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泄漏电缆周界入侵防范技术
xiao_xiao1 发表于 2009/9/1 14:10:50 529 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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泄漏电缆周界入侵防范技术国内外发展概况
泄漏电缆是一种有效的周界入侵传感器，属于无线电漏泄场原理的应用范畴。最早自1960年起，首先由英国学者提出无线电漏泄场理论及其在煤矿井巷中的应用，法国学者丰富了它的理论内容，20世纪70年代德国将其推广到地铁通信，继之，美国、瑞典、加拿大、日本等国将其应用领域进一步拓展到铁路、矿山、隧道、机场、码头及某些军工场合。
经过多次国际研讨会的肯定，无线电漏泄场技术在机理上日趋成熟，很快引起各国军工业界的重视和资金投入。周界入侵检测作为无线电漏泄场原理应用的重要分支领域，加拿大学者率先发表了称之为“导波雷达”(Guided radar)的学术论文。继之以美国、加拿大、法国等国为代表，大量采纳泄漏电缆作为周界入侵传感器，大量应用到监狱、油品库、弹药库、生化毒品基地、核废处理场、导弹试验场、海关管制区、军品物资库、飞机场、军事禁区以及边防警戒区等场合。
20世纪80年代中期，我国科研机构曾将无线电漏泄场原理的应用列入国家“七五”重点科技攻关项目并取得成功验收、鉴定、颁奖的成绩。与此同时，国内单位也开发了泄漏电缆周界入侵系统并逐步进入安防产品市场。当前，此类国内产品主要装备监狱和军品仓库等场合，严格讲来还存在着技术层次较低、结构粗糙、误报控制不足、价格偏高等不足需要着力改进。
泄漏电缆周界入侵防范技术原理
无线电“漏泄场”的建立
对射频同轴电缆按特定要求加以疏编、开缝、穿孔、开槽等工艺方式对其外导体屏蔽层施以连续且有规则的“破坏”，即能制造出泄漏电缆。由此故意引起射频同轴电缆中传输的无线电信号能量发生泄漏作用，将在泄漏电缆径向长度的周围建立起一种均匀且连续的无线电电磁场，称之为“漏泄场”。藉助“漏泄场”，泄漏电缆为无线电信号在“限定空间”中的传输提供了一种类似长天线作用的传输媒介，构成沿泄漏电缆狭长区域内的无线电传输通道，据此可实现无线电收发讯机与馈体泄漏电缆之间两个可逆方向上完全等效的电磁能量的交换或称“耦合”，从而得以可靠地实现某些“限定空间”(井巷、隧道、山洞、地下道等处)的无线电双向通信。
泄漏电缆的传输衰减及耦合效率
泄漏电缆是无线电漏泄场原理周界入侵检测技术的关键部件。泄漏电缆的设计关键是内导体、外导体、绝缘体和外护套的结构尺寸、材质、结构均匀性、空气介质比率、屏蔽形式和光电复盖率等。其主要电气特性是内、外导体直流电阻、分布电容、电感电阻比、传输衰减、耦合效率、表面转移阻抗及其特性阻抗等。无论何种设计，最终着眼点主要是追求较小的传输衰减和较高的耦合效率。
泄漏电缆的传输衰减是电缆材质和工艺结构的函数。主要表征为：随内、外导体电阻成正比地增加，随电缆的特性阻抗成正比地减少，随介质的功率因子成正比地增加，随介质的介电常数呈平方根函数，随外导体的光电复盖率成反比地增加。
