CN103124988B

CN103124988B - 基于传输线的可定位电子围栏

Info

Publication number: CN103124988B
Application number: CN201180008799.3A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Dan Xuekang
Current assignee: Dan Xuekang
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: WO2012071094A1; US20120133377A1; CN103124988A; US8415962B2

Abstract

一种电子安防围栏。一个电子信号发生器产生初始电信号，传输线传输这个初始电信号，当传输线被人或动物扰动时，会产生反射信号。接收器接收到反射信号，並将其传送给信号处理器。该信号处理器收到反射电信号后计算扰动点的位置。在一种优选方案中，信号处理器是根据反馈信号从扰动点返回所需时间计算出距离的；在另一种优选方案中，信号处理器根据初始调频连续波和反射的调频连续波频率的频差计算出距离的；在另一种优选方案中，传输线被用来发送编码通讯信号和距离信息到基站，作为监控和信息传输之用。

Description

基于传输线的可定位电子围栏

一，技术领域

本项发明涉及安防围栏，特别是具有入侵定位功能的电子安防围栏。

二，背景技术

电子围栏已是众所周知，已被广泛用于周界保安和控制动物。现有的电子围栏技术是用金属线围起来的方法去保护围起来的区域。最常见的电子围栏带有高压电发生器，它可以发出脉冲式的高压，传送到一根或多根围栏的电线上。当动物或入侵者接触到围栏的任何一条带电的线时，形成电流回路，电流就会通过接触的动物或入侵者的身体进入大地。这个脉冲电流会有二个效果：

1)电击动物或入侵者，将他们驱离或使他们害怕；

2)终端设备收到电流信号，触发报警，通知值班保安员。

在许多场合，特别是用于保安目的的电子围栏，必须知道入侵者的位置。然而，最常见的电子围栏没有入侵定位功能。现在使用的方法是将整个围栏区分割成多区域，每个区域有自己独立的系统，报警信号反映的是对应区域，区域越小，闯入者定位就越准。分区的电子围栏虽然也有效，但价格高昂，布线和操作系统都很复杂。

现在人们需要的是更好的电子围栏。

三.发明内容

本发明是一种电子安防围栏。电信号发生器发出初始电信号，这个信号传输到传输线上。当入侵者或动物触动传输线时会产生一个反射信号，接收机会接收到这一反射信号并传送给信号处理器，信号处理器将计算出入侵者的位置。第一种实施方案是：根据入侵者触动传输线位置产生的反射信号传输到接收机的时间计算出距离；另一种方案是：根据入侵者触动传输线位置产生的反射信号的频率和初始电信号频率的差异计算出入侵者的位置；最后一种实施方案是：利用传输线发出编码信息信号和返回的距离信号到监控基站。

四，附图说明

图1展示安装在墙上传输线的透视图

图2展示本发明的一种实施方案

图3展示本发明的另一种实施方案

图4展示本发明的另一种实施方案

图4b展示本发明的另一种实施方案

图4c展示本发明的另一种实施方案

图5展示示波器显示测试时的波形

图6-8展示本发明的其他实施方案

五，具体实施方式

图1显示安装在墙9上的电子安防围栏8。电子安防围栏8包括传输线10。传输线10由绝缘子11支撑。依靠反射的电传输线的信号，电子安全围栏8可以计算出闯入者的位置，定位精度可高达几米，工作距离可达数十千米。

第一种实施方案

如图2所示，电子围栏包括电脉冲发生器12、传输线10、电信号接收器13、发送接收开关15和信号处理单元14.电脉冲发生器12按特定时间间隔发送短脉冲到传输线10，最好是传输脉冲以短脉冲发送(一般是单周期或多周期)。如图所示，阻抗匹配负载16和16b连接到传输线10。在正常工作情况下，电脉冲发射机产生的脉冲沿传输线传输，并在末端被阻抗匹配负载16吸收。没有能量反射回来，接收器13收不到信号。入侵发生时，入侵者触动传输线10，接收机就会接收到反射能量。由于入侵者导致部分能量反射，阻抗匹配负载16和16b防止了在接收器13和入侵点之间以及在入侵点和传输线10末端之间的多次反射。因此，可以同时探测到多个闯入者。

应该注意到，阻抗匹配负载是选装件。传输线10的末端可以是短接在一起，也可以是开路。传输线的起点可以连接到终端设备而不用阻抗匹配负载。关于终端阻抗匹配负载。可有可无。当有终端匹配阻抗时，不会因为终端造成多点反射，判定多点入侵是可以的；当没有终端匹配阻抗时，因为终端会造成多点反射，不容易判定多点入侵。

