Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

17 августа 2009  |  Оптикоэлектронные, инфракрасные CO



Волоконно-оптические кабели, используемые для передачи информации, могут применяться также в качестве датчиков для измерения деформаций, вибраций и других механических воздействий. Все более широкое применение такие датчики находят и в современных системах безопасности, в частности для создания сигнальных рубежей для охраны периметральных оград.

Привлекательность волоконно-оптических технологий определяется несколькими факторами. Эти сенсоры невосприимчивы к электромагнитным излучениям и электробезопасны. Кроме того, в качестве сенсоров в большинстве случаев можно использовать промышленные коммуникационные кабели, которые выпускаются в широком ассортименте, а их стоимость ниже стоимости специально разрабатываемых кабельных датчиков.

Принципы действия волоконно-оптических охранных систем

Внешние воздействия, такие как механическое давление, деформации или вибрации, изменяют параметры оптического волокна и, как следствие, характеристики проходящего через волокно излучения.

Оптическое волокно в общем случае представляет собой коаксиальный световод. Свет распространяется вдоль центральной части (сердцевины) кабеля. К сердцевине волокна прилегает прозрачная оболочка, которая обладает меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Свет, распространяющийся под углом к оси световода, отражается от границы раздела между сердцевиной и оболочкой и концентрируется в центральной части волокна. Внешнее непрозрачное покрытие служит для механической защиты кабеля.

В качестве источника излучения обычно используются миниатюрные полупроводниковые лазеры или светодиоды. На выходе кабеля излучение регистрируется фотоприемником, который преобразует оптический сигнал в электрический. При деформациях волокна изменяются условия внутреннего отражения, в результате чего также изменяются фазовые и пространственные характеристики луча на выходе кабеля, они регистрируются фотоприемником и обрабатываются анализатором сигналов.

Волоконные световоды делятся на многомодовые и одномодовые. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет 50... 100 микрон. По такому волокну одновременно распространяется большое количество типов волн (мод) с различными геометрическими параметрами. Эти лучи испытывают множественные отражения от границы между сердцевиной и оболочкой, что приводит к заметному затуханию сигналов.

Диаметр сердцевины одномодовых световодов составляет не более 10 микрон. В таком световоде может распространяться только один тип волны (мода) и затухание света здесь существенно меньше, чем в многомодовых световодах.

В волоконно-оптических охранных системах используются несколько методов регистрации сигналов вторжения:

A. Метод регистрации межмодовой интерференции

Полупроводниковый лазер обычно генерирует несколько десятков близких по частоте мод (спектральных линий) с определенным распределением энергии по спектру излучения. Если много-модовый оптоволоконный кабель подвергается механическим воздействиям, то на его выходе спектр излучения претерпевает изменения, что позволяет обнаруживать деформации или вибрации кабеля.

B. Метод регистрации спекл-структуры

На выходе многомодового оптоволокна наблюдается так называемая «спекл-структура», представляющая собой нерегулярную систему светлых и темных пятен. При деформациях или вибрациях волокна спекл-структура меняется. Для детектирования деформаций кабеля здесь применяют пространственно-чувствительные фотоприемники.

C. Интерференционный метод

В этом методе используется принцип двухлучевой интерферометрии. Луч лазера расщепляется на два и направляется в два идентичных одномодовых оптических волокна. На приемном конце оба луча образуют интерференционную картину. Механические воздействия на чувствительный кабель приводят к изменениям интерференционной картины, которые и регистрируются фотоприемником.

За последние годы разработано большое количество охранных систем с волоконно-оптическими сенсорами, которые применяются для защиты периметров различных видов. Ниже кратко описаны некоторые из современных систем.

Системы для защиты металлических оград

При защите оград сенсорный кабель, как правило, устанавливается непосредственно на ограде. Сенсор преобразует вибрации ограды в электрические сигналы, которые поступают на процессор (анализатор). Процессор, в соответствии с заданным алгоритмом, выделяет сигнал вторжения на фоне окружающих шумов и генерирует сигнал тревоги.

Австралийская компания Future Fibre Technologies (FFT) использует две основные технологии детектирования с использованием волоконно-оптических датчиков.

