CEW武器系统及其相关方法
交叉参考的相关专利
本文件要求了由Abboud等人在2017年1月14日提交的题为“CEW武器系统和相关方法”的美国临时专利申请62/446368的申请日的权益，其公开内容作为参考在此全部引入本发明。
技术领域
本文件的各方面涉及能量传导武器系统(Conductive Energy Weapon，简称：CEW)和相关方法，用于中断诸如人或动物等目标的运动的。更具体的实施涉及利用短时持续电脉冲的CEW系统。
背景技术
通常，CEW系统通过向目标的皮肤和皮下组织释放重复的电信号来工作。与刺激心肌组织相比，短时放电进入目标更有效地刺激神经引起疼痛，失能和无法控制的肌肉收缩。通过这种方式，CEW系统可以在不破坏目标心脏泵送节律(这有可能是致死的)的情况下停止目标的运动。
发明内容
能量传导武器(CEWs)的实施可以包括：冲击产生电路被配置为连接到电源，第一电极和第二电极可操作地连接到冲击产生电路，以及一个安全电路可操作性地连接到冲击产生电路。冲击产生电路可以产生第一脉冲序列，并通过第一电极和第二电极将第一脉冲序列传递给目标，并且还可以产生至少一个第二脉冲序列，并通过第一电极和第二电极将至少第二脉冲序列传递给目标。在超过至少第二脉冲序列的预设数量的脉冲序列之后，安全电路可以阻止CEW将脉冲序列施加到目标。第一脉冲序列可以包括具有彼此基本相同的波形的两个或更多个脉冲，两个或更多个脉冲的每个波形具有一个正电压段和一个负电压段。
CEW的实现可以包括以下中的一个，全部或任何一个：
每个波形的正电压段在每个波形的负电压段之前。
对应于脉冲波形的正电压段的一部分脉冲可以比对应于脉冲波形的负电压段的一部分脉冲有更多的电荷。
对应于脉冲波形的正电压段的一部分脉冲可以是对应于脉冲波形的负电压段的一部分脉冲基本两倍的电荷。
正电压段可以对应于一个电弧阶段，该电弧阶段在第一电极和目标以及第二电极和目标之间产生等离子体放电。
每个波形可以从开始不到10微秒的时间内达到峰值幅度。
每个波形可以从开始不到5微秒的时间内达到峰值幅度。
每个波形的正电压段的持续时间可以基本上小于每个波形的负电压段的持续时间。
CEWs能量传导武器系统的实施可以包括：一个冲击产生电路，一个电源、一个第一电极和一个第二电极，以及一个配合冲击产生电路的安全电路。冲击产生电路可以产生一个第一脉冲波形，并通过第一电极和第二电极将第一脉冲传递到目标。该波形可以包括一个正电压段，接着一个负电压段。冲击产生电路可以产生一个第二脉冲波形，并通过第一电极和第二电极将第二脉冲传递到目标，且第二脉冲的波形与第一脉冲的波形基本相同。安全电路可以设置在3个脉冲序列之后关闭CEW，其中每个脉冲序列包括不超过100个脉冲。
CEW的实现可以包括以下一个，全部或任何一个：
CEW可以是非正弦波形武器。
每个脉冲可以传递大约60微库仑的电荷。
每个脉冲可以在前15微秒内传递其大部分电荷。
每个脉冲可能持续大约100微秒。
在第三脉冲序列和用户实施的下一个脉冲序列之间，安全电路可以强制实施固定时长的暂停。
每个波形的正电压段在每个波形的负电压段之前。
CEWs能量传导武器系统的实施可以包括：一个冲击产生电路，一个电源，一个第一电极和一个第二电极，以及一个配合冲击产生电路的安全电路。冲击产生电路可以产生多个脉冲，并利用第一电极和第二电极将多个脉冲施加到目标。安全电路可以在脉冲达到预定数量之后停用CEW。CEW的实施还包括目标心率检测电路，与冲击产生电路配合使用。目标心率检测电路可以在冲击产生电路通过第一电极和第二电极向目标施加任何脉冲之前或期间检测目标的心率。目标心率检测电路和冲击产生电路的多个脉冲施加率与目标的心率电同步。
