KR20120057505A - 침입위치 결정능력을 갖는 전송라인 기반 전기펜스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 보안 펜스를 제공한다. 전기신호 생성기는 초기 전기신호를 생성한다. 생성된 초기 전기신호는 전송라인을 통해 송신된다. 전송라인은 방해 영역에서 인간이나 동물의 존재에 의해 방해를 받으면 반사 전기신호를 생성한다. 수신기는 반사된 전기신호를 수신하여 신호 처리부로 보낸다. 바람직한 실시예에서, 신호 처리부는 반사신호가 방해영역으로부터 이동하는데 필요한 시간량을 결정함으로써 방해 영역의 위치를 산출한다. 다른 바람직한 실시예에서, 신호 처리부는 초기 주파수 변환 연속파 신호와 반사된 주파수 변환 연속파 신호 사이의 주파수 차를 결정함으로써 방해 영역의 위치를 산출한다. 다른 바람직한 실시예에서, 전송 배선은 코딩된 통신 신호와 거리 정보를 감시 및 정보 송신을 위해 기지국에 송신하기 위해 이용된다.

Description

침입위치 결정능력을 갖는 전송라인 기반 전기펜스{Transmission line based electric fence with intrusion location ability}

본 발명은 보안 펜스에 관한 것으로, 특히 침입자의 위치를 결정할 수 있는 전기 보안 펜스에 관한 것이다.

전기펜스는 보안 목적과 동물 제어 목적을 위해 널리 사용되며, 또한 그렇게 알려져 있다. 종래의 전기펜스는 보호할 영역을 에워싸는 금속 와이어를 이용한다. 가장 흔한 종래 기술의 전기펜스는 단락 고전압 펄스를 생성하는 고전압 에너자이저를 포함한다. 이 고전압 에너자이저에 의해 발생되는 단락 고전압 펄스는 하나 이상의 금속 와이어가 터치되었을 때, 전기펜스를 형성하는 하나 이상의 금속 와이어를 타고 전달된다. 동물이나 침입자가 금속 와이어 중의 하나를 건드리면 금속 와이어와 대지 사이에 전기 경로가 형성된다. 이 전류는 1) 동물/침입자에게 전기적 쇼크를 주어 퇴치시키거나 또는 침입을 억제하고, 2) 단말기기에 의해 센싱되어, 보안요원이 관심을 끌 경보신호를 발한다.

많은 경우, 특히 전기펜스가 보안 목적으로 사용되는 경우 침입 위치에 대한 정보가 필요하거나 필수적이기까지 하다. 그러나 가장 흔한 전기펜스는 침입 위치를 알아낼 능력을 갖지 못한다. 종래 전기펜스가 침입 위치를 알기 위한 방법으로는 펜스 전체 길이를 짧은 구간들로 분할하는 방법이 있다. 각 구역은 그 자신의 단말기기를 가지므로 그 구역에 경보신호를 보낼 수 있다. 구역이 좁으면 좁을수록 침입 위치에 대한 정보는 더 정밀하다. 다소 효과적이기는 하지만 종래 기술의 구역 전기 보안 펜스는 매우 고가이며, 복잡한 배선과 복잡한 운영체제를 포함한다. 따라서, 보다 나은 전기 보안 펜스가 필요한 상황이다.

본 발명은 전기 보안 펜스를 제공하기 위한 것이다. 전기신호 생성기는 초기 전기신호를 생성한다. 생성된 초기 전기신호는 전송라인을 통해 송신된다. 전송라인은 방해 영역에서 인간이나 동물의 존재에 의해 방해를 받으면 반사 전기신호를 생성한다. 수신기는 반사된 전기신호를 수신하여 신호 처리부로 보낸다. 신호 처리부는 반사 전기 신호의 수신 후, 방해 영역의 위치를 계산한다. 바람직한 실시예에서, 신호 처리부는 반사신호가 방해영역으로부터 이동하는데 필요한 시간량을 결정함으로써 방해 영역의 위치를 산출한다. 다른 바람직한 실시예에서, 신호 처리부는 초기의 주파수 변환 연속파 신호와, 반사된 주파수 변환 연속파 신호 사이의 주파수 차를 결정함으로써 방해 영역의 위치를 산출한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 전송 배선은 코딩된 통신 신호와 거리 정보를 감시 및 정보 송신을 위해 기지국에 송신하기 위해 이용된다.

도 1은 벽에 설치된 바람직한 전송라인의 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 4a는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 4b는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 4c는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한 도면,
도 5는 검사된 프로토타입 오실로스코프 디스플레이를 도시한 도면.