泄漏电缆的耦合效率涉及电磁场理论。经电磁耦合理论推导并加以适当近似得知，由屏蔽形式所决定的表面转移阻抗和转移导纳是耦合效率的关键因数，比较直观的主要表征为：随单位长度外导体开孔面积(大小、数目)成正比地增加，随外导体开孔(缝)纵向长度成正比地增加，随开孔的园周长度成平方关系增加，随电缆直径大小成平方关系降低。
由于泄漏电缆比较重视其结构工艺，各国制造商均拥有不同的专利技术。较典型的有英国的疏编技术、美国的螺旋管特征开孔技术、德国的纵向开缝技术、日本的八字开槽技术等。
在实际应用中，为了补偿泄漏电缆在径向长度上传输衰减随距离按对数规律逐渐增大的影响，国际上大部分用作周界入侵传感器的商品泄漏电缆均采用沿电缆径向长度逐渐增加开孔尺寸的工艺措施。这种措施常常被称作耦合能量分级技术，用以获得耦合能量分级型泄漏电缆。其确切的制造细节通常申请为专利。
泄漏电缆周界入侵检测传感器
泄漏电缆作为周界入侵检测传感器应用时通常采用埋地敷设方式。埋地敷设方式可取得隐形连续复盖周界防区和免维护的实用效果。
实验研究表明：采用两根平行敷设的泄漏电缆，一根接入发信机，另一根接入受信机，入侵者进入两根电缆中间区域时，由于处在“漏泄场”中的人体对无线电射频能量的散射，将引起受信机端口接收信号电平的波动。采用各种信号分析手段检测出这个变动，即可对入侵者在防护周界范围内作出定性和定位判断。在各种泄漏电缆周界入侵防范系统中，无一例外地都采用泄漏电缆作为入侵检测传感器。
泄漏电缆的一端接入发信机后，无线电射频能量在泄漏电缆内部一方面以同轴波模式向电缆终端传输的同时，另一方面通过电缆外导体开孔的表面沿电缆径向长度以准TEM波模式向前方传播可称之为表面波。同轴波模式的传输速度和传输衰减决定于同轴电缆的结构参数，基本上与安装环境无关;表面波模式的传输速度和传输衰减则与安装环境有关，如果泄漏电缆以埋地方式安装，与地面以上的空气环境中安装相比，表面波的传输速度减慢且传输衰减增大。上述沿电缆长度上存在着的表面波是一种近场波，其作用场仅及距电缆若干公尺以内，这种电磁漏泄场的能量将随其与电缆纵向距离增大而迅速衰减直至消失。这意味着泄漏电缆作为入侵检测传感器应用时，仅包含一个有限距离的检测区域，对无线电空间秩序不构成为一种有害的干扰源。
泄漏电缆周界入侵防范系统典型技术方案
单电缆方案
最早期出现的泄漏电缆应用于周界入侵防范系统的技术方案仅采用单根泄漏电缆。在电缆始端接入无线电发信机，另一端接入受信机即构成最简单系统。发信机在泄漏电缆周围形成的漏泄场首先与入侵者本体发生耦合，再次耦合回复到泄漏电缆并传输抵达受信机。此方案中的入侵信号需经两次耦合再经传输抵达检测端，其检测灵敏度极低，实用价值不高，初期实验只能捕获仅距泄漏电缆10公分左右且目标巨大的入侵目标。
双电缆方案
采用两根泄漏电缆平行敷设，在第一根电缆的一端接入发信机激励馈体，在第二根电缆的一端接入受信机检测处理入侵信息特征，即构成双电缆系统。两根电缆一发一收，只存在一次耦合，只需检测识别入侵者本体在漏泄场中对既有信号的影响即可捕获入侵目标。此方案与单电缆方案相比，检测灵敏度大大提高，已可满足实际应用需要，而大部份泄漏电缆周界入侵检测系统均采用双电缆方案。
在某些场合，为了横向拓宽入侵检测区域的宽度或辨别入侵行为的方向，也可在双电缆方案基础上再布置一根或多根相平行敷设的泄漏电缆，变相衍生为多电缆方案。
正向耦合方案
在双电缆方案基础上，两根电缆上分别接入发信机和受信机，并将它们分别布置在传输通道两端即构成正向耦合方案。正向耦合方案具有下列特点：