每个脉冲包括一个正电压段和一个负电压段，其中正电压段在负电压段之前。
在传递预定数量的脉冲和用户使用的下一个脉冲序列之间，安全电路可以实施固定时长的暂停。
基于收集的心率数据的统计回归的算法，目标心率检测电路和冲击产生电路可以通过该算法使得多个脉冲的使用频率与目标的心率电同步。
每个脉冲可以在其持续的前20％的时间内传递大部分电荷。
从上述说明书和附图以及权利要求书中，本领域普通技术人员能清楚的明白上述发明以及其他方面的特征和优点。
附图说明
在下文中将结合附图来描述实施，例如元件标记表示:
图1是表示传统CEW的单个脉冲波形的振幅的图；
图2是表示CEW的单个脉冲波形的振幅的图；
图3是表示传统CEW的脉冲的电流与时间的图；
图4是表示CEW的脉冲的电流与时间的图；
图5是表示传统CEW的脉冲的负电流电荷的曲线图；
图6是表示CEW的脉冲的正电流电荷的曲线图；
图7是表示传统CEW的脉冲的正电流电荷的曲线图；
图8是表示CEW的脉冲的负电流电荷的曲线图。
具体实施方式
本公开，其各个方面和实施并不限于在此公开的特定部件、组装过程或方法元件。本领域已知的许多附加组件、装配过程和/或方法元件与预期的能量传导武器(CEW)系统相一致，因此在本次发明使用的特定实施中将变得更为明显。因此，例如，尽管公开了特定实施方式，但是这样的实施方式和实施组件可包括任何形状、尺寸、样式、类型、型号、版本、测量、浓度、材料、数量、方法元素、步骤和/或类似的在本领域中已知用于这种CEW系统，并且实现与预期的操作和方法相一致的组件和方法。
在各种实施方式中，CEW系统包括连接到电源的冲击产生电路。该电源可以是直流(DC)电源，特别地，可以使用电池实现。该冲击产生电路还可操作地与两个空间分离的电极相连。已经设计出许多不同的冲击产生电路能够产生包括一组或多组电脉冲的各种电信号，该电脉冲具有频率(重复率)、脉冲能量、脉冲电荷、脉冲电压、平均电压和电流，可将他们用于武器电极。在一些冲击产生电路中包括一个或多个变压器，该变压器包括一个或多个电容，并连接到这些电容，组合起来工作以增加来自电池的信号电压并产生脉冲电信号(例如反激变压器系统)。在其他冲击产生电路系统中，在不使用变压器情况下，电路中的电容和二极管(例如通过Cockcroft-Walton电压倍增器)可以根据需要放大电压，同时传递脉冲电信号。本文公开的CEW武器实施方式中使用的各种冲击产生电路(以及CEW的其他组件)的结构和操作方法可以与2009年6月30日授予Kramer的名为“具有非正弦输出波形的电子禁用装置”的美国专利No.7,554,786中公开的实施冲击产生电路(以及CEW的其他部件)的结构以和操作方法相同或类似。其公开内容作为参考在此全部引入本发明。
在各种CEW武器系统实施中，电极是位于武器表面上的物理电极。在其他实施方式中，电极是内部电极，同CEW弹药筒相连接，CEW弹药筒包含两个或更多个通过导线连接到电极的飞镖。在其他CEW系统中，物理上暴露在外电极和内部电极都和CEW弹药筒相连接，这些电极都包含在武器的结构中。
在对于远程目标的武器操作中，CEW武器使用飞镖弹药筒，CEW武器被设计成向弹药筒施加电信号，导致飞镖在存储在弹药筒中的气体(一般是N2)在加压的作用下从弹药筒中弹出。通过非限制性示例，加压气体可通过可熔连接、爆管爆炸、其他烟火火药或装置，使加压气体从弹药筒中的储存容器释放。然后飞镖朝目标方向移动，拖曳着将它们连接到CEW武器内部电极的导线。当飞镖击中目标时，飞镖中的倒钩将飞镖连接到目标的皮肤、衣服或头发上。如果飞镖距离目标的间隔足够大，则目标更有可能失能，是因为这增加了暴露于电信号的目标的数量。
