何川俠，路宏敏，官 喬

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引 言

基于泄漏同軸電纜的入侵探測(cè)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(cè)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(méi)有盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)，軍事基地，廠房等重要場(chǎng)合[4-6]?；谛孤┩S電纜的入侵探測(cè)定位系統(tǒng)，一般定位精度不超過(guò)1m[7-8]，并且存在入侵相位誤差的問(wèn)題，不同的入侵位置會(huì)產(chǎn)生不同的入侵相位，而入侵相位會(huì)對(duì)相應(yīng)入侵位置處接收到的回波信號(hào)產(chǎn)生很大的影響[9]；對(duì)于在某些特定的入侵位置，因?yàn)橄辔徽`差的存在甚至導(dǎo)致接收到的回波信號(hào)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(hào)因入侵相位而導(dǎo)致的幅度不穩(wěn)定，將直接產(chǎn)生漏報(bào)和誤報(bào)的情況，導(dǎo)致無(wú)法正確檢測(cè)到入侵者的入侵位置。

本文對(duì)基于泄漏同軸電纜的入侵探測(cè)定位系統(tǒng)進(jìn)行理論建模分析和實(shí)地實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)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(jìn)行了分析比較。為基于泄漏同軸電纜的入侵探測(cè)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?yàn)樘綔y(cè)定位系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)特殊的泄漏同軸電纜作為檢測(cè)裝置，所以直接接收到的回波信號(hào)是完全看不出入侵者的入侵位置信息，為了從回波信號(hào)中獲取到入侵位置信息，需要對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行濾波同步相減、相干解調(diào)、抽樣判決和自相關(guān)運(yùn)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(hào)的時(shí)間延遲，這個(gè)時(shí)延對(duì)應(yīng)著入侵者使探測(cè)定位系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的位置，從而根據(jù)這個(gè)時(shí)間延遲便可以確定入侵者的入侵位置，從而達(dá)到定位的目的。

由于帶載波的脈沖信號(hào)不便于計(jì)算機(jī)數(shù)字化處理，必須對(duì)原始的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，將接收到的回波信號(hào)解調(diào)為零中頻的基帶信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)基帶信號(hào)的幅值來(lái)確定入侵者的位置。假設(shè)在泄漏同軸電纜中傳播的電磁波為T(mén)EM波，沿+z方向傳播，電場(chǎng)強(qiáng)度只有r方向的坐標(biāo)分量Er(z)，所以正弦均勻平面電磁波的復(fù)場(chǎng)量可以表示為：

E=arEr=arE0e-jkz

(1)

其中E0=E0me-jφ0和z=0的復(fù)振幅。式(1)所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)值表達(dá)式為：

E(z,t)=Re[arE0e-jkz·e-jω]=

axE0mcos(ωt-kz+φ0)

(2)

其中k=2π/λ。

當(dāng)頻率較高時(shí)，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(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的kz=2πz/λ，φ0-kz的數(shù)值大小直接影響信號(hào)的初始相位，即不同的z值產(chǎn)生一個(gè)不同的初始相位。對(duì)于帶載頻的脈沖信號(hào)而言，這個(gè)相位只會(huì)影響信號(hào)的起始值，但是對(duì)于接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)處理后，這個(gè)初始相位將直接影響解調(diào)后的基帶信號(hào)的幅度。

為了充分說(shuō)明相位對(duì)基帶信號(hào)的影響作用，采用兩路正交的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。假設(shè)I路的本振信號(hào)選取SI(t)=Acos(ωt+φ)，Q路的本振信號(hào)選取SQ(t)=Asin(ωt+φ)，根據(jù)混頻器的工作原理可以推導(dǎo)得知，混頻器的輸出信號(hào)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(hào)SI(t)和SQ(t)的幅度為零，對(duì)于一個(gè)特定的系統(tǒng)，φ0和φ都是固定已知的，那么將會(huì)存在一些盲區(qū)，使整個(gè)系統(tǒng)的漏報(bào)率上升，根據(jù)上面的理論也可以推導(dǎo)出這些盲區(qū)的位置為：

