一个不同时间延迟的回波峰值，据此，通过回波峰值的时间延迟来判断入侵位置成为一种定位思路。为了客观描述出入侵位置和回波峰值对应时间的函数关系，通过将表1中的数据绘制图像，可更加直观地反映入侵位置和回波峰值对应时间的数学关系，利用该数学关系可以实现更加精确的定位。根据表1中的数据可以做出回波峰值对应的时间time(ns)与入侵位置P(m)的直线图，如图3所示。

图4 入侵位置与峰值的线性关系图

通过图4的图像可以看出入侵位置与回波信号的脉冲峰值时间位置具有良好的线性关系，根据最小二乘法可以拟合这五个点的直线方程为：

P=1.324 5×t-14.020 5

(13)

从10 m，30 m，50 m，70 m，90 m这五个不同入侵位置的数据处理的结果中读出回波峰值对应的时间，将这个时间带回直线方程式(13)，计算得到计算入侵位置，如表2所示。

表2 入侵位置与峰值时间

定位精度ΔS表示计算入侵位置与真实入侵位置之间的差值，定位精度ΔS基本在±0.1m附近波动，随着统计数据的增多，定位精度ΔS还将进一步缩小，基于漏缆的入侵探测定位系统的定位精度还会进一步提高。根据式(13)有，监测区域的任意入侵位置将会产生一个回波峰值，这个回波峰值都会对应一个时间延迟，将这个时间延迟带回式(13)，都能计算得到与之相对应的入侵位置。

因此,在入侵探测系统中只需选取少量几个的入侵位置和相应入侵位置对应的回波信号，便可以得到这几点的线性关系。当入侵者在整条漏缆上的其他任意位置入侵，入侵探测系统都可以得到入侵者的位置信息，并且具有较高的定位精度。

3 结 语

针对传统定位方法中存在入侵相位误差的问题，提出了IQ正交解调新颖定位方法，对于入侵相位误差产生的原因进行了分析，并且利用实验数据验证了新提出的IQ正交解调新颖定位方法的有效性和正确性。并得到了如下结论：

(1)改善泄漏同轴电缆的入侵探测定位系统的定位性能，同时提高定位精度至0.1 m；

(2)消除入侵相位误差对入侵探测定位系统的影响,避免了因存在盲区而无法识别入侵者位置的情况；

(3)在系统目标监测区域内的入侵者都能被准确定位，大大降低了系统的漏报率和误报率；

(4)通过IQ正交解调新颖定位方法使接收到的回波信号的幅度值相比传统的定位方法获得的回波信号幅度值稳定。

稳定的回波信号幅度值和相对较高的定位精度对提高定位探测定位系统性能具有重要意义，是下一步获取入侵者的速度、姿态等信息的前提。