在针对近距离目标的武器操作中，CEW武器将电信号直接施加到武器表面上的暴露的电极上，该武器放置在目标的皮肤和/或衣服上。以这种方式，来自冲击产生电路的电信号直接从武器施加到目标而不使用飞镖。这有时被称为CEW武器以“干眩晕”模式运行。
目标除了感受到电流刺激神经和组织的疼痛之外，CEW还会以导致暂时的、不自主的和不协调的骨骼肌收缩的方式影响周围神经系统。受到包括目标特性的因素的影响，目标对CEW传递的电信号的反应取决于放电波形的强度、持续时间和形状，以及所施加的电流与人体内产生的自然电活动相对比的时机。CEW刺激某些组织(如神经细胞)而非其他组织(如心肌细胞)的能力取决于电信号的特性。神经细胞对电波反应的持续时间比心肌细胞短得多。众所周知，超过人体心肌细胞刺激阈值所需的电刺激的持续时间约比运动或传感器神经细胞的刺激阈值长10至100倍。因此，CEW致力于在最有可能刺激神经细胞的范围内施加短时放电，而在刺激心肌组织方面则不那么有效。
在各种实施方式中，冲击产生电路产生第一脉冲序列(第一组脉冲)，并使用第一电极和第二电极将第一脉冲序列传递到目标。类似地，在各种实施方式中，冲击产生电路可以产生第二脉冲序列，并使用两个电极将第二脉冲序列传递到目标。在各种实施方式中，脉冲序列的数量被限制为两个或三个。然而，在其他实施方式中，冲击产生电路可用于产生和传递任何预设数量的脉冲序列。每个脉冲序列包括两个或更多个脉冲。在各种实施方式中，两个或更多个脉冲具有基本相同的波形，而在其他实施方式中，两个或更多个脉冲相互比较，可以有不同的波形。在各种实施方式中，脉冲的波形可以均具有一个正电压段和一个负电压段，而在其他实施方式中，波形可以仅包括一个正电压段或仅包括一个负电压段。在各种实现中，每个波形是非正弦的。
每个脉冲可包括初始电弧阶段。在电弧阶段期间，通过在第一电极和目标之间以及第二电极和目标之间产生等离子体，将短高压脉冲信号施加到飞镖，从而通过任何气隙和对象的组织产生电弧(等离子体放电)。一旦产生等离子体，对后续电流的阻力就会降低几个数量级。紧跟在电弧阶段后面的主阶段一般具有更长的持续时间和更低的电压。传统的CEW在武器运行时，在电弧阶段期间将总净电荷的一小部分传递到目标，并且在主阶段期间将总净电荷的大部分传递到目标。
此处所公开的CEW系统的实现利用波形，该波形在短周期电弧相期间传递大部分总净电荷，而在较长周期主阶段期间传递剩余较小部分的电荷。由于在主阶段期间实际施加的电荷较少，因此在本文中，术语“主阶段”将被称为“刺激维持阶段”。这些波形是利用冲击产生电路产生。在一些实施方式中，冲击产生电路可以包括升压变压器和点火变压器作为恒定电流源，它们产生具有大约峰值为10安培的衰减电流波形。在各种实施方式中，一组三个串联的二极管可以和升压变压器和点火变压器相连接以形成半波整流器。在各种实施方式中，这些二极管连接到上述两个电极，无论是内部电极还是暴露在武器外部的电极。在各种实施方式中，本文的CEW系统可以与Steven Abboud在2015年2月26日提交的名称为“能量传导武器弹药及相关方法的安全防护”的美国专利申请第1463295号一样或者相似，其公开内容作为参考在此全部引入本发明。同样地，本文的CEW系统用到的弹药是与Abboud等人在2014年5月27日提交的名称为“能量传导武器弹药”的美国专利申请第14288249号，之后在2017年8月22日授权的美国专利第9739578号中公开的弹药相同或类似，其公开内容作为参考在此全部引入本发明。最后，本文的CEW系统可以与授予给Kramer的美国专利第7,554,786号中公开的任何系统相同或类似，该专利先前通过引用并入本文。
