周界入侵安防报警系统漏泄电缆技术探讨

  随着国民经济的快速发展和科学技术的日益进步,各个国家对边境线、高铁沿线、机场、军事基地、监狱、博物馆等区域的安全问题越来越重视。”十三五”以来,中国铁路基础设施建设投资每年都在8000亿元以上,基本形成了”八纵八横”的高铁网络,使更多的中国人进入了”高铁时代”。这五年来,中国高铁成为”抢手货”,作为中国的一张亮丽名片,也由此驶向更多”一带一路”沿线国家。高铁运营里程的快速增长对周界安防的需求越来越大,但现有的安防设备难以满足需求,部分高铁沿线存在较大隐患,非法入侵和穿越时有发生,对高铁的稳定安全运行造成严重威胁,为此铁路部门也在积极采取措施,解决高铁沿线的周界安防问题。

背景介绍

  目前应用于这些区域的周界入侵报警系统主要有:红外探测报警、电子围栏报警、微波雷达报警、视频监控、光纤振动探测等。这些周界安防报警系统普遍存在着隐蔽性差、易受雨雪天气、地形及地质环境的影响、漏报率和误报率高的缺陷。近年来,随着漏泄电缆技术在各个领域的广泛应用,基于漏泄电缆的周界入侵报警定位技术也很好地解决了上述周界安防报警技术存在的问题。
  基于漏泄电缆的周界入侵报警定位技术是主要随着军事、高铁沿线安防的迫切需求而逐步发展起来的一种新型的周界入侵报警探测技术。它通过间距1~1.5m的两根平行埋地敷设的漏泄电缆进行电磁波信号的发射与接收,在埋地漏泄电缆的周围产生一个无形的雷达探测场,一旦入侵者进入探测场该系统就会发出警报,并指示出入侵者的精确位置。对于基于漏泄电缆的周界入侵报警探测系统而言,提高入侵报警定位的精度、减小漏报或误报率等性能优化至关重要,除了报警探测器硬件设计和信号处理技术外,漏泄电缆性能的好坏也非常重要,它直接影响到周界入侵报警探测系统信号是否能被探测器捕获和信号得到进一步处理,以及捕获后的信号受外界环境如:土壤潮湿程度、砂石、雨雪等影响程度。本文将针对当前用于周界入侵报警系统的漏泄电缆进行不同环境的试验,通过试验数据分析并找出其不足之处,从而设计出一种适应于高速铁路及军事安防的新型周界入侵报警漏泄电缆来提高报警的灵敏度,减小漏报率和误报率。
  图1所示的是基于漏泄电缆的周界入侵报警系统,主要由监视器(网管中心)、发射装置、接收装置、发射漏缆(TX)、接收漏缆(RX)、漏缆终端匹配负载以及辅助的视频监控组成。

周界入侵报警系统漏泄电缆技术探讨

图1 基于漏泄电缆的周界入侵报警系统原理

周界入侵报警系统漏泄电缆

  目前基于漏泄电缆的周界入侵报警系统用漏缆主要有两种结构类型,一种是以耦合型为代表的稀疏编织漏泄电缆,另一种是以辐射型为代表的垂直槽漏泄电缆,如图2所示。
周界入侵报警系统漏泄电缆技术探讨
图2周界入侵报警漏泄电缆
  图2所示的稀疏编织漏泄电缆是目前安防行业中周界报警领域常用的一种周界入侵报警漏泄电缆,国内80%以上的周界安防漏泄电缆采用此类结构,其主要结构参数为:内导体采用实心铜线(铜包铝),导体直径为2.77mm;绝缘体采用物理发泡绝缘结构,绝缘直径为11.5mm;外导体采用0.2mm的铜线编织而成,编织外导体外层有一层聚酯包带,包带外层分别有两层聚乙烯护套层,外护套直径为15.4mm,特性阻抗为75Ω。
  图2所示的第二类垂直槽漏泄电缆是周界安防行业的另一种周界入侵报警漏泄电缆,其主要应用在欧洲一些国家,其主要结构为:内导体采用铜导体导线,导体直径为4.4mm;绝缘体采用物理发泡绝缘结构,绝缘直径为11.5mm;外导体采用0.1mm的纵包铜带纵包而成,外导体外允许有一层聚酯带绕包层,护套层采用聚乙烯材料,外护套直径为15.0mm,特性阻抗为50Ω。
  通过查阅不同厂家使用的周界报警漏泄电缆发现,敷设时时埋地深度一般都在3~5cm。从上述电缆的埋地深度来看,由于电缆埋地深度较浅,很容易受外界环境及雨雪天气的影响,使其暴露在地面之上,因此很容易被入侵者发现隐蔽性差,难以起不到安防的效果。另一方面,由于埋地深度较浅,很容易被碾压使其损坏或断裂,同样也存在着不安全的因素。为了增加该漏泄电缆的隐蔽效果和解决被碾压损坏的不安全因素,将报警漏泄电缆埋地深度增加到20cm以上较为安全和适宜。因此作者将上述的两种不同结构、不同类型的周界报警漏泄电缆埋地深度增加到20cm,选择测试频率为40MHz的信号测试人体入侵时,两根电缆之间电磁场的变化情况,测试结果如图3所示。
周界入侵报警系统漏泄电缆技术探讨
图3
  两种不同模式的漏缆分别在水泥地面、埋入土地20cm和埋入土地20cm雨天三种不同地形和环境下进行试验,从图3所示试验数据分析来看:两种类型的周界报警漏缆敷设在水泥地面情况下,当人体入侵时,发射漏缆(TX)和接收漏缆(RX)之间产生的电磁场变化幅度明显,均可以满足入侵报警系统的要求,入侵信号明显低于外部信号,入侵报警系统信号处理器很容易捕获入侵信号的幅度和相位,从而达到报警定位的效果。
  图3所示的右图是两根报警感知漏缆敷设在土地下20cm以及在雨雪天两种情况下测试的结果。人体入侵信号被外部信号淹没,耦合型漏缆(编织漏缆)和辐射型漏缆入侵信号幅度变化不明显,入侵报警系统均无法捕获入侵信号的幅度和相位。耦合型漏缆和辐射型漏缆均无法满足入侵报警系统的要求。
  综上所述,可以得到如下结论:
  1.报警感知电缆埋地的介质影响整个系统的灵敏度。例如,不同埋地介质如湿土、干土、冻土、混凝土、碎石、粘土、雨雪天气等环境因素对人体入侵时收发电缆之间的电磁场幅度变化影响很大。
  2.耦合型漏缆产生的电磁场以漏缆轴向为中心,以同心圆的方式扩散在漏缆的周围,在漏缆周围形成表面波,因此没有方向性。而辐射型漏缆产生的电磁场在漏缆圆周方向上一定的范围内相对集中的向外辐射,具有一定的方向性,因此辐射型漏缆的护套表面都有特定的标识线来指示信号泄漏孔的位置。从两种漏缆的电磁场辐射机理分析来看,耦合性漏缆较适应于基于漏泄电缆的周界入侵报警系统。
  3.收发两根漏缆之间的电磁场波动大小也影响人体入侵时的信号的灵敏度。两根漏缆之间50%与95%概率的电磁场信号强度差值越小,信号幅度越平坦,信号越不容易受外界环境影响,信号越容易被报警探测器捕获。
  4.入侵报警漏缆埋地深度影响报警探测器信号的捕获能力。埋地深度越深,电磁波信号衰落越大,穿透能力越弱,人体入侵时信号的捕获难度越大。