当一名入侵者试图爬过围栏时，他不可避免地靠近围栏和可能接触传输线10或引起传输线10的两根导线之间距离的变化。

不论发生那种情况，传输线10将呈现入侵点阻抗不匹配(图2)。这一阻抗不匹配引起一部分电脉冲反射回接收器13。当接收器13收到一个反射信号时，根据时间就可以计算出入侵者到接收器的距离(L表示距离)，确定入侵者的位置：

L = \frac{Δt}{2} \cdot C

公式中C是脉冲传输的速度(3×10⁸m/s)，Δt是从发送脉冲到接收到脉冲的时间间隔。

信号处理器14处理接收到的信号，并在需要时发出警报。在一种优选的实施方案中，信号处理器14装有程序处理软件，可以分析接收到的信号，区分意外的触动、有意闯入还是传输线断了三种情况。

传输线10的两根导线相对于地是平衡的。因此，尽管入侵者只触动其中一条线，这种平衡也会受到影响，因而一部分发送的能量也会反射回接收器13。如上所述，侵入者的位置仍然能够被确定。

传输线

如图2所示，传输线10有二条平行导线。传输线具有特征阻抗Z₀，特征阻抗Z₀由下式计算：

Z_{0} \approx 276 \log_{10} (2 \frac{D}{d})

公式中D表示两导线的轴距，d表示导线的直径。Z₀单位是欧姆反射系数计算公式：

Γ = \frac{Z_{L} - Z_{0}}{Z_{L} + Z_{0}}

公式中Z_L表示入侵点的有效阻抗，Z₀代表传输线特征阻抗。

当带有电压的电脉冲传送到传输线时，脉冲的一部分从入侵点反射回接收器，反射回来的脉冲电压是：

V_{0}^{-} = Γ V_{0}^{+}

传输线10的终端接有负载电阻，其阻抗等于特征阻抗Z₀

如以下的“多导体传输线”一节所述，传输线10可以包括多于二条的导线。多于二条导线的传输线特征阻抗的计算更加复，但是，当阻抗不匹配时就会像二条导线一样产生类似的反射信号。

多导线传输线

图6-8展示本发明的其他优选实施方案。如图所示，传输线10可以包括二根或多根导线。例如，传输线10可以包括多根带刺导线(图6)，传输线10可以安装在金属防护网上(图7)，多根传输线导线也可以直接装在地面上方(图8)。除此之外，多导线传输线的其他布局也是可行的。

原型机

图2所示的实施方案的原型机已经建立起来并经过测试。两条17号线规的传输铝线10之间的距离是5厘米，这对线的特征阻抗大约是535欧姆，图5所示是假如入侵者手握传输线10的两根导线时，示波器所显示的图像。从脉冲发生器12发出的是15兆赫兹的单周期波。如图5所示，第一个电压波峰是发送的信号，第二个电压波峰是接收到的信号，他们两个之间的时间间隔是7.5×200ns＝1500ns.因此，入侵者大约离接收器13有228米。距离分辨率大约是3米。

其他优选实施方案

图3显示这项发明的另一优选实施方案。在图3中，电子围栏20使用了调频连续波(FMCW)雷达/传感器技术。在这一实施方案中，信号源22是调频连续波发生器。调频连续波通过门限电路29发送到传输线21。正常情况下，调频连续波发生器发出的脉冲沿传输线发出，由传输线末端的阻抗匹配负载23吸收，没有能量沿线反射，接收机24收不到任何信号。当入侵者触动传输线21上的某一点时，调频连续波反射至接收机24，由于信号是调频的，即瞬时频率随时间变化，反射信号与前向信号在接收机24相遇时，它们的频率是不同的。接收机24将这两个不同频率的信号传给混频器25，混频器产生两个信号的差频和其他高阶的频率分量。位于混频器之后的低通滤波器26只让差频分量通过。过滤后的信号由A/D转换器27转成数字信号。信号处理器28应用快速傅立叶变换计算数字信号的频率。根据这个计算出的频率就可确定入侵者到接收机的距离L(L表示距离)：

