泄漏同轴电缆在周界报警装置中的应用

汁算发射电磁波波长：，·＾＝ｃ，ｃ在真空理 想情况下为３×１０８ ｍ／ｓ，信号源发射频率为２２０
ＭＨｚ．所以，传输线的信号波长为１．３６ ｍ． ＩＥＥＥ（电气和电子工程师西会）定义近场感应区
为近场区域直接环绕天线的部分，在其中感应场 为主体．此场的边界计算为
Ｒ＜０６２√譬
（５）
式中：Ｄ取３ ｍ，计算得Ｒ＜２．７６ ｍ
波的有效发射方向可以近似得到它的主要工作方 向装置开始工作后，需要预热一段时间，使外导 体充分极化，发射电缆电磁波耦合并稳定．在发射 电缆正上方有人以一定速度跨过（一般为正常步 行速度）时，由于人体具有电容特性，在稳定电磁 场引入了干扰，干扰包括从人体反射回的电磁波、 多普勒效应，前者为主要扰动．由于场论的建立， 可以建立数学模型做更好的分析
２实验与分析
实验使用两根各３ ｎ１长的泄漏同轴电缆，间
隔５０∞并行放置于室内；采用ｕＡ３０ｌ采集卡进
行信号的Ａ巾转换和数据采集；用ＤｅＩｐｈｉ语言实
现上位机人机界面．实验框图如图３所示．
Ｊ振荡器一推动广１网络广１—·＿—－Ｉ ｒ————］ｒ——＿］ｒ——］
ｌ高频ｌ Ｉ功率｜ｌ匹配ｌ
Ｉ．．．．．．．．．．．．．．．－一【．．．．．．．－一Ｌ．．．．．．．．＿Ｊ
以近似将小孔看成小天线，天线以谐振形式向外 发出椭圆形功率场，用柱状坐标表示为
Ｅ（７，妒，ｚ）二Ｅｐ（ｙ，驴，ｚ）ｅ１—２
（２）
女为空间自由度，因为使用耦合型传送电缆，
所以辐射的电磁波有不同的幂次，在正上方辐射
幂次用公式（３）计算
７毛＝女６一， 旧店＋警＾ ）。、， （３）
、
１
，
采样频率ｒ的范围为
一硝１＜，＜一＂如，Ⅲ＜Ｏ （４）
缆外铜皮上打上～些小孔的电缆，目的是使电磁 合，耦合型电缆的结构示意图如图２所示．图２ａ
信号既能够经由电缆内部发射至外部，又可以经 为耦合型泄漏同轴电缆结构图，图２ｂ显示电磁场
由外部送到内部根据所开小孔不同可以分为辐 在小孔处的畸变产生了电偶极子．为了解释电偶
射型、耦合型和漏泄型三种．辐射型电缆的外导体 极子的产生，先根据电磁转换的互易性，分析与小
１装置的结构和原理
１．１泄漏同轴电缆的工作原理 周界报警装置的工作原理如图１所示，当有
人跨越泄漏同轴电缆正上方区域时，报警装置被
收藕日期：２００４—１２ １３
万方数据 作者简介：高松巍（１９５６），女，辽宁沈阳人，副教授，主要从事无损检测技术与数字信号处理等方面的研究
沈阳工业大学学报
第２８卷
触发，其他辅助系统也同时被启动，并将报警信号 送至中央控制室．在铺设电缆时，由于检测的有效 距离有限，因而可以采用电缆重叠铺设的方法，为 使两个主机之问不出现空位，两组电缆应有一部
报警装置应用时，为提高其可靠性：埋设电缆 的物质要尽量干燥，以避免水分对泄漏同轴电缆 的小孔耦合造成影响；电缆埋设的深度应尽量浅 一些，以降低装置的功耗；报警装置的埋设地点应 远离公路，以避免行驶在公路上的汽车等移动物 体对装置造成干扰软件采用门限方法对采集信 号进行处理，以避免个体较小的猫、狗等动物对报 警装置产生干扰，造成误报警，从而可降低装置的 误报率．
万方数据
缆只对其正上方垂直高度物体返回的波有反应， 当人体在电缆正上方走过时，稳恒的电磁场由于 其干扰发生变化．
将电缆上的小孔看作等距波源，对一定高度 人体，与之对应的一定返回角度的反射波依次被 接收，注意，此处渡的方向性并不明确，但是根据
第１期
高松巍，等：泄漏同轴电缆在周界报警装置中的应用
Байду номын сангаас
９３
ｂ
图２耦合型电缆的结构示意图
ＦＩｇ ２ ｓｔｎｌｃ【ｕｒｅ ｄｉａｇｒａｎｌ ｏｆ∞ｕｐｌｉｎｇ ｃａｂｌｅ ａ．结构图ｂ小孔处的电磁场
１．２报警装置的搭建和原理 泄露同轴电缆外导体所开小孔为均匀排列，
可以等效为小双极天线，则这些双极天线可以看 成一个天线阵列．对于在此天线阵列外某一点，每 一单元天线都有～个与该点相对应的方向因子． 因为耦合方向为沿电缆的轴向方向，所以对于电
口＝二＾ｒ。！产＾ｒ ×１００×［１一ｏ．００２（Ｔ一２０）］（１）
式中：Ｎ。、Ｎ。为天线末端和电源的信号强度；Ｌ为 电缆长度；Ｙ、为环境温度（单位℃）．电缆的有效
长度与电缆的以上参数有关． 对于泄漏电缆发射端的～个小孔，在横电场
模式下由于轴芯的高频电流信号在外导体产生了 感应电荷，而在小孔处的感应电流被截断，因此在 小孔周围具有电偶极子特性，产生谐振电磁场，可
所开小７Ｌ呈周期排列，辐射形式类似于朝着电缆 孔相同大小的导体的情况．此时假设屯荷沿导体
轴向的一系列磁性偶极子的辐射，且所有槽孔都 做往复简谐运动，一对偶极子在一个往复周期内
符合相位叠加原理，典型间距为所传送电磁波信 产生一条向外发散的场线，这样，所有的以导体中
号的半波长漏泄型是泄漏型和屏蔽型的复合形 心为中心点做简谐运动的偶极子最终形成向外辐
算了电缆参数；搭建了报警装置的实验电路，当有人通过泄漏同轴电缆时可以检测到信号的变化．
同时，验证了泄漏同轴电缆应用于周界防越报警的可行性
关键词：泄漏同轴电缆；周界报警；电位移；趋肤效虚；门限
中图分类号：ＴＭ９３０．１２４