图1和图2说明常规CEW系统与本文公开的系统之间的脉冲波形的差异。图1表示外部电极在非感应600欧姆电阻上测量的传统CEW的单个脉冲波形的振幅(以伏特为单位)的曲线图。时间以微秒为单位。图2与图1相似，是表示CEW的外部电极在非感应600欧姆电阻上测量的本公开的CEW的单个脉冲波形的振幅的图。两个脉冲都持续约100微秒，但在其他实施方式中，脉冲可以长于或短于100微秒。从图1中可以看到，表示传统CEW的对应信号的振幅一开始有一个峰值，然后在27微秒前后达到最大值。与之相反，如图2所示，表示本发明CEW的对应信号的振幅在3微秒前后快速地达到6000V的最大值。在其他实施方式中，波形可以在大于或小于3微秒内达到振幅的峰值。在特殊实施例中，波形在不到10微秒内达到振幅峰值，且在更特殊的实施例中，波形在不到5微秒内达到振幅峰值。图2中的最高振幅值大约是图1中的最高振幅值的4倍。如图2所示，脉冲的波形还包括从0微秒到大约13微秒之间的正电压段和从大约13微秒到100微秒之间的负电压段。在各种实施方式中，如图2所示，脉冲波形的正电压段在脉冲波形的负电压段之前。这与传统系统中发现的脉冲的行为相反，如图1所示，负电压段在正电压段之前。在各种实施方式中，波形的正电压段的持续时间可以比波形的负电压段更短、更长或相同的持续时间。在特殊的实施例中，如图2所示，正电压段仅持续约13微秒，而负电压段持续约80-90微秒。
通过图3可以最好地体现波形差异(如图1和图2所示)对总电荷的影响。图3表示传统CEW的脉冲的电流与时间(以微秒为单位)的图。图4与图3相似，是此处所公开的CEW的脉冲的电流与时间的图。可以观察到，图3中的初始电弧阶段从0到5毫秒携带约8微库仑的电荷。紧随其后的主阶段包含了大部分约80微库仑的电荷。相反，图4所示的初始弧阶段包括约40微库仑的电荷，紧随其后的电流低很多且持续时间较长的主阶段，包含有约20微库仑的电荷。因此，在各种实施方式中，对应于脉冲波形的正电压段的脉冲部分可以包括比对应于脉冲波形的负电压段的脉冲部分更多的电荷。实际上，在特殊的实现中，如图4所示，对应于脉冲波形的正电压段的脉冲部分可以包括与对应于脉冲波形的负电压段的脉冲部分两倍的电荷。但是在其他实施方式中，负电压段可包括比这更多或更少的电荷。在各种实施方式中，如图4所示，脉冲的大部分电荷在每个脉冲的前15微秒内传递，或者至少在每个脉冲的前20％持续时间内传递。在其他实施方式中，可以以更快或更慢的速率传递电荷。如图所示，图3中的波形的平均总电荷为大约79微库仑。图4中波形的平均总电荷为大约60微库仑。这意味着像本公开的CEW系统可以使用比传统CEW系统少约25％的总电荷，具有如图3中公开的波形
正如观察到的，此处所公开的CEW武器的实施可被视为将电弧阶段和刺激阶段组合成单个初始脉冲，同时向具有较小电荷的脉冲添加长脉冲段，此处称为刺激维持脉冲/段。传统CEW武器与此处所公开的那些CEW之间的脉冲行为的附加比较数据可以在图5-8中找到。图5是表示传统CEW的脉冲的负电流电荷的曲线图。图6是表示此处所公开的CEW的脉冲的正电流电荷的曲线图。图7是表示传统CEW武器的脉冲的正电流平均电荷的曲线图。图8是表示此处所公开的CEW武器的脉冲的负平均电荷的曲线图，显示低电荷长持续时间的负电压段。
由于此处所公开的CEW武器系统在最初的短时间内使用大部分电荷，然后接着是时间长且电流低的时间段(持续时间)，与传统的CEW武器系统相比，这样可以更好地减轻对心肌组织造成伤害的风险。这是因为在较短持续时间内施加最大部分能量，不太可能干扰心肌的工作。此外，通过改变维持阶段或长持续时间低电流阶段的电流大小，可以调整对目标的影响程度，或者可以根据目标的特定特征(体重、性别、预期的心脏安全因素等)进行调整。
