DE3789051T2

DE3789051T2 - Eindringmeldesystem.

Info

Publication number: DE3789051T2
Application number: DE87309833T
Authority: DE
Inventors: Walter J Feller; Melvin C Maki
Original assignee: Senstar Corp
Current assignee: Senstar Stellar Corp
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1987-11-06
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2007-11-07
Also published as: EP0272785A1; EP0272785B1; DE3789051D1; US4879544A; CA1280487C

Description

Die Erfindung betrifft ein Eindringmeldesystem und ein Verfahren des Meldens eines Eindringens.
Verschiedene Eindringmeldesysteme, welche Kabel benutzen, welches sich entlang der Begrenzung eines zu schützenden Gebietes erstrecken. US-A-4,091,367 lehrt den Gebrauch von einem Paar von streuenden Koaxialkabeln, welche im Boden vergraben sind und sich entlang solch einer Begrenzung erstrecken. Ein Sender liefert HF-Energie zu einem der streuenden Kabel, und ein Empfänger ist mit dem anderen verbunden. Das durch das sendende Kabel gebildete Feld steht in Verbindung mit dem empfangenden Kabel. Das resultierende Signal am Empfänger hat eine feste Komponente, bekannt als "Profil" zuzüglich einer variablen Komponente, welche durch irgendeine Änderung in der empfangenden Energie gebildet ist, welche aus der Präsenz eines Eindringlings oder eines Zieles herrührt. Ein Signalprozessor am Empfänger trennt das Profil und die Zielsignale, vergleicht das Zielsignal mit einer Schwelle und löst einen Alarm aus. Wenn eine gepulste Sendung genutzt wird, kann der Ort des Zieles entlang der Länge des Kabelpaares bestimmt werden durch das Zeitverhalten der Rückimpulse wie in einem konventionellen Radar.
Systeme dieses Typs benutzen häufig speziell entwickelte streuende Kabel eines Typs, wie in US-A-4,300,338 beschrieben. Um eine gleichmäßige Empfindlichkeit auf Ziele, welche entlang der Länge erscheinen, zu erzeugen, sind die Kabel gebräuchlicherweise abgestuft, welches bedeutet, daß die Öffnungsgröße im äußeren Leiter des Kabels entlang seiner Länge variiert, so daß die Kabelkopplung proportional zur Signaldämpfung im Kabel ansteigt. Solche eine Abstufung ist genutzt, wenn das sendende und empfangende Ende der Kabel aneinander anliegen (genannt gegenläufig), so daß der Gesamtsignalpfad zu und vom Ziel ansteigt, wie das Ziel sich entlang des Kabels weg vom Sender und Empfänger bewegt. Mit dem Sender und Empfänger an entgegengesetzten Enden dieser Kabel (genannt gleichläufig) ist eine Abstufung nicht notwendig für eine gleichmäßige Empfindlichkeit, da der gesamte Signalweg immer eine konstante Entfernung für jeglichen Zielort ist. Eine Abstufung kann gebraucht werden für andere Gründe, z. B. um Umgrenzungsvariationen im Kabel-Antennensystem zu kompensieren, oder um den Missionslevel unter einer vorgeschriebenen Grenze zu halten.
Typische Betriebsfrequenzen für solche Systeme liegen in einem Bereich von 30 bis 100 MHz. Dieser Bereich ist gewählt, da er in der Größe der Resonanzfrequenz eines menschlichen Eindringlings liegt und damit inherent eine Abgrenzung gegen kleinere Tiere zur Verfügung stellt. Auch ist die Frequenz zum einen niedrig genug für geringe Koaxialkabel-Dämpfungsverluste und auf der anderen Seite hoch genug, daß die streuenden Kabel effizient genug zu und von ihrer Umgebung koppeln. Andere Frequenzen können benutzt werden, wenn unterschiedliche Objekte zu detektieren sind.
Typischerweise sind die Kabel unter der Oberfläche vergraben, um das System verdeckt zu halten. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß Wechselwirkungen von unterschiedlichen Moden von elektromagnetischer Ausbreitung weitgehend vermieden sind, da der Erdboden dämpfend wirkt. Es ist bekannt für streuende Kabel in der Luft, daß diese wechselwirkenden Moden eine "Modelöschung" erzeugen können, oder stehende Wellen, welche eine ungleichmäßige Empfindlichkeit auf Ziele in Abhängigkeit von der Entfernung entlang der Kabellänge erzeugen. US-A-4,328,487 und 4,536,752 zeigen eine andere Form eines Eindringmeldesystems, in welchem ein Koaxialkabel mit einer verteilten Antenne versehen ist, welche die Strahlung nach außen richtet. Dieses System ist auf einem Zaun montiert, und Richtungselemente sind genutzt, um das Strahlungsmuster weg vom Zaun zu richten. Jeder Eindringling reflektiert Mikrowellenenergie zurück auf die Antennen, welche auch zum Empfang genutzt werden mit einem Dopplerdetektor, positioniert am entgegengesetzten Ende des Kabels vom Sender.
US-A 3,947,834 (Gershberg) zeigt ein streuendes Kabelsystem, welches bei Mikrowellenfrequenzen arbeitet und ein Spezialkabel mit regelmäßig angeordneten Spalten benutzt, welche einen Strahlungsenergiefluß senkrecht zum Kabel erzeugen. Zuzüglich zu der senkrecht zum Kabel gerichteten Strahlung beschreibt Gershberg die Generierung einer Oberflächenwelle, welche entlang der äußeren Oberfläche des Kabels verläuft und mit der Innenseite des Kabels durch die verteilten Spalten gekoppelt ist. Um unerwünschte Variationen in dieser Oberflächenwelle zu vermeiden in Bezug auf Wechselwirkungen zwischen der Energie von unterschiedlichen Anordnungen von Spalten, ist eine besondere Spaltenanordnung beschrieben (Spalten 5, Zeilen bis 51). Das System benutzt den Dopplereffekt, welcher durch die Reflexion von zu meldenden Zielen gezeigt wird.