도 1은 벽(9) 위에 설치된 전기 전기펜스(8)를 도시한 도면이다. 전기펜스(8)는 전송라인(10)을 포함한다. 전송라인(10)은 절연체(11)에 의해 지지된다. 반사된 전기 전송라인 신호들을 이용함으로써 전기펜스(8)는 수 미터 정도의 정밀도와 수십 킬로미터 범위까지 침입자의 위치를 결정할 수 있다.

바람직한 제 1 실시예

도 2에 도시된 바와 같이 전기펜스(8)는 전기펄스 송신기(12), 전송라인(10), 전기신호 수신기(13), 송신/수신 스위치(15) 및 신호 처리부(14)를 포함한다. 전기펄스 송신기(12)는 주어진 시간 간격으로 전송라인(10)에 단 펄스(short pulse)를 송신한다. 송신된 펄스는 단 펄스(정상적으로는 단일 사이클 또는 다중 사이클)로서 송신되는 것이 바람직하다. 임피던스 정합 부하(impedance matchged load)(16, 16b)는 도시된 바와 같이 전송라인(10)에 접속된다. 정상 동작 동안 전기펄스 송신기(12)에 의해 생성된 펄스는 전송라인(10)을 따라 전파되고, 임피던스 정합 부하(16)에 의해 전송라인의 단부에서 흡수된다. 경로를 따라서는 에너지가 반사되지 않으며, 전기신호 수신기(13)는 어떠한 신호도 수신하지 못할 것이다. 침입이 있는 경우에는 침입자가 전송라인(10)을 건드림으로써 전기신호 수신기(13)에 의해 반사 신호가 수신된다. 침입자에 의해 단지 전력의 일부만이 반사되기 때문에 임피던스 정합 부하(16, 16b)는 전기신호 수신기(13)와 침입 지점 사이 및 침입 지점과 전송라인(10)의 단부 사이에 다중 반사를 방지한다. 따라서, 하나 이상의 동시 침입을 검출할 수 있다.

임피던스 정합 부하(16, 16b)는 선택적임에 주목해야 한다. 전송라인(10)의 단부는 또한 단락되거나 개방될 수 있다. 전송라인(10)의 시작부분은 임피던스 정합 부하 없이 단말기기에 접속될 수 있다. 어떠한 경우에도 전송라인 단부로부터 반사가 고정될 것이며, 다중 반사가 있게 될 것이다. 따라서, 하나 이상의 동시 침입을 검출하기가 곤란하게 될 것이다.

침입자가 전기펜스를 오르려고 시도하면, 그는 필연적으로 전기펜스에 접근하여 전송라인(10)을 건드리거나, 전송라인(10)의 두 배선 사이의 거리를 변화시킬 것이다.

어떤 경우든, 전송라인(10)은 침입 지점에서 임피던스 부정합으로 빠져 나가게 될 것이다(도 2 참조). 이 임피던스 부정합은 전기 펄스의 일부분이 전기신호 수신기(13)로 되돌아 가도록 반사시킨다. 전기신호 수신기(13)가 반사신호를 수신하면, 전기신호 수신기(13)로부터 침입 거리(L은 거리)가 전송시간에 의해 계산될 수 있으며, 이에 따른 침입거리는 다음의 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서, C는 펄스의 전파 속도(3×10⁸m/s)이고, △t는 송신된 펄스와 수신된 반사 에너지 사이의 시간 간격이다.

신호 처리부(14)는 수신된 신호를 처리하여 필요할 때 경보를 출력한다. 바람직한 실시예에서, 신호 처리부(14)는 수신된 신호를 분석하여 어떤 종류의 방해인지, 즉, 우연한 접촉인지, 의도적인 침입이지, 배선의 단락인지에 대해 결정하도록 프로그램되어 있다.

전송라인(10)의 두 배선은 대지에 대해 대칭적이다. 따라서, 비록 침입자가 두 배선 중 하나만 건드리더라도 대칭구조가 영향을 받아 전송되는 에너지의 일부가 전기신호 수신기(13)에 다시 반사될 것이다. 침입은 검출될 것이며 상술한 바와 같이 침입위치를 알게 된다.

전송라인

도 2에 도시된 바와 같이 전송라인(10)은 2개의 전송배선을 포함하는 것이 바람직하다. 전송라인은 다음의 수학식 2에 의해 결정되는 특성 임피던스 Zo를 갖는 것이 바람직하다.

상기 수학식 2에서, D는 두 배선들의 축 사이의 거리이고, d는 배선의 직경이며, Zo의 단위는 오옴이다.

반사 계수의 식은 다음의 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서, Z_L은 침입지점의 실효 임피던스이고, Zo는 전송라인의 특성 임피던스이다.