R-on-T现象是一种容易导致危险心律失常的事件。这种现象是爱思唯尔出版的摩斯比医学词典第9版(2009年)提到的“一种心脏事件，心室刺激引起未完全复极化的细胞过早去极化。在心电图上显示是心室去极化落在T波内某处。”尽管这段话在与心脏起搏器相关的文献中广泛引用，但似乎缺乏科学认知，即心脏的外部电刺激如CEW放电期间发生的那些可能产生的危险的心律失常，与起搏器发生故障的情况产生相似的倾向，这是好理解的/可比。
心脏的这个脆弱时期位于T波的中间，当一些心肌去极化时，一些心肌细胞被复极化，一些心肌细胞介于两者之间。如果在该精确时段期间发生脉冲，则理论上可以容易地创建不稳定的移动/再入电路。
一个类似的比喻是，一队汽车正在排队加油，同时加油站的服务员有规律地点燃打火机，最危险的时期是服务员在汽车实际正在加油时点燃打火机。虽然服务员在汽油泵周围点燃打火机的整个时间都有风险，但最大的暴露点是当每辆汽车的燃油箱在加油过程中向空气开放并且汽油蒸汽进入空气的时候。
这个比喻表明，对于电击武器，在武器安全性方面的一个重要因素例如是，是否在T波中间的脆弱时期将所传送的冲击脉冲传递给目标。从历史上看，在评估电击武器的安全性时，科学研究关注于四个主要因素：1)传递到身体的电流大小；2)每次传递的电脉冲的持续时间；3)每次传递的电脉冲之间的持续时间以及4)在一次电击中所传递的脉冲总次数。控制这些因素有其优点，有助于电击武器的安全。
然而，这个附加的因素，即武器在心脏脆弱期间放电的可能性实际上并不受武器控制，而传统系统可能完全是偶然发生的。如果电击武器放电的使用与对象的心脏周期没有任何同步，则R-on-T现象发生的可能性会显著增加。
该问题可以示意性地表示如下：考虑两个脉冲波，周期T1、T2，脉冲宽度t1、t2和阶段cp1、cp2。期望这些脉冲在给定时间间隔内至少重叠一次，此外，除非其持续时间至少与某些指定的Tm一样长，否则不满足重叠。两个波的起始阶段cp1和cp2都是未知的。那么，数学问题是计算持续至少一个重叠时长为Tm的时间函数概率。
在数学上获得问题参数的精确值是可能的，但是难以获得参数的实际精确值。尽管实验误差有时可以非常小，但它永远无法消除。尽管可以从波可能“锁定步长”的概率进行预计，但是对于周期T1、T2中的非常微小的变化，概率非常不稳定。例如，令T1＝T2＝100t1＝100t2(Tm＝0)，则一个简单的直接计算表明，对于所有时间大于T1＝T2的期望的概率是0.03。如果令T1＝T2+E，则一个波将在另一波上“爬升”，最终(对于大于T1*T2/E的时间)上述概率是统一的。因此，在实际应用中很可能发生这样的情况，已知精度基本足够的参数只能给出明显的结果；0<P＝<1。
由于难以计算和同步一个目标的心脏和另一个武器的脉冲波，降低诱发心律失常可能性的有效方法是将每个最大能量脉冲应用于短的持续时间。因此，在传统的CEW武器装置中，增加高能脉冲的持续时间可能会增加目标的心脏风险。由于此处所公开的高净电荷脉冲在时间上比传统CEVV武器的高净电荷脉冲更短，因此它们能够在实际上，尤其是当传统CEW系统和此处所公开的CEW系统之间的脉冲施加速率相同时，降低对目标的心脏风险。