Die vorliegende Erfindung benutzt ähnliche Wellen, die entlang des äußeren Leiters eines Koaxialkabels oder entlang eines einfachen Leiters sich ausbreiten. Solche Wellen sind ähnlich zu denen, erzeugt von den Öffnungen eines streuenden Koaxialkabels, jedoch ohne den Nachteil von Wechselwirkungen zwischen diesen, wie oben erwähnt. Der Gebrauch von solchen Wellen für Kommunikationszwecke ist in US-A-3,829,727 (Delogne) dargestellt. Eine der frühen Nutzungen von streuenden Kabeln waren Minen- und Tunnelkommunikationen, wo das Feld um das Kabel herum räumlich ununterbrochene Kommunikationen, typischerweise zwischen Handsenderempfängern oder Senderempfängern und einer Basisstation erlauben. Als eine Alternative zu streuenden Koaxialkabeln lehrt Delogne den Gebrauch von passiven Elementen, genannt Modenkonverter. Dieses sind Vorrichtungen, welche in normale nicht-streuende Koaxialleitungen eingesetzt werden können und welche einiges von der Energie zwischen dem Kabel inneren und dem -äußeren koppeln. Sie haben den Vorteil von größerer Effizienz als die streuenden Kabel, jedoch besitzen sie den Nachteil, unwirtschaftlicher zu werden in Abhängigkeit von der benötigten Menge, wenn die Abstände zwischen den Konvertern zu schmal werden. Die Abstände sind abhängig von der Dämpfung der Moden der Fortpflanzung außerhalb des Kabels, welche typischerweise zwischen 1 dB pro 30 m (100 Fuß) für Kabel in Luft zu 1 dB pro 30 cm (1 Fuß) für eingegrabene Kabel variiert. Zur Veranschaulichung sind Abstände in der Luft von ungefähr 90 m (300 Fuß) möglich, während bei der Nutzung von eingegrabenen Kabeln im Boden die Kosten ziemlich prohibitiv sind. Minenumgebungen tendieren auch dazu, variabel bezüglich der Materialien und Konstruktionen zu sein, und die davon abhängige Dämpfung ist variabel, wodurch die Installation von Modenkonvertern schwierig wird und in einigen nicht-sensitiven Gebieten resultiert.
Wie von Delogne gelehrt, können zwei Typen von Wellen außerhalb der Koaxialkabel generiert werden, einer, welcher sich radial von der Quelle aus ausbreitet und der andere, welcher entlang der äußeren Oberfläche des Kabels geführt ist. Es ist dieser zweite Typ von Welle, welcher in der vorliegenden Erfindung genutzt wird zur Beobachtung oder Eindringungsmeldung. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann ein reguläres Koaxialkabel nutzen mit verteilten Wellenkopplungsvorrichtungen im Gegensatz zu den streuenden Koaxialkabeln. Die Funktion von jedem dieser Vorrichtungen, im nachhinein CWD genannt, liegt darin, HF-Energie effizient von einem Sendemode im Kabel zu einem geführten Mode entlang der Umgebung des Kabels zu transferieren mit einer minimalen unerwünschten Reflexion oder Übertragungsverlusten.
Es ist bekannt, Oberflächenwellen oder "Goubau"-Wellen zur Detektierung oder Kommunikation zu nutzen. Beispielsweise beschreibt US-A-4,401,980 ein System zur Eindringungsmeldung, welches ein verdrilltes Kabelpaar benutzt. Typische Systeme, welche Goubau-Wellen benutzen, sind so konstruiert, daß der größte Teil des Feldes beinhaltet und geführt ist durch einen dicken, dielektrisch beschichteten Leiter. Die praktische untere Frequenzgrenze für Goubauleitungen ist 50 MHz. Dieser Systemtyp hat Probleme mit Feuchtigkeit und Schmutzkontamination der elektrischen Oberfläche; welche z. B. die Leitungsdämpfung ändern kann. Dies macht gewöhnlicherweise einen umfangreichen Schutzmantel für das Dielektrikum notwendig.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Eindringmeldesystem zur Verfügung mit folgenden Merkmalen: einen Leiter im Abstand vom Boden, der sich zwischen einem Paar von Wellenkoppelvorrichtungen erstreckt; mindestens eine der genannten Wellenkoppelvorrichtungen sind verschiebbar entlang dem Leiter um die Länge des Leiters zwischen ihm zu variieren; ein Sender einschließlich einer HF- Energiequelle; erstens Mittel zum Verbinden des Senders mit einem der Wellenkoppelvorrichtungen; einem Empfänger einschließlich signalverarbeitenden Mitteln und zweitens Mitteln zur Verbindung des anderen der Wellenkoppelvorrichtungen mit dem Empfänger; wobei Ziele in der Nähe des Leiters die Kopplung zwischen den Wellenkoppelvorrichtungen ändern und die Änderung durch die signalverarbeitenden Mittel detektiert werden. Der Sender kann gebildet werden durch einen Oszillator, der an einem Ende des Leiters positioniert ist, und der Empfänger kann mit der Wellenkoppelvorrichtung am entgegengesetzten Ende verbunden sein.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Methode zum Melden des Eindringens durch Benutzung eines Leiters, welcher sich entlang einer Begrenzung erstreckt mit folgenden Verfahrensschritten: Positionierung eines Paars von Wellenkoppelvorrichtungen im Abstand voneinander an einem Leiter; mindestens eine der genannten Wellenkoppelvorrichtungen ist verschiebbar entlang des Leiters zum Auswählen der Länge des Leiters, welche zwischen ihnen sich erstreckt; zur Verfügungstellung von HF-Energie für einen der Wellenkoppelvorrichtungen, wobei gerichtete Wellen abgestrahlt werden, um entlang des äußeren des Leiters zu verlaufen; und Verbindung des anderen der Wellenkoppelvorrichtungen mit einem Empfänger, wobei Änderungen in der empfangenen Energie von der gerichteten Welle die Anwesenheit eines Eindringlings anzeigen.