(10)

(11)

其中，(n=0，±1，±2，±3…)。

對(duì)于接收到的回波信號(hào)而言，分別采用兩路正交的本振信號(hào)去解調(diào)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)不同的入侵相位，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著不同的盲區(qū)z。從推導(dǎo)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，SI(t)和SQ(t)兩路信號(hào)并不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生盲區(qū)。利用系統(tǒng)的這個(gè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)定位算法，兩路信號(hào)同時(shí)解調(diào)，解調(diào)后的結(jié)果看成一個(gè)二維矢量，求二維矢量的模值，消除單路信號(hào)存在盲區(qū)和單路信號(hào)接收到的回波信號(hào)幅度不穩(wěn)定的影響。矢量回波模值計(jì)算表達(dá)式為

(12)

可以發(fā)現(xiàn)解調(diào)后信號(hào)的幅值與入侵相位無(wú)關(guān)，幅值等于一個(gè)固定的值M，使得整個(gè)入侵探測(cè)定位系統(tǒng)具有穩(wěn)定的接收回波信號(hào)幅度。同時(shí)，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(wèn)題，進(jìn)而使得整個(gè)目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了無(wú)盲區(qū)覆蓋，避免了入侵者在定位盲區(qū)無(wú)法識(shí)別的情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

委托項(xiàng)目合作單位生產(chǎn)了兩根100 m長(zhǎng)的接收纜和發(fā)射纜，在泄漏同軸電纜的外導(dǎo)體上開(kāi)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(hào)，接收纜的輸出端連接示波器用于存儲(chǔ)回波數(shù)據(jù)；接收纜和發(fā)射纜的另一端都接上匹配負(fù)載，以減少信號(hào)在漏纜中的反射。入侵探測(cè)定位系統(tǒng)實(shí)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(cè)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)使用了兩條泄漏同軸電纜。一條用于發(fā)射信號(hào)，通常稱(chēng)之為發(fā)射纜；另一條用于接收信號(hào)，通常稱(chēng)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(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域。電磁波信號(hào)在發(fā)射纜中傳播時(shí)，通過(guò)外導(dǎo)體上的槽縫向外耦合[12]。電磁波信號(hào)通過(guò)發(fā)射纜外導(dǎo)體上的槽縫耦合進(jìn)接收纜，并送入接收機(jī)模塊，多余的能量被漏纜末端的匹配負(fù)載吸收。當(dāng)入侵者進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域，兩條漏纜建立的電磁場(chǎng)產(chǎn)生了擾動(dòng)，主機(jī)接收到的回波信號(hào)出現(xiàn)變化，通過(guò)提取回波信號(hào)的變化，就可以確定入侵者的位置。

2.1 入侵相位誤差驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中采用型號(hào)為T(mén)ektronixMDO3102的示波器以5GHz/s的采樣率對(duì)系統(tǒng)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)接收到的系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和對(duì)消處理得到擾動(dòng)信號(hào)，利用MATLAB對(duì)該擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行位置信息分析提取。為了驗(yàn)證入侵相位對(duì)系統(tǒng)回波信號(hào)的影響，分別采用相位相差90°的兩路信號(hào)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)出來(lái)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(gè)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(wú)論是采用I路信號(hào)還是Q路信號(hào)進(jìn)行回波信號(hào)的解調(diào)處理，都可以發(fā)現(xiàn)某些入侵位置解調(diào)出來(lái)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(dāng)入侵者分別在30 m，50 m和70 m入侵時(shí)，采用I路信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)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(dāng)入侵者分別在10 m和90 m入侵時(shí)，采用Q路信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)同樣無(wú)法獲取到入侵位置信息。對(duì)于入侵者在10 m處入侵，采用Q路信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，無(wú)法看出入侵者的位置信息，然而采用I路信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，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(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)無(wú)法看出入侵者的位置信息，然而采用Q路信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)可以明顯看出入侵位置信息，這就正好證明了入侵相位會(huì)直接影響解調(diào)出來(lái)的回波信號(hào)的幅度。如果正好存在一個(gè)相位滿(mǎn)足回波信號(hào)的幅度值為零或者低于系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警閾值，那么此時(shí)入侵定位探測(cè)定位系統(tǒng)將產(chǎn)生漏報(bào)。因?yàn)樵谙到y(tǒng)上電的一瞬間，發(fā)射信號(hào)的初始相位是不確定的，相位的不確定會(huì)導(dǎo)致盲區(qū)位置的不確定，這將大大降低入侵定位探測(cè)定位系統(tǒng)位置檢測(cè)的準(zhǔn)確率。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)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(hào)的幅度不穩(wěn)定，不利于定位系統(tǒng)對(duì)入侵位置的判斷。