在各种实施方式中，CEW系统可以包括与冲击产生电路连接的安全电路。安全电路可以用于在传递预定数量的脉冲或脉冲序列之后，阻止CEW将脉冲序列施加到目标。在特定实施方案中，安全电路用于防止在武器初始激活后的给定时间段内，CEW响应于拉动武器的扳机，施加任何多于三个脉冲序列。在更具体的实施方式中，出于安全原因，系统可以限制传递给约100个脉冲的三个连续5秒序列的最大电荷。在其他实施方式中，脉冲序列可以分别长于或短于5秒，并且可以分别包含多于或少于100个脉冲。这可以通过CEW武器中的逻辑电路完成，该逻辑电路计算脉冲序列的数量并在第三个序列(或任何其他预定数量的序列)之后停用武器，要求用户手动重新武装(或在武器可用于向目标施加脉冲序列之前，等待2-5分钟或更长的一段时间)。这种逻辑电路可以是定时电路。它们可以与Kaufman等人在1993年3月9日授权的名为“具有低电量电池指示器和关闭计时器的电击枪”的美国专利第5,193,048号所公开的定时电路相同或类似。其公开内容作为参考在此全部引入本发明。这也可以通过使用监视脉冲序列数量的电路来实现，然后在最后一个序列和下一个序列之间自动强制实施固定时长的暂停，该序列由户通过拉动武器扳机而施加。
其他的选择可以是，包括组件温度监控电路，该电路可以用于各种实施方式中跟踪/监控所传递的脉冲序列的数量，以确保目标在给定的时间段内不会接收到超过指定量的电流。在包括组件温度监控电路的实施方式中，电路可以包括热敏电阻和可控硅整流器(SCR)。当热敏电阻从使用中的CEW接收热能时，热敏电阻的电阻减小，并且施加到热敏电阻的偏置电压经过热敏电阻开始出现在SCR的栅极上。一旦偏置电压上升到预定电平，可控硅整流器就会触发并拉低或“接地”发生器的电源，从而防止向冲击产生电路元件进一步施加电源，直到可控整流器的硅栅极上的偏置电压充分降低至可复位为止。
在各种系统实施中，CEW可以包括与冲击产生电路连接的目标心率检测电路。目标心率检测电路用来检测目标的心率。在各种实施方式中，目标心率检测电路通过检测心肌的电生理活动来检测心率。目标心率检测电路可以与心电图(ECGs)或自动外部除颤器(AEDs)中使用的心率检测电路类似或相同。为了进一步说明这一点，目标心率检测电路及其部件可以与Morgan等人于1986年10月28日授权的名为“包括ECG检测电路的交互便携式除颤器”的美国专利第4619265号中公开的心率检测电路和部件相同或相似。其公开内容作为参考在此全部引入本发明。其他心率检测电路可以用于各种实施方式中。
在各种实施方式中，当第一电极和第二电极连接到目标的衣服并且不与目标的皮肤直接物理接触时，目标心率检测电路能够检测目标的心率。在其他实施方式中，在ECG工作之前，第一电极和第二电极需要物理/电连接至目标的皮肤。该电路可以在冲击产生电路传递初始脉冲之前或者在冲击产生电路施加任何脉冲时(即在脉冲序列期间)检测目标的心率。在各种实施方式中，系统可以最初检测一个或多个心脏脉搏，然后使用算法，使由冲击产生电路施加的脉冲与目标的心率电性同步，以最小化在心脏脆弱期间施加脉冲的风险。作为非限制性示例，该算法可以是基于收集的心率数据的统计回归，使用已知和/或当前观察到的武器特征的数学推导的脉冲波匹配计算，以及计算在观察到的心脏脉搏和为使心脏风险最小化而将电脉冲施加到目标的所需时间之间的间隔的任何其他方法。作为非限制性示例，针对所收集的心率数据的统计计算可以包括，平均心率、中值心率、移动平均心率，控制图表心率数据及其任何组合。
在各种实施方式中，击中目标的方法的实施方式可包括使用冲击产生电路产生多个脉冲并使用第一电极和第二电极将多个脉冲施加到目标。该方法可以包括在预定数量的脉冲/脉冲序列之后停用CEW。该方法可以包括在将多个脉冲施加到目标之前或者在将多个脉冲施加到目标的期间，通过心率检测电路检测目标的心率。该方法可以包括通过目标心率检测电路和冲击产生电路使多个脉冲的施加速率与目标的心率电性同步。
应该显而易见的是，上述说明所涉及的CEW系统的特定实施方式和实施组件、子组件、方法和子方法中，在不脱离其精神的情况下可以进行多种修改，并且这些实施方式、实施组件、子组件、方法和子方法可以应用于其他CEW系统。