Allgemein arbeitet das System bei Frequenzen ähnlich jenen der streuenden Koaxialkabelsysteme, solche Frequenzen werden ausgewählt in Abhängigkeit von dem Objekt, welches detektiert werden soll, Sensorkopplungs- und Dämpfungscharakteristiken, dem Anbringungsort des Sensors und Genehmigung des Spektrums.
Verschiedene Ausführungen der Erfindung werden nun beschrieben in Verbindung mit den entsprechenden Figuren, die folgendes darstellen:
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Meldesystems, welches zwei Kabel benutzt mit entfernt Wellenkoppelvorrichtungen; Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Antwort auf einen Eindringling durch ein System ähnlich zu dem in Fig. 1 dargestellten;
Fig. 3 zeigt verschiedene Formen von Wellenkoppelvorrichtungen, die in dem System dieser Erfindung nutzbar sind;
Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm von verschiedenen Konfigurationen von Kabelpaaren einschließlich dem Gebrauch eines streuenden Koaxialkabels in dem Paar;
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausstattung, welche ein einzelnes Kabel in Verbindung mit einer zentral angeordneten Antenne benutzt;
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung, welche ein einzelnes Kabel mit entfernt Wellenkoppelvorrichtungen benutzt;
Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung, welche ebenfalls ein einzelnes Kabel benutzt; und
Fig. 8 zeigt einen Graph, in dem die Impulsantwortzeit gegen die Entfernung aufgetragen ist beim Impulsbetrieb des Systems dieser Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Fig. 1 zeigt ein Eindringmeldesystem mit sendenden und empfangenden Kabeln 10, 11, wobei beide über dem Boden angeordnet sind und von nicht-leitenden Posten 12 gestützt werden. In Abständen entlang dem sendenden und empfangenden Kabel sind Wellenkoppelvorrichtungen (CWDs) 13 vorgesehen, welche die Funktion der Konvertierung eines Teils der Energie zwischen der normalen TEM-Welle in dem Koaxialkabel und einer externen oder Oberflächenwelle durchführen, welche sich entlang eines äußeren Schutzes des Kabels ausbreitet. Die Strukturenfunktion der CWDs ist weiter unten in Verbindungen mit der Fig. 3 diskutiert. Jedes der Kabel 10 und 11 ist abgeschlossen mit einer angepaßten Impedanz 16.
Ein HF-Senderempfänger 14 ist mit den Kabeln verbunden und arbeitet typischerweise im Bereich von 30-100 MHz. Das System kann mit gepulsten oder C.W.-Signalen arbeiten. Synchrones Erfassen kann benutzt werden, um das Signal zu Rauschverhältnis zu steigern. Die entlang des sendenden Kabels 10 angeordneten CWDs dienen dazu, gekoppelte Wellen auszusenden, welche durch die äußere koaxiale Oberfläche des Kabels 10 geführt werden. Wenn das Ziel im Erfassungsbereich der Leitungen erscheint, wird die vom Ziel reflektierte Energie, geführt vom empfangenen Kabel 11, abgefangen durch ein CWD in diesem Kabel und intern zurück entlang des Kabels 11 zum Senderempfänger geführt. Es wird dann im Prozessor 15 verarbeitet, um es zu lokalisieren und das Ziel bewertet, wie es in den oben diskutierten Patenten beschrieben ist.
Es ist zu bemerken, daß dieses System keinen Gebrauch von streuenden Kabeln nimmt. Der primäre Vorteil von diesem System gegenüber den bekannten Systemen, welche streuende Kabel benutzen, ist die klare und effiziente Trennung von fortschreitenden Moden innerhalb und außerhalb der koaxialen Kabel. Der einzige Energieaustausch zwischen den Moden findet an den verteilten CWD-Orten statt. Es gibt also keine schädlichen Wechselwirkungen entlang der Leitung und daraus resultierende Verluste an Transmissionsleistung wie bei streuenden Koaxialkabelsystemen, wenn sie in der Luft gebraucht werden. Alle Moden außerhalb des Kabels bleiben annähernd in Phase, während sie sich in Luft ausbreiten, haben sie nahezu die gleiche Geschwindigkeit wie Licht im freien Raum. Als Ergebnis hiervon sind nahezu alle parallelen Metalleiter, welche in Luftsystemen mit streuenden Koaxialkabel Probleme produzieren, in diesem System kein Problem.
Ein zweiter Vorteil dieses Systems ist die Betriebsleistung. Kleine Verluste entstehen in der Umgebung, und die Elemente, welche genutzt werden, besitzen geringe Verluste resultierend aus der Anforderung für nur geringere Leistungsniveaus oder der Vermeidung von langen Distanzen zwischen Senderempfängern oder Verstärkern.
Da die vom Sender ausgesandten Wellen in der entgegengesetzten Richtung verlaufen wie die Wellen, die zum Empfänger gehen, nennt man dieses System gegenläufig. Ein Nachteil eines gegenläufigen Systemes ist, daß irgendeine Form der Abstufung normalerweise notwendig ist, da die durch die CWDs emittierten Felder entlang der Leitung weg von den Vorrichtungen mit Dämpfungsraten der externen Moden oder Moden der Kabel abnehmen. Dies resultiert in einer Sägezahnvariation in der Empfindlichkeit mit der Entfernung entlang dem Kabel, welche zwischen den individuellen CWDs beobachtet wird als Feldabschwächung, und wobei dann ein frisches Signal ausgesendet wird. Dies kann tatsächlich gesehen werden als eine Form von Stufenabschwächung.