Vo⁺를 갖는 전기펄스가 전송라인을 전파하면, 상기 전기펄스의 일부분이 침입지점에서 다음의 수학식 4와 같은 전압을 갖는 수신기로 반사된다.

전송라인(10)은 특성 임피던스 Zo와 같은 값을 갖는 부하 저항에 의해 종단된다.

프로토타입( prototype )

도 2에 도시된 실시예의 프로토 타입이 구축되고 검사된다. 게이지(17) 알루미늄 배선은 전송라인(10)으로부터 5cm 이격되어 설치된다. 배선 쌍의 특성 임피던스는 약 535오옴이다. 도 5는 사람이 손으로 전송라인(10)의 양 배선을 잡았을 때 야기되는 오실로스코프 디스플레이를 도시한 도면이다. 전기펄스 송신기(12)로부터 송신된 펄스는 15MHz의 단일 사이클의 펄스이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 전압 피크는 송신된 신호이고, 제 2 전압 피크는 수신된 신호이다. 이들 두 신호 사이의 시간은 약 7.6 × 200ns = 1520ns 이다. 따라서, 침입자의 거리는 전기신호 수신기(13)로부터 약 228m이다. 얻어지는 거리 해상도는 약 3m이다.

다른 바람직한 실시예

본 발명의 다른 바람직한 실시예는 도 3에 도시되어 있다. 도 3에서, 전기펜스(20)는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 레이더/센서 기술을 이용한다. 본 실시예에서, 신호원(22)은 FMCW 생성기이다. FMCW 신호는 임계회로(threshold circuit)(29)를 통해 전송라인(21)으로 전송된다. 정상 동작 동안 FMCW 신호원(22)에 의해 생성된 펄스는 전송라인(10)을 따라 전파되고, 임피던스 정합 부하(23)에 의해 전송라인의 단부에서 흡수된다. 경로를 따라서는 에너지가 반사되지 않으며, 수신기(24)는 어떠한 신호도 수신하지 못할 것이다. 침입자가 어떤 지점에서 전송라인(21)을 건드리면, 수신기(24)를 향해 FMCW 신호의 반사가 있을 것이다. 이 신호는 주파수 변조되기 때문에, 즉 시간에 따라 순간 주파수가 변화하기 때문에, 반사된 신호는 수신기(24)에서 앞선 신호와 만날 때 앞선 주파수와 다른 주파수를 갖는다. 수신기(24)는 두 신호를 주파수 혼합기(25)에 전달해 주며, 주파수 혼합기(25)는 두 신호의 차와 다른 고차 주파수 성분을 생성한다. 주파수 혼합기(25) 다음의 저역 통과 필터(26)는 단지 상이한 성분을 통과시킨다. 그리고, 필터링된 신호는 아날로그/디지털 컨버터(A/D 컨버터)(27)에서 변환된다. 신호 처리부(28)는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transforms, FFT)을 이용하여 디지털 신호의 주파수를 산출한다. 이 주파수로부터 침입 거리(L은 거리임)가 다음의 수학식 5에 따라 결정된다.

상기 수학식 5에서 C는 펄스의 전파 속도(3×10⁸m/s)이고, R은 주파수 변화율(Hz/s)이며, △f는 주파수 차이다.

예컨대, 주파수 변조는 마이크로 초 당 1KHz의 주파수가 변경되는 것이다. 반사된 복귀 신호가 송신기에 의해 발생된 새로운 신호와 2kHz의 주파수를 가지면, 침입 거리는 300m이다.

전송라인을 이용하여 신호를 기지국에 송신

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서는, 전송라인이 긴급신호를 기지국에 전달하고, 기지국에 신호 송신자의 위치를 공급하기 위해 사용된다. 이 펜스는 전송라인을 포함하고 있기 때문에 운영자는 전송라인을 이용하여 신호를 기지국에 송신할 수 있다. 예컨대, 순찰 중인 운영자가 원격지에서 펜스를 따라 순찰 중이다가 긴급 상황에 처하게 되면 정형화된 방식(즉, 모르스 부호)으로 전송라인(10)을 가볍게 툭툭 건드리거나, 지급된 장치(36)를 펜스의 배선들에 접속할 수 있다(도 4 참조). 지급된 장치(36)는 전송라인(10)을 따라 코딩된 메시지를 송신하고, 또한그 지점에서 임피던스 부정합이 발생하도록 두 배선들 사이의 임피던스를 야기시킨다. 코딩된 메시지와 반사된 신호는 상술한 바와 같이 기지국에 있는 모니터(56)를 통해 감시될 수 있다.