L = \frac{Δf}{2 R} \cdot C

公式中C是脉冲传播速度(3×10⁸m/s)，R是频率变化率，Δf是频率差异。

例如，调制频率是每微秒频率改变1KHz，反馈信号有2KHz频率差异，则入侵的距离是300米。

使用传输线传输信号到基站

本发明的另外一个优选实施方案是被用作从围栏任何一地向基站传输定位的紧急信号。由于电子围栏具有传输线，操作人员可以利用这一传输线向基站发送信号。例如，当巡逻人员沿线巡逻时，遇到紧急情况，他可以以固定模式(例如摩尔斯电码)碰触传输线10，或使用专用器件36连接到围栏线上(图4)报警。带有程序的器件36会在传输线上发出编码，引起两根线之间阻抗变化导致此点的阻抗不匹配。基站的监视器56能够发现编码信号和反射信号。就像上文所述，确定报警位置。

阻抗匹配负载

上文陈述过，没有阻抗匹配负载，电子围栏仍然运转正常。例如，图4b中，没有接入阻抗匹配负载16b(图2)；同样的，在图4c中，没有接入阻抗匹配负载16b和16(图2)，即2个都没接入，传输线10是开放的。不管是那种情况，传输线末端都会有固定的反射信号和多次反射信号。因此，没有阻抗匹配负载，同时探测到2个以上的入侵事件是比较困难的。

尽管以上专门描述了几个优选实施方案，精于本行业的人在不违背这项发明的基本原则的前提下可以做出除上述方案外的更多实施方案。例如，尽管图1描述的是电子围栏8装在实体墙顶9上，当然，电子围栏8也可以装在柱子上、砖墙上、木头围栏上、金属网围栏上等。也可以独立安装使用。传输线之间可以接入滤波器以避免环境电磁干扰；也可以加入常规的电击功能以阻吓入侵者；也可以与其他安全报警系统组合使用，如声像监控系统。例如，当电子围栏定位了入侵时，发出一个触发信号开启拾音器和摄像头，用此系统会大幅减少误报率。为了增强入侵者仅触动两条线中的一条时的阻抗不匹配程度，可以将另一条线通过终端设备连接到地。由于终端设备并不知道那条线被触动，两条线靠电子开关轮流接入地，比如利用场效应晶体管开关，两个开关依下列次序开关：

1，开关1关，开关2开；

2，开关1开，开关2关；

3，开关1和开关2同时开。

因此，以下所附权利要求及其法律等同界定了本项发明的范围。

Claims

1.电子安防围栏，由以下组成：

A)一个发出初始电子信号的电子信号发生器；

B)一具传输线，它能传输上述电子信号发生器发出的信号，同时能在人或动物触动上述传输线时产生反射信号；

C)一个接收器，它能够接收到上述传输线在受到人或动物扰动时产生的上述反射信号；

D)一个信号处理器，它能够计算出入侵点发出上述反射信号的位置；

其中，上述传输线由二条平行传输导线构成，上述人或动物的存在是指其触动上述传输线的一根或二根导线、或者改变了上述二条平行传输导线之间的距离。

2.如权利要求1所述的电子安防围栏，其特征在于：所述的电子信号发生器是一个产生电子脉冲信号并发出电子短脉冲信号的发送器。

3.如权利要求1所述的电子安防围栏，其特征在于：还具有一个发送/接收开关，用以切换上述反射信号到上述接收器和上述信号处理器。

4.如权利要求1所述的电子安防围栏，其特征在于：上述人或动物的存在给上述传输线加上一个负载阻抗，从而导致产生上述反射信号。

5.如权利要求1所述电子安防围栏，其特征在于：上述信号处理器计算扰动位置是根据上述反射信号由扰动点传输回来所需的时间计算出来的。

6.如权利要求1所述电子安防围栏，其特征在于：上述电子信号发生器是指调频连续波发生器，上述发出的信号是初始调频连续波信号，上述反射信号也是反射的调频连续波(FMCW)信号。

7.如权利要求6所述电子安防围栏，其特征在于：上述信号处理器计算扰动位置是根据初始调频连续波信号和反射调频连续波信号的差频计算出来的。

8.如权利要求1所述电子安防围栏，其特征在于：使用者发出编码信号沿着上述传输线返回到上述接收器。

9.如权利要求8所述电子安防围栏，其特征在于：上述信号处理器经过编程解码上述编码信号，并在接收到上述反射信号后计算出扰动位置。

10.如权利要求1所述电子安防围栏，其特征在于：人或动物触动传输导线引起传输线阻抗失配。