Eine andere Konsequenz von einem CWD-System ist, daß ein großes reflektierendes oder absorbierendes Hindernis sehr nahe an den Kabeln das stationäre Feld über das verbleibende Segment zwischen den CWDs schwächen kann, wodurch die Detektionszonenlänge beschränkt wird. Mit streuenden Kabelsystemen ist die Empfindlichkeit effektiv kontinuierlich erneuert durch nahe aneinander angeordnete Durchlässe, so daß minimale Abschattung oder Totzonen in der Nähe von festen Hindernissen beobachtet werden.
Der Graph von Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von einem Eindringmeldesystem mit zwei parallelen 75 Ω, 6,78 mm (0,267") Durchmesser Koaxialkabeln. Die Kabel waren 61 m (200') lang, 1,52 m (5') horizontal voneinander entfernt und jedes in 1,22 m (4') Höhe über einem Sandtestbett angeordnet. Ein CWD wurde im Mittelpunkt jeder Leitung befestigt. Jedes CWD war ein LC-Typ Konverter, ausgelegt für ein mittleres Q (oder Empfindlichkeit) bei einer Frequenz von 60 MHz. Die koaxialen Leitungen wurden abgeschlossen in angepaßten Impedanzen, und oberflächenwellen-abschwächende Ferritwulste wurden verteilt auf Einführungsöffnungen und an den Kabelenden, um spurenweise Kopplungspfade zu vermeiden. Fig. 2 zeigt die Größenordnung der empfangenen Signaländerung mit dem entfernten festen Profil, wenn ein 77,1 kg (170 lb.)-Mann in der Mitte zwischen den Kabeln vom Anfang bis zum Ende läuft. Es ist zu bemerken, daß die Empfindlichkeit relativ gleichmäßig ist mit der Distanz schrittweise entlang der Weglänge weg von dem CWD abnimmt, entsprechend der externen Modendämpfung mit einer überlagerten Welligkeit. Zum Vergleich sollte angemerkt werden, daß ein Paar von ungestuften streuenden Koaxialkabeln in der gleichen Konfiguration eine Variation von einer großen Spitze bis Nullempfindlichkeit zeigt, erzeugt durch die Wechselwirkung koaxialer und äußerer Moden für die Kabel.
Typische gebräuchliche Formen von CWDs in dieser Erfindung sind in der Fig. 3 gezeigt. Die Funktion dieser CWDs ist das Abstrahlen oder Empfangen von HF-Wellen in Luft oder ähnliche niedrigverlustige Medien, die Wellen werden geführt durch den äußeren Schutz eines Koaxialkabels oder andere längliche Leiter.
Fig. 3(a) zeigt abgestimmte LC-Konfigurationen, die besonders vorteilhaft gefunden werden. Beide Ausgestaltungen haben niedrige Einfügungsverluste und gute impedanzanpassende Fähigkeiten, wenn sie sorgfältig abgestimmt werden. Durch Variation des Q-Faktors kann die Kopplung auf die externe Mode geändert werden. Dies bedeutet, daß die Vorrichtungen auf unterschiedliche Empfindlichkeiten eingestellt werden können, um Kabelverluste zu kompensieren, so daß das Gesamtsystem die gleiche Empfindlichkeit haben kann. Dieser CWD-Schaltkreis ist frequenzselektiv, was dazu hilft, Interferenzen zu reduzieren und die Rauschzahl des Systems zu verbessern. Die Bandbreite variiert invers mit dem Q-Faktor. Die Kondensatoren können mit d.c. -Bypassdrosseln versehen werden, wie es in Fig. 3(b) gezeigt ist, um die Leitung für Kommunikation mit anderen Frequenzen oder zur Stromversorgung über die Leitung zu benutzen.
Fig. 3(c) zeigt breitbandige induktive CWDs, welche über einen weiten Bereich von Frequenzen betrieben werden können, und alle Frequenzen bis hinunter zu d.c. (Gleichstrom) zu betreiben sind. Dies erlaubt den Betrieb von Breitbandsensoren, jedoch hat es im Ergebnis den Nachteil des Anstiegs von möglichen Interferenzen. Die Ausgestaltung mit den der Länge nach verbundenen Drosselspulen hat Kennwerte, welche durch die Änderung des Windungsverhältnisses N&sub1;/N&sub2; variieren. Diese Ausführung resultiert typischerweise in einer Vorrichtung, welche entweder gute koaxiale Transmission und schlechte externe Transmission oder gute externe Transmission mit großen koaxialen Verlusten besitzt. Ein großer Reflexionskoeffizient an der externen Mode ergibt Interferenzmuster an der externen Mode, welche Gebiete schlechter Detektion erzeugen. Diese Ausgestaltung erlaubt allen Frequenzen, bis hinunter zum Gleichstrom zu passieren.
Beim Entwurf mit CWDs vom Typ wie in Fig. 3(c) mit den Umwandlern über die Koaxleiter treten die folgenden Überlegungen zutage: erstens, der Koaxtransmissionsverlust ist ungefähr 6 dB und zweitens, Koaxreflexionen sind größer als die externen Kopplungen, und die Transmission ist gering über die CWDs. Diese Ausgestaltung benutzt vorzugsweise ferritumwundene Transformer, um hohe Kopplung zu erreichen.
Fig. 3(d) zeigt ein einfaches Spalt-CWD. Dieser Typ hat große Reflexionen im Koaxialmode mit schlechtem Transmissionskoeffizient zur Folge. Jedoch benötigt er keine physische Verbindung zum Zentralleiter.