Первая технология, получившая название M/V, позволяет обнаруживать движение и вибрации кабеля (Movement & Vibration - M/V). Сенсорный кабель подключается к начальному и оконечному модулям. Анализатор связан с начальным модулем через пассивный оптический кабель. Излучение от полупроводникового лазера подается в чувствительное волокно, и анализатор регистрирует отраженный от концевого модуля сигнал.

При перемещениях или вибрациях волокна изменяется распределение энергии между отдельными модами. В системах серии Secure Fence используются многомодовые оптические волокна с диаметром сердечника 62,5 мкм. Источником света служит полупроводниковый лазер мощностью 1...2 мВт, работающий на длине волны 1,31 мкм. Технология M/V позволяет регистрировать вибрации в диапазоне частот от нескольких герц до 300...600 герц. Системы на базе многомодовых волокон используются главным образом на эластичных (деформируемых) оградах.

В 2006 г. фирма FFT представила два варианта многозонной волоконно-оптической системы охраны периметров технологии M/V, получивших наименования Secure Fence 408 и Secure Fence 108. Один процессор обслуживает до 8 отдельных зон охраны. Все зонные сенсорные кабели подключаются к процессору через многожильный коммуникационный оптический кабель (рис. 1). Длина сенсорного кабеля в зонах охраны не ограничивается жестко; ограничена только общая протяженность сенсора и соответствующего коммуникационного кабеля в данной зоне, которая не должна превышать 40 км (система Secure Fence 408) или 10 км (система Secure Fence 108). Эти системы привлекательны для организации охраны серии удаленных объектов небольшой протяженности, когда на периметрах не требуется подключать электропитание и устанавливать электронное оборудование. Коммуникационный оптический кабель в этих случаях может быть скрытно проложен под землей. Для передачи сигналов от сенсоров можно также использовать проложенные ранее стандартные связные оптические кабели.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 1. Структурная схема охранной системы Secure Fence 408

Другая технология фирмы FFT построена на принципе обнаружения микронапряжений в оптическом волокне и получила сокращенное название MSL (от MicroStrain Locator - Локатор микродеформаций). На рис. 2 показана структурная схема системы Secure Fence MSL. В состав протяженного датчика входят три отдельных волокна многожильного оптического кабеля. Два верхних волокна выполняют функцию чувствительных элементов: в них подается излучение от полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме. Третье (выходное) волокно служит для передачи сигналов на анализатор системы. Источник излучения расположен в блоке анализатора, от него излучение лазера по входному пассивному кабелю подается на начальный модуль. В этом модуле излучение расщепляется на два пучка, которые подаются на два волокна. Излучение через оба волокна передается на оконечный модуль, в котором происходит интерференция. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка на оконечном модуле остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля на анализатор, не имеет переменной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (в плечах интерферометра) изменяется, и оконечный модуль регистрирует переменную составляющую сигнала, передавая ее на анализатор. В системе MSL используются серийно выпускаемые одномодовые оптические волокна с диаметром сердечника 9 мкм.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 2. Структурная схема технологии MSL фирмы FFT для обнаружения микродеформаций волоконно-оптического кабеля

Особенность системы MSL состоит в том, что в качестве чувствительных элементов могут использоваться одномодовые жилы стандартного многожильного волоконно-оптического кабеля, предназначенного для передачи сигналов. На рис. 3 показана структура такого кабеля, где две одномодовых жилы являются плечами чувствительного интерферометра. Жилы должны быть расположены на диаметрально противоположных краях кабеля, чтобы чувствительность сенсора к изгибу была максимальной. Начальный и оконечный модули помещаются под землей в стандартных телекоммуникационных колодцах, расположенных на краях зоны (рис. 4).


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 3. Структура многожильного волоконно-оптического кабеля для охранных систем фирмы FFT


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 4. Начальный модуль системы Secure Fence в подземном колодце

В качестве источников света в технологии MSL используются полупроводниковые лазеры с выходной мощностью 12...50 мВт, работающие на длине волны 1,31 или 1,55 мкм. Высокая мощность излучения и малые потери в сенсоре позволяют обеспечить длину отдельной зоны до 40...80 км. Как заявляют разработчики, по чувствительности технология MSL примерно на три порядка превосходит технологию M/V. Система MSL регистрирует вибрации в диапазоне частот примерно от 300 Гц до 2 кГц, что соответствует характерным частотам, возникающим в типовых металлических оградах при попытках их преодоления.