.传输通道上，发信机源信号经耦合到收信电缆后的行进方向与发信电缆上源信号的行进方向相同，在受信机端口引起相位变化的同相叠加，形成一定程度的固定反射;
.此固定反射相应对埋地泄漏电缆环境(如土壤湿度变化)较为敏感，由此如不采取相应技术措施，可能成为虚假入侵报警的因素;
.泄漏电缆本身传输衰减的大小与入侵位置无关，因而对受信机端检测量的动态范围影响不大。
反向耦合方案
在双电缆方案基础上，两根电缆上分别接入的发信机和受信机布置在传输通道的同一端即构成反向耦合方案。反向耦合方案具有下列特点：
.泄漏电缆本身传输衰减的大小与入侵位置相关，因而要求增大受信机端检测量的动态范围，相应增加了入侵信号正确判决的难度;
.通常采用耦合能量分级型泄漏电缆或大直径低损耗型泄漏电缆，可有效减小受信机端检测量的动态范围;
.实际应用中，反向耦合方案采用得较为普遍。
脉冲波方案
在单电缆方案基础上，发信机输出时序脉冲波，受信机完成发射脉冲和具有入侵信息特征的反射脉冲两者之间的时间延迟识别检测，并据以判定入侵位置即构成脉冲波方案。脉冲波方案具有下列特点：
.脉冲波方案提高了单电缆基本方案的实用性;
.要求射频宽带窄脉冲高速传输，且瞬时脉冲功率较大，可能对邻近无线电 系统形成干扰;
.对泄漏电缆性能要求较高，趋向于采用大直径低损耗型泄漏电缆。
连续波方案
无论在单电缆或双电缆方案基础上，发信机输出连续载波，受信机完成具有入侵信息特征的接收信息检测，并据以判定入侵部位即构成连续波方案。连续波方案具有下列特点：
.对射频带宽、功率无严格要求，简化了电子部件、器件等级;
.对入侵位置不能提供精确定位，仅适用于完整段落区域入侵信息的判定;
.对较长周界宜作分段并标记地址码的技术处理。
单电缆—单极天线耦合方案
采用单根泄漏电缆埋地，按园环形布置敷设，其一端接入发信机，园心处设单极天线并连接受信机，受信机完成具有入侵信息特征的接收信息检测，并据以判定入侵部位即构成单电缆—单极天线耦合方案。单电缆—单极天线耦合方案具有下列特点：
.仅适用于开阔地带,多应用在重要机场、导弹库、生化武器库、火药库等重要场合; 信息请登陆:输配电设备网
.仅需布置单根电缆，但其连续性不允许中断;
.对发射功率有严格要求;
.单极天线应置于园环形中心位置，其位置偏离度将影响接收入侵信息的均匀度。
技术发展方向
泄漏电缆周界入侵防范系统与各种不同原理的周界系统相比，在服务特性方面有其独特的优势。自泄漏电缆周界入侵防范技术问世以来直至进入21世纪，美国、英国、加拿大等国不断涌现的上百篇专利文献详尽记载了其技术进步过程，但在国内罕见自主知识产权文献的发表，尤其是这类系统在国内民品安防市场占有率不高。究其原因最主要不外乎下列两点：
.泄漏电缆成本偏高，影响推广使用是最主要的原因。研究开发低成本经济型适用性泄漏电缆应该是我们首要关注的技术进步发展方向。在充分消化泄漏电缆周界入侵传感器机理的基础上，售价堪与SYV-5同轴电缆相当的泄漏电缆在理论上存在极大可行性;
.民族品牌的泄漏电缆周界入侵防范系统虽起步较早，但技术粗糙、后继乏人，导致十多年来发展停滞。在调制方式、频率优选、环境媒质补偿、分段中继、检测信号判决等方面均有值得期待的技术进步和发展。
结语
值此国内安防市场迅猛增长的发展期，周界入侵防范系统已无可争议地占有一席重要地位。结合我国反恐、申奥、申博、城市透绿、构建和谐社会等市场需求，泄漏电缆周界入侵防范系统具有良好的应用发展前景