Aus den vorhergegangenen Paragraphen geht klar hervor, daß viele Variationen in der Struktur der CWDs möglich sind. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, eine Welle auf der Außenfläche eines Kabels von einem anderen Kabel zu starten. Dies kann nur durch induktive oder kapazitive Kopplung zu der äußeren Abschirmung des Kabels erreicht werden, um die Welle ohne Störung mit der inneren koaxialen Mode zu führen. Fig. 3(e) zeigt Konfigurationen zur Kopplung von HF-Energie mit der äußeren Abschirmung eines koaxialen oder Vielleiterkabels ohne Störung irgendeiner Mode, welche sich im Inneren der Kabelabschirmung ausbreitet. Beide, die induktive und die kapazitive Kopplungskonfiguration, sind gezeigt, die kapazitive Konfiguration benutzt ein Paar von konzentrischen Kondensatoren.
In einer weitergehenden Ausführung dieses Konzeptes kann HF-Energie mit einem einzelnen Leiter gekoppelt werden, im Gegensatz zu einem Koaxialkabel, um sich hier entlang auszubreiten. Fig. 3(f) zeigt Beispiele von CWDs für diesen Zweck.
Zurückkehrend zu dem über alles sensierenden System in der Ausführung von Fig. 1 sind der Sender und Empfänger an benachbarten Enden des Kabels angebracht. Während dies ein Vorteil in Bezug auf die Benutzung von kompakter Ausrüstung ist, kann ein anderer Vorteil erreicht werden, wenn der Empfänger mit dem Ende des Kabels 11 verbunden ist, welches entgegengesetzt zu dem benachbarten Ende der Senderverbindung des Kabels 10 ist. Diese modifizierte Anordnung stellt eine konstante Pfaddistanz für alle empfangenen Kopplungen vom Ziel zur Verfügung und erübrigt die Abstufung des Kabels. Der Ausdruck "Abstufung" ist hier genutzt, um die in die CWDs eingebauten Variationen zu beschreiben, die so gestaltet sind, daß das mit der Abschirmung gekoppelte HF-Signal mit seiner Position entlang der Kabellänge variiert ist. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um die Empfindlichkeit konstant zu halten oder die externe Emission zu kontrollieren.
Das heißt also, für gegenläufiges Erfassen (die Situation von Fig. 1) wird die Abstufung erreicht durch Erhöhung der Sensibilität der CWDs sequentiell entlang der Kabel, um hiermit die Verluste sowohl des CWD als auch der Koaxialleitung in Betracht zu ziehen. Diese beiden Verluste sind relativ gering, da nicht-streuende Koaxialkabel eine sehr geringe Dämpfung besitzen und CWDs so gestaltet werden können, daß sie minimale Reflexions- und Transmissionsverluste besitzen.
Die Wellenkoppelvorrichtungen sind inherent bidirektional und verbreiten Oberflächenwellen in beide Richtungen entlang der Leitung, und in der Umkehrung empfangen sie aus beiden Richtungen entlang der Leitung. Dies hat den Vorteil, daß ein einzelnes CWD eine lange Distanz entlang des Kabels nach beiden Seiten von seiner physikalischen Position abdecken kann. In einigen Situationen kann diese Eigenschaft ein Nachteil sein, entweder durch die Produktion von unerwünschter Empfindlichkeit entlang der Zuführungskabeln oder in Fällen von Interferenzen zwischen den Sequenten. Um eine Detektion nur in eine Richtung entlang des Kabels zu erreichen, kann eine Ausrichtung erreicht werden durch die Nutzung eines Paars von CWDs, die ungefähr in. λ&sub0;/4-Entfernung voneinander angebracht werden, wie es in US-A-3,829,767 (Delogne) gezeigt ist, wobei λ&sub0; die Wellenlänge im freien Raum darstellt. Dies ermöglicht die Löschung der rückwärts wandernden Welle, welche beim ersten CWD gestartet ist durch die rückwärts wandernde Welle aus der zweiten CWD. Der Abstand ist so gewählt, daß die totale Pfadlänge (Phase) von der ersten CWD durch das Kabel und zurück entlang der externen Mode 180º ist (das ist &sub0;/2) Obwohl die beiden Geschwindigkeiten unterschiedlich sein können, wird der Mittelwert von beiden genutzt, um die Länge zu bestimmen.
Eine alternative Methode zur Erreichung einer teilweisen Gerichtetheit ist die Benutzung eines offen gestalteten Stumpf es, verbunden mit der entgegengesetzten Seite von dem CWD. Dieser Stumpf bewirkt, wenn er in einer Länge von λ&sub0;/4 gewählt wird, einen Reflexionskoeffizienten von -1 am CWD. Das Signal an dem Stumpf wird vorwärts reflektiert und zu dem vorwärts wandernden Signal hinzugefügt, der Kopplungskoeffizient der vorwärts gerichteten Mode ist -1 mal den für die rückwärts laufende Mode.
In einer alternativen Ausführung können beide, das sendende und das empfangene Kabel, aus Fig. 1 modifiziert werden unter Benutzung solcher CWD-Paare, was zu einem Anstieg an Gerichtetheit zwischen 20 und 30 dB führt. Ein Anstieg an Empfindlichkeit wird auch erreicht durch die Hinzufügung von rückwärts und vorwärts laufenden Wellen.
Verschieden Konfigurationen der sendenden und empfangenden Kabel sind möglich. Es ist anzumerken, daß die Konfiguration des benutzten Systems für die Testresultate, die in Fig. 2 gezeigt sind, sich von der aus Fig. 1 darin unterscheidet, daß die Kabel in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angebracht wurden im Gegensatz zu der gemeinsamen vertikalen Ebene, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 4(a) und 4(b) zeigen die resultierende Meldezone 40 - gestrichelte Schraffur - für diese beiden Anordnungen.