Очевидно, что длина зоны в несколько десятков километров неудобна для практического применения. Охраннику необходима информация о конкретном месте вторжения, без которой сигнал тревоги будет практически бесполезен. Поэтому весьма интересно, что модифицированная технология MSL позволила реализовать функцию определения места вторжения с достаточно высокой точностью. Для локализации вторжения применена оригинальная технология сравнения сигналов вторжения в обоих плечах интерферометра, которая является секретом фирмы FFT и обеспечивает точность локализации до нескольких десятков метров.

За последние два года фирма FFT заметно улучшила параметры системы Secure Fence MSL, увеличив протяженность одной зоны охраны с 40 до 80 км и повысив точность обнаружения места вторжения на металлических оградах с 50 до 25 м. Особенность охранных систем фирмы FFT состоит в том, что в них используются промышленно выпускаемые многожильные волоконно-оптические кабели, оптические патч-панели и промышленный компьютер в качестве сигнального процессора (рис. 5). К оригинальному оборудованию относятся начальный и конечный «сенсорные модули», обеспечивающие разделение и сведение интерференционных потоков.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 5. Процессор сигналов охранной системы Secure Fence фирмы FFT

Основное ноу-хау разработок фирмы сосредоточено в весьма дорогом программном обеспечении, используемом для обработки сигналов сенсоров и локализации вторжения. Поэтому применение такой системы для небольших периметров невыгодно - цена процессора с программой превышает 100 тыс. долл. Система становится эффективной только при длине зоны охраны более 30 км, когда удельная стоимость одного метра периметра не превышает 10 долл.

Отметим, что модифицированная система может теперь применяться не только на «мягких» оградах (типа сетки «рабица»), но и на жестких оградах в виде сварной решетки (рис. 6) или оградах «палисадного» типа, собранных из тяжелых стальных элементов (рис. 7). На решетчатых оградах сенсор крепится гибкими пластиковыми стяжками шириной 4,8 мм, стойкими к УФ-излучению. При креплении сенсорного кабеля разработчики рекомендуют необходимо избегать резких изгибов сенсора и излишних механических напряжений в точках крепления.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 6. Волоконно-оптический сенсорный кабель системы Secure Fence на сварной решетке

Вблизи опорных столбов ограды (рис. 6), где жесткость ограды выше, кабель прокладывают в виде петли, чтобы обеспечить равномерность чувствительности. На «палисадных» оградах (рис. 7) волоконно-оптический сенсор монтируют в пластиковой или металлической защитной трубе, которая крепится к горизонтальной опорной балке. По сообщениям фирмы FFT, независимое тестирование показывает, что вероятность обнаружения системы Secure Fence составляет не менее 95% при вероятности ложных срабатываний не выше 3%. Точность локализации максимальна на мягких оградах - на сетке «рабица» достигает 10 м, на жестких сварных оградах гарантируется точность не менее 25 м. Сенсорный кабель в защитной оболочке, стойкой к УФ-излучению, имеет ресурс не менее 15 лет; диапазон рабочих температур сенсора и других наружных элементов системы: от -40 до +70 oС. Процессор системы выполнен в виде стандартной 19-дюймовой стойки высотой 4U (рис. 5); он устанавливается внутри помещения охраны. Отметим, что процессор является единственным активным элементом системы; все остальные компоненты являются пассивными и не требуют питания или прокладки кабелей сигнализации.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 7. Сенсорный кабель Secure Fence на тяжелой ограде «палисадного» типа

Компания FFT выпускает также периметральную охранную систему Secure Fence Taut Wire, которая представляет собой комбинацию волоконно-оптического сенсора и проводно-натяжного барьера. Сенсорный кабель монтируется на опорных столбах высотой 3,2 м. Лучи из колючей проволоки механически связаны с волоконными сенсорами на опорных столбах, которые регистрируют изменения натяжения проволоки. Максимальная длина отдельной зоны - 4 км. Система устойчива к ветрам со скоростью до 100 км/ч; система автоматической коррекции регулирует параметры сенсоров при изменении температуры в диапазоне от -40 до +75 oС. Система Secure Fence Taut Wire обнаруживает попытки перелезания через ограду, раздвижения проволочных лучей или перерезания их. Фирма-изготовитель отмечает очень высокую обнаруживающую способность системы при весьма умеренной стоимости ее обслуживания.