文献标识码：Ａ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏＩＩ ｏｆ ｌｅａｋａｇｅ ｃｏａｘｉａＩ ｃａｂｌｅ ｉｎ ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ａｎｎｕｎｄａｔｏｒ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｅａｋｙ ｃｏａｘｉａｌ朗ｂｌｅ；ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ａｎｎｕｎｃｉａｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄｉＳｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｊｎｃｌｉｎｉｎｇ ｔｄｗａｒｄｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｆｆｅｃｔ；ｒｅｇｉｏｎ ｖａｌｕｅ
随着社会的发展，公共设施的安全防盗问题 越来越被人们所重视如何加强油井、博物馆等场 所的防盗是近年来的一个热门话题．随之而来的 各种报警装置应运而生，周界报警装置作为一种 有效的防盗方案得到了广泛的应用．
第２８卷第ｌ期 ２ ０ Ｏ ６年２月
沈阳工业大学学报 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ０ｆ Ｔｅｃｈｒｌｏｌ。ｇｙ
Ｖｄ．２８ Ｎｏ，１ Ｆｅｂ．２ Ｏ ０ ６
文章编号：１０００—１６４６（２００６）叭００９ｌ—０３
泄漏同轴电缆在周界报警装置中的应用
高松巍，杨洋
（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳ｕ００２３）
广——］广—］广１
泄漏同轴电缆耦台
Ｉ汁算机ｌ １数据Ｉ Ｉ信号ｌ
ｌ【．．处．．．．理．．．．ｒ．．］．．采Ｊ【．．．集．．．．门Ｊ 滤Ｉ．．．．波．．．．ｒ＿Ｊ １＿ｌ··。－＿·＿
图３实验框图
Ｈｇ．３ Ｂ１０ｃｋ ｄｉａｇｆａｎｌ ｏｆ ｅｘｐｅｒＩｍｅｎｔ
系统上电后，其中一条泄漏同轴电缆作为发 射器的天线；另一条泄漏同轴电缆做为接收器的 天线．接收端电缆采集到的信号经放大、滤渡处理 后，通过数据采集卡进行数据转换，再送人Ｐｃ机 做数据处理和波形显示实验结果显示，当有人跨 过发射电缆时，经１～２ ｓ的信号延迟后，产生一 峰值５ Ｖ的窄脉冲信号，即系统捕捉到了人跨过 装置时的信号变化
３结论
实验表明，当有人跨过泄漏同轴电缆时可以 检测到信号的变化从而验证了泄漏同轴电缆应 用于周界报警装置的可行性．该报警装置采用特 种电缆、高频功率电流源等设备组成，可应用于机 场、银行、仓库等主要设施的安全防盗具有一定 的实用价值．
分重叠．为丁防止电缆所形成的“电磁墙”在重叠 区因有多重电磁波而在无入侵信号下也变化剧 烈，发射的两根泄漏同轴电缆之间的距离要大于 ３ ｍ，且工作的主频率应相互错开．
围１ 周界报警装置Ｔ作原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｄｎｃｉ ｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｅ—ｎｌｅＬｅｒ ａｎｎｕｎｃｉａｋ＂
泄漏同轴屯缆是一种在传送电磁波的同轴电 验也将发射信号的电缆近似看成一列小天线的集
外表面运动，电缆象一个长的阵列双极天线向外 障碍物和衍射等的影响电磁波为辐射形式向外发
辐射电磁波．耦合型电缆原理等同于电子天线，实 射．
一唧阡 无小孔 电场磁 场情况
小孔附近 电场畸变
耦合型传送ＴＥｌ０模式电磁波的解 剖图，实线为电力线，虚线为磁力线
ａ
－－：ｉ：ｉ—●一 小孔附近
ｊｊ—ｊ．．ｊ．ｊ：：ｊ。ｊ．＿ｊ．＿：磁场畸变
对于与泄漏同轴电缆连接的信号源，反射功 率过大会烧坏其本身，因此要对特性阻抗与信号 源进行匹配，Ｓｍｉｔｈ圆图上左右两个极点位置不 能引入特性阻抗，既短路开路状况下都不能接人 泄漏同轴电缆，因此，在发射电缆终端焊接５０ ｎ 电阻作为负载保护信号源． １．３计算
对于泄露同轴电缆，从信号源发射开始到电 缆终端，电流耦合电磁信号能量将分解成热能，向 外泄漏的电磁能量．因此电缆外部的电磁场会不 断衰减，衰减的计算公式为
摘要：利用泄漏同轴电缆的特性设计了一种可以对指定区域进行监视的装置，它适用于对大范
围或地形复杂的区域进行周界防范．该种周界报警装置是将感应电缆埋地安装，利用其电磁场形
成一堵无形的围墙，随时警戒区域的周界变化采用泄漏同轴电缆作为感应器件，分析、设计了一
种应用泄漏同轴电缆的周界报警装置介绍了泄漏同轴电缆的工作原理；利用场论公式推导和计