Die Fig. 4(c) und 4(d) zeigen weitere alternative Ausführungsformen durch die Benutzung einer Hybridkonfiguration mit einem Übergrundkabel ausgerüstet mit CWDs, welches in Verbindung mit einem eingegrabenen streuenden Koaxialkabel arbeitet. Diese Konfiguration hat den Vorteil einer teilweise verdeckten Meldezone, welche relativ groß sein kann. Fig. 4(c) zeigt ebenfalls eine Möglichkeit der Installation, wobei die Kabel an einem schlecht leitenden Abstandshalter, angebracht an einem Schutzzaun, montiert sind, welches die Montagekosten reduziert.
Fig. 5 zeigt den Gebrauch einer zentral angeordneten Antenne mit mindestens einem Kabel 72, um eine Begrenzung ähnlich zu der antennen-streuenden Kabelkombination, gezeigt in US-A-4,419,659. Das Kabel 72 wird von Pfosten 73 gestützt und hat eine, begründet durch ein CWD 74 und geleitet durch seinen äußeren Leiter. Das Kabel ist abgeschlossen bei 75, und ein Senderempfängerprozessor 76 ist gekoppelt mit dem CWD 74 und der Antenne 71. Diese Konfiguration erlaubt sowohl die Perimeterdetektion entlang des Kabels als auch eine Detektion über die Antenne.
Eine alternative Ausführung eines Eindringmeldesystems, welches ein einzelnes Kabel nutzt, ist in Fig. 6 gezeigt. Das Kabel 50 ist verbunden mit einem Senderempfängerprozessor 52 durch Mittel, wie z. B. ein Richtungskoppler 51, Verteiler oder ähnlichem. Der Richtungskoppler ist eine bekannte Vorrichtung, welche rückwärts laufende Wellen von vorwärts laufenden Wellen trennt. Durch diese Methode wird das reflektierte Signal, welches sich vorwärts auf den Empfängersender bewegt, getrennt von dem ausgesandten Signal, welches sich weg vom Senderempfänger bewegt. Ein ausrichtendes Paar 53 von CWDs ist dem Senderempfängerende benachbart angeordnet, und weitere Paare sind entlang des Kabels wie benötigt angebracht. Als eine Alternative für den Gebrauch des ausrichtenden Paares ist es möglich, ein einzelnes CWD und einen offen verdrahteten Stumpf zu benutzen, wie vor erwähnt. Das ausrichtende Paar ist nicht ein wesentliches Merkmal des Systems, und ein einzelnes CWD kann benutzt werden.
Ein ausgesendetes HF-Signal, welches vom Senderempfänger 52 das Koaxialkabel 50 hinuntergeschickt wird, ist über die CWDs 53 gekoppelt auf die äußere Oberfläche des Koaxialkabels und auf jegliche Transmissionsleitungen, gebildet durch die äußere Leiteroberfläche des Koaxialkabels und Nahezuleiter, wie z. B. der Boden.
Jeder Eindringling bedingt eine lokale Änderung in diesen Transmissionsleitungen und erzeugt ein reflektiertes Signal. Dieses reflektierte Signal ist dann zurückgekoppelt in das koaxiale Kabel über die CWDs und läuft zurück auf den Senderempfänger. Der Richtungskoppler 51 in dem koaxialen Kabel trennt das empfangene Signal, welches dann über eine separate Leitung zum Empfängereingang des Senderempfängers geleitet wird. Das Empfangssignal wird dann verarbeitet, um abzuschätzen, ob ein Eindringen stattgefunden hat, und wenn dies der Fall ist, wird der Alarm 55 aktiviert.
Aufgrund der inherent hohen Empfindlichkeit der CWDs wurden Zielempfindlichkeiten von -55 dB relativ zum Eingang erreicht. Dies ist zu vergleichen mit -80 bis -100 dB aus Paaren von streuenden Kabeln in der gleichen Umgebung.
Bei sauberer Konstruktion und guter Anpassung hat die Leitung 50 ein Profil, welches primär durch die Koaxialreflexion an den CWDs bedingt ist, was wiederum eine Funktion von ihrem Q ist. Ein ausrichtendes Paar von identischen CWDs produziert jedoch zwei Profilquellen von ungefähr der gleichen Größenordnung, jedoch unterschiedlicher Phase. Daher kann die räumliche Anordnung und die Qs der CWDs optimiert werden, um das Profil zu reduzieren, bevor das Rücksignal den Senderempfänger erreicht. Als Verdeutlichung, durch Anwendung dieser Methode, wurde das Profil für das System reduziert von -12 dB auf -34 dB relativ zum Eingang. Der räumliche Abstand der CWDs zur Reduktion ihres Profilbeitrags ist typischerweise ein Viertel der Wellenlänge der Koaxialmode. Das heißt also, die Pfadlänge, in Grad angegeben, von einer CWD zur nächsten und zurück zur ersten ist 180º. Gebräuchlicherweise ist der Profilbeitrag oder Reflexionskoeffizient der CWDs in dem Paar identisch, so daß das reflektierte Signal von der ersten CWD gelöscht wird durch das reflektierte Signal von der zweiten, welches um 180º phasenverschoben ist zu der Zeit, in der es das erste CWD erreicht. Etwas Kompensation für die Transmissionskoeffizienten der CWDs kann auch erforderlich sein.
Testresultate aus dem System von Fig. 6 sind gut vergleichbar bezüglich der Meldecharakteristiken mit jenen aus dem System von Fig. 1. Die Empfindlichkeit auf Eindringlinge bis hinunter zum Bodenlevel ist ebenfalls erreicht worden.
Wie im vorhergehenden diskutiert, kann das Eindringmeldesystem die Anwesenheit von nahen parallelen Leitern, wie sie in typischen Umgebungen gefunden werden, tolerieren, da die Moden außerhalb des Kabels alle eine ähnliche Geschwindigkeit besitzen und die Koaxialmode gut abgeschirmt ist. Ein #10AWG-Kupferleiter, aufgehängt entlang der Koaxialkabeloberfläche zur Simulierung des Gebrauchs einer konventionellen "Kabel" -Unterstützung oder eines "Nachrichten"-Drahtes zeigte kleine Änderungen bei der Detektion. In einem streuenden Kabelsystem würde die Detektionsempfindlichkeit typischerweise durch die Kopplung zu diesem Leiter zerstört werden.