Английская компания Remsdaq выпускает несколько систем серии Sabre с волоконно-оптическими датчиками. Система SabreFonic предназначена для защиты периметров из сетчатых или решетчатых металлических оград. Кабель, прикрепленный к сетке, генерирует низкочастотные сигналы при попытках преодоления ограды или ее перерезания. Сенсорным элементом служит пара оптических волокон кабеля типа LS2H с защитной оболочкой, упрочненной кевларом. Диаметр сердечника - 62,5 мкм, диаметр оболочки- 125 мкм, внешний диаметр кабеля 4,8 мм. Максимальная длина кабеля между передатчиком и приемником -1000 м; для подключения к анализатору применяются стандартные оптические разъемы типа SMA. Источник излучения - полупроводниковый лазер с длиной волны 0,78 мкм. Изменения спекл-структуры при деформации кабеля детектируются позиционно-чувствительным фотоприемником.

В системе SabreFonic используется анализатор Sabre II Processor, снабженный мощной системой цифровой обработки сигналов. Анализатор снабжен встроенным интерфейсом пользователя, выполненным в виде трех 7-сегментных светодиодных индикаторов, а также кнопок выбора меню и установки режимов. Анализатор имеет также коммуникационные порты для дистанционной настройки и диагностики.

В системе SabreTape фирмы Remsdaq волоконно-оптический датчик прикреплен к режущей ленте, смонтированной на ограде или козырьке (рис. 8). Оцинкованная стальная лента толщиной 0,5 мм и шириной 20 мм натянута так, что попытка перелезть через ограду вызывает механические деформации, регистрируемые сенсором. Система рассчитана на обнаружение только весьма энергичных действий нарушителя, но зато практически не дает ложных срабатываний. Датчиком является многомодовое волокно с диаметром сердечника/оболочки 50/125 мкм; источником излучения служит лазер с длиной волны 0,85 мкм. Оптические потери в волокне не превышают 3 дБ/км. Система разработана по спецификации Министерства обороны Великобритании; она рассчитана на эксплуатацию в неблагоприятных атмосферных условиях (морской туман, кислотные пары, индустриальные выбросы, песок) и диапазоне температур от -30 до +70 oС.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 8. Сигнальный барьер системы Sabre Таре фирмы Remsdaq

Другой подход к построению сигнального барьера демонстрирует израильская компания TRANS Security Systems and Technology (TSS). Датчиком периметральной системы F-5000 Fibernet является сеть, спаянная из одножильного многомодового оптического волокна, защищенного пластиковой оболочкой, упрочненной кевларом (рис. 9). Оболочка обеспечивает защиту волокна от УФ-излучения, влаги, соленой воды и т.п. Сеть состоит из ячеек со стороной 16 см; в каждом пересечении волокна спаяны ультразвуком и защищены пластиковой накладкой. По всей сети распространяется импульсное излучение светодиода, работающего в ближнем ИК-диапазоне (длина волны 0,85 или 1,3 мкм). Приемником излучения служит PIN-фотодиод. Подключение излучателя и приемника к сети осуществляется стандартными оптическими разъемами типа ST. Обработка сигналов осуществляется процессором серии F-5000, рассчитанными на 2 или 4 зоны длиной до 100 м каждая. Автономный процессор F-5000-1 имеет на выходе релейные контакты, а процессор F-5000-2 подключается к компьютерной системе управления. Процессоры размещаются в герметизированных корпусах размерами 500х400х200 мм; они питаются от источника постоянного тока напряжением 48 В; диапазон рабочих температур системы - от -30 до +70 oС.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 9. Сигнальный барьер охранной системы F-5000 фирмы TS5

В зависимости от выбора порога срабатывания система F-5000 выдает сигнал тревоги при натяжении или при обрыве волокна в любой из ячеек сети. Волоконно-оптическая сеть 1 (рис. 9) устанавливается автономно или крепится рядом с уже существующей оградой 2. Она разделена на две части: нижняя часть высотой 2-3 м крепится к ограде, а верхняя часть сети выполняется в виде козырька, прикрепленного к эластичным фиберглассовым стойкам 3, устанавливаемым с наклоном через каждые 2 м. Нижняя часть сети натягивается между горизонтальными металлическими трубками 4, укрепленными соответственно вдоль верхнего и нижнего краев основной ограды. Нижняя часть сигнального барьера образует отдельную зону охраны, которая настраивается на срабатывание только в случае разрыва ячеек сети, что позволяет исключить срабатывания от случайных факторов (животные, проходящие рядом люди, транспорт и т.п.) при использовании системы в густонаселенных регионах.