同時(shí)，利用IQ正交解調(diào)新穎定位方法也可以確定任何一個(gè)入侵位置的相位值，根據(jù)Q路信號(hào)和I路信號(hào)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(jì)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(lèi)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(hào)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(bào)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(hào)解調(diào)后的脈沖信號(hào)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(hào)和余弦信號(hào)兩路正交信號(hào)進(jìn)行回波信號(hào)的解調(diào)分析，利用兩路基帶信號(hào)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(lái)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?？梢钥闯鰺o(wú)論入侵位置發(fā)生在何處，解調(diào)后的回波信號(hào)所攜帶的入侵位置信息均十分明顯，不存在漏報(bào)的情況。入侵位置與不同時(shí)間延遲的回波峰值的關(guān)系，如表1所示。

表1 時(shí)間延遲與入侵位置對(duì)應(yīng)表

從表1中我們可以發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)入侵位置都對(duì)應(yīng)于一個(gè)不同時(shí)間延遲的回波峰值，據(jù)此，通過(guò)回波峰值的時(shí)間延遲來(lái)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(duì)應(yīng)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)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(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用該數(shù)學(xué)關(guān)系可以實(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)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(guò)圖4的圖像可以看出入侵位置與回波信號(hào)的脈沖峰值時(shí)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(gè)點(diǎn)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(gè)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(duì)應(yīng)的時(shí)間，將這個(gè)時(shí)間帶回直線方程式(13)，計(jì)算得到計(jì)算入侵位置，如表2所示。

表2 入侵位置與峰值時(shí)間

定位精度ΔS表示計(jì)算入侵位置與真實(shí)入侵位置之間的差值，定位精度ΔS基本在±0.1m附近波動(dòng)，隨著統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的增多，定位精度ΔS還將進(jìn)一步縮小，基于漏纜的入侵探測(cè)定位系統(tǒng)的定位精度還會(huì)進(jìn)一步提高。根據(jù)式(13)有，監(jiān)測(cè)區(qū)域的任意入侵位置將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回波峰值，這個(gè)回波峰值都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間延遲，將這個(gè)時(shí)間延遲帶回式(13)，都能計(jì)算得到與之相對(duì)應(yīng)的入侵位置。

因此,在入侵探測(cè)系統(tǒng)中只需選取少量幾個(gè)的入侵位置和相應(yīng)入侵位置對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)，便可以得到這幾點(diǎn)的線性關(guān)系。當(dāng)入侵者在整條漏纜上的其他任意位置入侵，入侵探測(cè)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(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)定位方法中存在入侵相位誤差的問(wèn)題，提出了IQ正交解調(diào)新穎定位方法，對(duì)于入侵相位誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并且利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(cè)定位系統(tǒng)的定位性能，同時(shí)提高定位精度至0.1 m；

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

(3)在系統(tǒng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的入侵者都能被準(zhǔn)確定位，大大降低了系統(tǒng)的漏報(bào)率和誤報(bào)率；

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

穩(wěn)定的回波信號(hào)幅度值和相對(duì)較高的定位精度對(duì)提高定位探測(cè)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。