Zusätzliche parallele Leiter, angebracht in einigem Abstand, können dazu dienen, die Meldezone in gewünschter Weise zu streuen oder zu ändern, da sie Signalrückkehrpfade einsetzen und eine reduzierte Dämpfung besitzen. Tests haben eine starke Antwort auf Fußgängerziele entlang eines zweiten unverbundenen Kabels in einem Abstand von 1,52 m (5') gezeigt.
Wenn das System aus Fig. 6 durch Verbindung des Empfängers mit dem vom Sender entfernten Ende des Kabels umarrangiert wird, dann ist ein Richtungskoppler nicht notwendig und in der Tat das koaxiale Kabel selbst nicht länger benötigt in dem Teil zwischen Sender und Empfänger CWDs. Anstelle dessen wird ein einzelner Leiter die Funktion der Führung der externen Welle durchführen. Das Signal, welches das empfangende CWD erreicht, ist dann mit dem Empfänger durch das Koaxialkabel gekoppelt.
Eine Variation des Systems aus Fig. 6 ist gezeigt in Fig. 7. In dieser Ausführung ist das CWD 56 direkt gekoppelt mit der äußeren Abschirmung des Kabels am nächstgelegenen Ende, und ein anderes CWD 56 ist gekoppelt zwischen dem Kabelzentrum und dem äußeren Leiter des entfernten Endes. Das Kabel ist abgeschlossen durch eine angepaßte Last bei 58. Dies erlaubt dem Sender und Empfänger, nebeneinander angeordnet zu sein, während weiterhin der Vorteil eines gleichläufigen Sensors erhalten bleibt. In anderen Worten: Das ausgestrahlte Signal startet direkt auf der Außenseite der äußeren Abschirmung des Kabels, und das empfangene Signal am entfernten CWD läuft im koaxialen Mode in dem Kabel zurück.
Mit den koppelnden Typen von CWDs, welche keine mechanische Verbindung besitzen, ist es möglich, die CWDs entlang des Kabels oder umgekehrt zu bewegen. Dies ist nützlich für tragbare Sensoren, wo das Kabel aufgerollt ist, unter Lagerbedingungen oder bei längenvariablen Sensoren, oder für den Gebrauch von existierenden Kabeln oder Stromleitungen. Die Konfiguration von Fig. 7 ist adaptierbar für den Gebrauch als tragbarer Sensor mit einer entsprechenden Menge von Kabel 50, welches durch das CWD 56 von einer Kabelrolle gezogen wird, welche an einen Senderempfänger 52 angeschlossen ist oder mit ihm integriert ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist ein Oszillator am entfernten Ende mit einem assoziierten CWD ausgestattet, um eine Oberflächenwelle in Richtung des Empfängerendes zu starten. Der Oszillator wird mit Gleichstrom versorgt durch den zentralen Leiter des koaxialen Kabels oder durch eine andere äquivalente Strecke. Das Kabel 50 kann ein Koaxialkabel oder ein Mehrleiterkabel sein.
Die Entfernungsmessung kann durchgeführt werden, wie im Stand der Technik bekannt, durch Benutzung von HF- Pulstransmission und Orten des Ziels in der Entfernung von der Rundlaufzeit des empfangenden reflektierten Impulses. In dem Fall, daß ein System einige CWDs entlang des Kabels besitzt, wie es in Fig. 1 beispielsweise gezeigt ist, muß eine Toleranz hinzugefügt werden für die Tatsache, daß die Impulse typischerweise mit Kabelgeschwindigkeit vc - ungefähr 0,78 c innerhalb des Kabels - und mit ve - welches ungefähr der Lichtgeschwindigkeit c entspricht - im Außenbereich fortschreiten. Dadurch wird der Aufenthaltsort eines Zieles beispielsweise am Ende der ersten Zone durch Zeitmessung entweder durch die äußere Moden erste Zonenzeit d&sub1;/ve oder durch den Start von der zweiten Zone d&sub1;/vc bestimmt. Dies gibt eine Entfernungsmessung gegen die Zeitfunktion für mehrere Zonen, wie es in der Fig. 8 gezeigt ist, mit Zeitperioden ohne Rücksendung. Dies ist natürlich kein Problem, solange keine Entfernungslücken produziert werden. Normalerweise ist es dem Feld in jeder Zone nicht erlaubt, in andere Zonen überzulaufen, um mehrfache externe Pfade zu bedingen.
Andere mögliche Ausgestaltungen sind für den Fachmann ersichtlich. Beispielsweise andere Zwei-Leiter- oder Mehrfach-Leiter-Leitungen wie Doppelleitungen oder Dreifachkoaxialleiter können angewandt werden anstelle der Koaxialleitungen für den Sensor und mit geeigneten CWDs genutzt werden. Genauso wie das Bestimmen des Eindringens existieren andere Anwendungen der Vorrichtungen, z. B. Objektmeldung, Zählung, Fahrzeuggeschwindigkeiterfassung oder das Zurverfügungstellen einer sicheren Datenleitungsverbindung oder ähnlichem. Die Benutzung von Mehrfachkabeln wie in Kommunikationsanwendungen mit anderen Frequenzen sind ebenfalls möglich.
Somit wurde ein erprobtes Meldesystem beschrieben, welches preisgünstig herstellbar ist. Dies ist gegeben durch die Kabel, die standardungestuften kommerziellen CATV-Kabeln oder ähnlichem entsprechen. Keine speziellen streuenden Kabel oder Abstufung ist notwendig, jegliche "Abstufung", die gewünscht wird, findet an den CWDs selbst statt. Wachsende Sensorkosten sind den CWDs und ihren Verbindern zugeordnet in Abhängigkeit von der geforderten Auflösung. Dies sind niedrige Kostenpunkte, normalerweise werden nur zwei oder drei passive Komponenten benutzt. Ein Feldinstallationsverfahren kann definiert werden, welches ein präzises Anpassen des Sensors an das Feld erlaubt, um auf die lokalen Umgebungsbedingungen zu passen, einschließlich der Bestimmung der Platzierung und Empfindlichkeit der individuellen CWDs.