Верхняя часть сигнального барьера F-5000 образует отдельную зону охраны. Вдоль верхнего торца козырька смонтирован волоконно-оптический кабель 5 в прочной оплетке, позволяющий использовать этот кабель в качестве натяжного элемента. Кабель оптически соединен с чувствительной сетью с помощью преобразователей 6. Конструкция козырька является достаточно гибкой, и процессор данной зоны охраны настраивается на регистрацию перелезания через козырек. Отметим, что при разрыве отдельных ячеек не требуется менять всю сеть. Восстановление сенсора производится с помощью отрезков кабеля и специальных оптических перемычек.

Система F-5000 может также встраиваться в стены (защита зданий и помещений) или монтироваться под землей на глубине до 50 см (противоподкопные барьеры). Для объектов с очень высокой степенью защиты фирма выпускает модифицированную систему F-6000, образующую сигнальный барьер высотой 4 м.

Американская компания Fiber SenSys выпускает несколько волоконно-оптических периметральных систем серии Fiber Defender (FD). В системах этой серии сенсорные кабели монтируются на ограде в виде замкнутой петли (рис. 10), так что оба конца сенсора подключены к процессору с помощью стандартных оптических разъемов. Максимальная длина одной зоны охраны составляет 2 км. Цифровая обработка сигналов позволяет автоматически компенсировать воздействие ветра и дождя. Системы серий FD применяются на различных металлических оградах, а также для защиты крыш и стен зданий.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 10. Расположение сенсорного кабеля системы Fiber Defender (FD) фирмы Fiber SenSys

В отличие от большинства конкурентов в изделиях этой фирмы использованы не серийные, а специально разработанные оптические кабели, отличающиеся от стандартных оболочкой оптических волокон. Эти оболочки устроены так, чтобы повысить чувствительность кабеля к внешним механическим воздействиям - давлению, деформациям и вибрациям. В сенсорах использованы многомодовые оптические волокна. Процессор системы регистрирует изменения спекл-структуры прошедшего через кабель лазерного излучения.

Версия системы под названием FD-205 предназначена как для охраны оград и стен, так и для подземной установки. Система использует цифровую обработку сигналов сенсоров; процессор автоматически регулирует параметры системы в зависимости от шумов, создаваемых ветром. Для регулировки процессора может быть использован подключаемый к нему анемометр, регистрирующий скорость ветра. Процессоры серии FD-205 монтируются на ограде; в единую систему с помощью одного коммуникационного волоконного кабеля можно включить до 127 процессоров.

Модификация системы, получившая наименование FD-220, использует как стандартные волоконные кабельные сенсоры (типа SC3), так и сенсоры в защитной оболочке (SC4). Оптические кабели подключаются к процессору с помощью стандартных разъемов типа ST. По данным изготовителей, срок службы кабельного сенсора в защитной оболочке составляет не менее 20 лет. Процессор системы FD-220 может использоваться как в качестве автономного охранного прибора, так и в составе сетевой системы с последовательным опросом через интерфейс RS-232C.

Все процессоры устанавливаются в стойке на посту охраны, который может быть удален от периметра на расстояние до 10 км. Процессор питается от источника с напряжением 10...24 В, потребляемая мощность -2,1 Вт. Диапазон рабочих температур системы -от -30 до +55 oС.

На выставке IFSEC-2006 компания Fiber SenSys показала 4 процессора Fiber Defender серии FD-300. Кроме однозонных процессоров FD-331 и FD-341, в новой серии выпускаются также двухзонные процессоры FD-332 и FD-342. В дополнение к обычным релейным выходам все процессоры серии FD-300 снабжены выходами для подключения к коммуникационным сетям - интерфейсы RS-232 и XML, а также выходы стандарта FSN (Fiber Security Network). К блокам FD-331 и FD-332, предназначенным для установки на ограде, можно подключать внешние анемометры для компенсации внешних атмосферных воздействий. Процессоры FD-341 и FD-342 устанавливаются на посту охраны и подключаются к сенсорам с помощью пассивных оптических кабелей.