新型周界报警漏泄电缆设计

  1.通过对上述两种不同辐射模式入侵报警漏缆的试验数据分析,新型周界报警漏缆设计从以下几个方面考虑。
  (1)采用耦合型漏泄电缆,敷设时不需要考虑方向性,以适应埋地时不同介质的影响。
  (2)内导体采用铜包铝导线结构以提高电缆的弯曲性能和降低成本。
  (3)特性阻抗采用50Ω以便与报警探测器的阻抗保持一致。
  (4)外导体采用带有自粘性的铜塑或铝塑复合带沿绝缘体纵包而成,且沿电缆轴向方向具有连续缝隙口,缝隙口的大小决定了收发漏缆之间的场强大小以及传输距离(防区)长短。
  (5)外导体外重叠绕包一层特殊材质的包带,以延缓漏缆内部的电磁波信号向外传播的速度,从而减小漏泄电缆辐射型号的波动性,保持信号的平坦度。
  (6)护套采用两层结构,黄色为内护层,黑色为外护层。采用聚乙烯等低介电常数的材料。一方面内护层可以增加外导体与绝缘体的紧密接触,以防止电缆活动时由于外导体与绝缘体的相对位移,从而造成电磁场的变化导致信号波动;另一方面,采用双层护套和低介电常数的材料有利于减小外导体与电缆周围的土壤等不同介质之间形成的电容,从而减小新型报警漏缆埋地时土壤等不同介质对漏缆槽口产生的电磁场的影响。
  2.新型报警漏泄电缆如图4所示,具体设计参数如下。
  (1)铜包铝内导体外径:4,4mm。
  (2)物理发泡绝缘体外径:11.5mm。
  (3)铜塑复合带外导体厚度:0.05mm。
  (4)外导槽口缝隙宽度:1~3mm。
  (5)绕包带厚度:0.2mm。
  (6)内护层厚度:0.5mm。
  (7)外护套厚度:1.2mm。
周界入侵报警系统漏泄电缆技术探讨
图4新型入侵报警系统漏泄电缆
  新型入侵报警系统漏泄电缆分别在水泥地面、埋入土地20cm和埋入土地20cm雨天三种不同地形和环境下进行试验,试验频率同样为40MHz,试验结果如图5所示。
周界入侵报警系统漏泄电缆技术探讨
图5
  如图5所示的新型入侵报警系统漏缆试验数据分析来看,人体入侵前,无论在地面、埋地及雨雪天环境下两根漏缆周围产生的电磁场波动性都较小,受外界环境及敷设方式的影响也较小,信号的平坦度也很好。当人体入侵时,入侵位置的电磁场的幅度变化明显,其它位置的电磁场信号依然平稳,起伏不大。报警探测器很容易捕获到人体入侵信号的幅度和相位以达到报警和定位的效果。

结束语

  本文通过对周界安防系统常用的两种不同类型报警漏缆进行试验和理论分析,探析了其在不同环境下受埋地深度和雨雪环境影响而引起的报警灵敏度减小的原因,从而设计一种新型入侵报警系统用漏泄电缆,以此来优化和提高基于漏泄电缆入侵报警定位系统信号的捕获能力,减小误报率和漏报率。新型入侵报警系统用漏缆已成功应用于中国通信信号集团有限公司(中国通号)的周界安防项目中,并于2019年12月份通过了中国通号组织的专家团队的验收。
  本文仅对间距在1~1.5m敷设环境下的两根平行敷设的安防漏缆做了详细的试验、分析、设计及优化。目前国外一些厂家正在研究、开发具有同一外护套的两根平行漏缆(双漏缆)应用于周界安防报警系统,双漏缆可以有效的降低施工成本,减小敷设空间,它也是周界报警漏缆的发展趋势。由于双漏缆的原理和设计思路完全不同于本文的报警漏缆,鉴于目前双报警漏缆技术尚未得到广泛应用,因此本文未对双报警漏缆进行探讨和分析。

文/王刚 焦作铁路电缆有限责任公司

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