Claims

1. Ein Eindringmeldesystem mit folgenden Merkmalen:

einen Leiter im Abstand vom Boden, der sich zwischen einem Paar von Wellenkoppelvorrichtungen (56, 57) erstreckt;

mindestens eine der genannten Wellenkoppelvorrichtungen (56) sind verschiebbar entlang dem Leiter um die Länge des Leiters zwischen ihm zu variieren;

ein Sender (52) einschließlich einer HF-Energiequelle; erstens Mittel zum Verbinden des Senders mit einem der Wellenkoppelvorrichtungen (56, 57);

einem Empfänger (52) einschließlich signalverarbeitenden Mitteln und zweitens Mitteln zur Verbindung des anderen der Wellenkoppelvorrichtungen (57 oder 56) mit dem Empfänger (52);

wobei Ziele in der Nähe des Leiters die Kopplung zwischen den Wellenkoppelvorrichtungen (56, 57) ändern und die Änderung durch die signalverarbeitenden Mittel detektiert werden.

2. Das System aus Anspruch 1, wobei der Sender durch einen Oszillator gebildet wird, der an einem Ende des Leiters positioniert ist, und der Empfänger ist mit der Wellenkoppelvorrichtung an der entgegengesetzten Seite verbunden.

3. Eine Methode zum Melden des Eindringens durch Benutzung eines Leiters, welcher sich entlang einer Begrenzung erstreckt mit folgenden Verfahrensschritten:

Positionierung eines Paars von Wellenkoppelvorrichtungen (56, 57) im Abstand voneinander an einem Leiter;

mindestens eine der genannten Wellenkoppelvorrichtungen (56) ist verschiebbar entlang des Leiters zum Auswählen der Länge des Leiters, welche zwischen ihnen sich erstreckt; zur Verfügungstellung von HF-Energie für einen der Wellenkoppelvorrichtungen (56), wobei gerichtete Wellen abgestrahlt werden, um entlang des äußeren des Leiters zu verlaufen; und

Verbindung des anderen der Wellenkoppelvorrichtungen (56) mit einem Empfänger, wobei Änderungen in der empfangenen Energie von der gerichteten Welle die Anwesenheit eines Eindringlings anzeigen.