ＧＡ（）Ｓ０ｎｇ—ｗｅｉ，ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ （Ｓｃｈ∞ｌ ｏｆ Ｉｎ如ｎ１１ａｔｌｏｎ ｓｃｉ扎ｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅ—ｎｇ，ｓｈｅｎｙａｒＩｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ０ｆ Ｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｒｌｙａｒ】ｇ １１００２３，（Ｌｈｌｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ Ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｒｒｌｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｃｕｒｅ ｐｒ【）ｂＩｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｕｂｌｉｃ ｅｓｔａｂＩｉｓｈｍｅｎｔ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｂａｎｋ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｅｃⅡｉｔｙ ｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕＳｅｄ ｔｏ ｋｅｅｐ ａｗａｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｏｒ ｃ（）ｒＩ】ｐｌｅｘ ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ｆｉｅｌｄ，ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｋ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃ。ａｘｉａｌ ｃａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅ工ｄ ｆｏｊ‘ｒＴｌｓ ａ ｈｉｄｄｅｎ ｗａｌｌ，ｔｏ ｇｕａｒｄ ｔ｝１ｅ ｐｅｒｉｎｌｅｔｅｒ ｆｉｅｌｄ．Ｕｓｉｎｇ ｌｅａｋｙ ｃｏａｘｉａＩ ｃａｂｌｅ ａｓ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ａ ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ ａｎｎｕｎｃｉａｔｏｒ． ｗａｓ ｄｅｓ塘ｎｃｄ ＴｈｅⅥ∞ｒｋｉｒ培ｐｒｉｎｃｉｐＩｅ ｏｆ ｔｈｅ １ｅａｋｙ ｃ（）ａｘ尚ｃａｂｋ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｈｅｏｒｙ ｔ。ｄｅｄｕｃｅ ａｎｄ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｐａｒａｒｎｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ，ｔｈｅ ｅ］【ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｂｕｉＩｔ，ｗｈｉｃｈ衄ｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｓ培ｎａＥ ｃｈａｎｇｅ ｗｈｅｎ ｓｏｌｎｅｂ。ｄｙ ｇ。ｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃａｂｅｌ＿Ｐｏｓｓ｜ｂｉｌｉｔｖ ｔ｝ｌａｔ ｔｈｅ ｌｅａｋｖ∞ａｘｉａｌ ｃａｂｌｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｒｆｉｍｅｔｅｒ ａｎｎｕｌｌｃｉａｔｏｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖａＩｉｄａｔｅｄ．
式应用于周界报警装置的泄漏同轴电缆为耦合 射的一系列周期变化的同心电场线根据互易性
型，耦合型的小孔间距远远小于工作的波长，因 原理，在一面导体上挖去周样面积的小孔导体，会
此，在这种模式下电磁场通过小孔衍射激发电磁 产生相对应的同心磁力线，既电场与磁场互换．在
场．因为趋肤效应感应的谐振电荷只沿屏蔽导体 近距离耦合的电磁波呈同心圆结构，远距离由于
美国等西方国家使用泄漏同轴电缆进行周界 报警已经有三十多年的历史．这种报警装置使用 的基本方法是将一段作为发射源的泄漏同轴电缆 浅埋于地下，距其１．５ ｍ以内并行埋设另一根泄 漏同轴电缆作为信号的接收装置，当有人跨越处 于工作状态的发射源电缆时，引起了电磁场变化
而触发报警装置，从而实现对同轴电缆所包围的 区域的实时监控．泄漏同轴电缆主要应用于通讯 系统，人们用其导引电磁波在隧道等复杂地段传 送电磁波信号，本文主要采用泄漏同轴电缆作为 感应器件，分析、设计了一种周界报警装置