임피던스 정합 부하

상술한 바와 같이 임피던스 정합 부하를 생략할 수 있으며, 전기펜스(8)는 아직 유효하다. 예를 들면, 도 4b에서 임피던스 정합 부하(16b)(도 2 참조)는 생략된다. 이와 유사하게 도 4c에서, 임피던스 정합 부하(16b, 16)(도 2 참조)는 모두 생략될 수 있으며, 도시된 바와 같이 개방된다. 어느 경우든 전송라인(10)의 단부로부터 반사는 고정될 것이며, 다중 반사가 존재할 것이다. 따라서, 1 이상의 동시 침입을 검출하기가 곤란해질 것이다.

비록 상술한 바람직한 실시예가 특별하게 설명되었으나 당업자라면 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않고 상술한 특정 실시예에 많은 변경을 가할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예컨대, 비록 도 1은 고체 벽(9)의 상단에 설치된 전기펜스(8)를 보여주고 있으나, 전기펜스(8)는 벽돌 벽, 나무 펜스, 금속 배선 메쉬와 같은 다양한 펜스형의 기둥 또는 상단에 설치될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 전기펜스(8)는 스탠드 단독 전기펜스로서 설치될 수도 있다. 또한, 주변환경으로부터 전자기 간섭을 제거하기 위해 필터 망이 전송 라인 사이에 설치될 수도 있다. 또한, 두 배선 중의 하나만 침입자에 의해 건드려 졌을 경우의 임피던스 오정합을 향상시키기 위해 다른 하나의 배선은 단말기기의 접지에 연결할 수 있다. 단말기는 어느 배선이 접촉되었는지 전혀 모르기 때문에 두개의 배선이 스위치에 의해 차례로 접지될 수 있다. 상기 스위치는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것들과 같은 것으로 구성된다. 2개의 스위치는 다음의 방식으로 동작할 수 있다. 1. SW1 닫힘, SW2 열림, 2. SW1 열림, SW2 닫힘, 3. SW1과 SW2 모두 열림. 따라서, 첨부된 특허청구범위와 그들의 균등물이 발명의 범위를 결정하여야 한다.

10, 21 : 전송라인 12 : 전기펄스 송신기
13, 24 : 전기신호 수신기 14, 28 : 신호 처리부
15 : 송신/수신 스위치 16, 16b : 임피던스 정합 부하
22 : FMCW 신호원 25 : 주파수 혼합기
26 : 저역 통과 필터 27 : A/D 컨버터

Claims (11)

1. 초기 전기신호를 생성하는 전기신호 생성기;
   상기 전기신호 생성기에 의해 생성된 전기신호를 송신하고, 방해 영역에서 인간이나 동물의 존재에 의해 방해될 때 반사 전기신호를 생성하는 전송라인;
   상기 전송 라인이 인간이나 동물의 존재에 의해 방해될 때 상기 반사 전기신호를 수신하는 수신기; 및
   상기 반사 전기신호를 수신한 후 상기 방해 영역의 위치를 산출하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기신호 생성기는 전기 단 펄스 송신기이며, 상기 생성된 신호는 전기 펄스인 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 반사된 전기신호를 상기 수신기 및 상기 신호 처리부에 공급되도록 하는 송신/수신 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 인간이나 동물의 존재는 상기 전송라인에 부하 임피던스를 부가하여 상기 반사 신호를 야기시키는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전송라인은 2개의 대칭 전송 배선들을 포함하며, 상기 인간이나 동물의 존재는 상기 인간이나 동물에 의해 상기 전송 배선들 중의 하나 또는 둘을 물리적으로 건드리는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전송라인은 2개의 대칭 전송 배선들을 포함하며, 상기 인간이나 동물의 존재는 상기 대칭 전송 배선들 사이의 물리적 분리의 변경인 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는 상기 반사신호가 상기 방해 영역으로부터 이동하는데 필요한 시간량을 결정함으로써 상기 방해 영역의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기신호 생성기는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave)이며, 신호 처리부는 상기 방해 영역으로부터 상기 반사 신호가 이동하는데 필요한 시간량을 결정함으로써 상기 방해 영역의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 신호 처리부는 상기 초기 주파수 변조 연속파와 상기 반사된 주파수 변조 연속파 사이의 주파수 차를 결정함으로써 상기 방해 영역의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    사용자는 상기 전송라인을 따라 상기 수신기로 다시 코딩된 메시지를 송신하는 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 코딩된 메시지를 디코드하고, 상기 반사된 전기신호를 수신한 후 상기 방해 영역의 위치를 산출하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 전기 보안 펜스.

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