На IFSEC-2006 фирма Fiber SenSys показала также новую систему SPIDeR. Название системы является сокращением от «Simultaneous Point Intrusion DetectoR» - Датчик с локализацией множественных вторжений. Структурная схема системы SPIDeR показана на рис. 6. К процессору 1 (рис. 11) подключается до 50 отдельных зон охраны; сигналы от многомодовых волоконных сенсоров 2 передаются на процессор по многожильному оптическому кабелю 3 с одномодовыми волокнами. Для подключения сенсоров к коммуникационному кабелю используются специальные оптические соединители 4. Если общая протяженность сенсоров во всех зонах не превышает 500 м, то волоконная кабельная система поставляется заказчику полностью собранной. Для более протяженных периметров коммуникационный кабель поставляется с оптическими соединителями, к которым подключены короткие отрезки волокна 5 (pig-tail) со стандартными оптическими разъемами 6 (рис. 11). Сенсорные кабели 2 с подключенными на фабрике концевыми блоками 7 монтируются непосредственно на ограде 8.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 11. Структурная схема многозонной охранной системы SPIDeR фирмы Fiber SenSys

Особенностью системы SPIDeR является режим последовательного «опроса» зон охраны с использованием лазерных импульсов. Номер зоны определяется методом измерения времени задержки отраженных сигналов. Такая технология позволяет обнаруживать одновременное вторжение на нескольких участках периметра, т.е. предотвращать маскирование реального вторжения на фоне умышленно имитированного сигнала нарушения периметра.

Сенсорный кабель системы SPIDeR монтируется на ограде в один проход или в два прохода, в зависимости от требований к безопасности объекта. Сенсорный кабель поставляется в жесткой пластиковой оболочке (рис. 12), которая крепится к ограде стяжками из оцинкованной проволоки.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 12. Процессор и сенсорный кабель системы SPIDeR фирмы Fiber SenSys

Максимальная общая протяженность сенсоров, подключенных к одному процессору SPIDeR, составляет 2 км; максимальная протяженность одной зоны - 100 м. При рекомендованной общей длине сенсора 500 м и максимальном числе зон (50) точность локализации вторжения составляет 10 м, что соответствует длине отдельной зоны. Длина соединительного пассивного кабеля - до 5 км. Процессор снабжен как релейными выходами, так и интерфейсами RS-232 и RJ-45.

Израильская фирма Magal выпускает волоконно-оптический сигнальный барьер FiberMESH 2005, устанавливаемый на сетчатых оградах (рис. 13). Волоконно-оптический датчик покрыт защитной оболочкой из полиэстера; внешний диаметр кабеля равен 3,5 мм. В качестве источника излучения используется импульсный полупроводниковый инфракрасный лазер. Двумерная сенсорная сетка имеет ячейки размером 15 х 15 см; в каждом узле сетки производится сварка волоконных кабелей. Нижняя кромка сетки прикреплена к горизонтальной трубе, препятствующей попыткам приподнять сетку. Верхняя часть сетки, высотой около 1 м, выполнена в виде козырька над основной оградой. Верхним элементом сигнального козырька является проводно-натяжной датчик, к которому прикреплена чувствительная волоконно-оптическая сетка. При попытке разрезать или деформировать сетку сигнал тревоги дает волоконно-оптический датчик. При попытке перелезть через ограждение активируется проводно-натяжной (электромеханический) датчик, имеющий регулируемый порог срабатывания (натяжение от 15 до 40 кг).


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Волоконно-оптический сигнальный барьер FiberMESH 2005 фирмы Magal

Сигнальное ограждение FiberMESH 2005 поставляется в виде секций длиной 10 м и высотой 2,0, 2,5 или 3,0 м. Соседние секции соединяются механически и состыковываются по оптическому каналу. Стандартная длина одной зоны составляет 100 м.

Электронный блок для обработки сигналов располагается в центре зоны; к нему подключаются две 50-метровых половины волоконно-оптического барьера и преобразователь натяжного датчика. С контрольным постом электронный блок периметральной системы соединяется через интерфейс RS-422. Система питается от источника напряжением 10-30 В; потребляя в дежурном режиме ток 4 мА и в режиме тревоги - ток 45 мА. По сообщению разработчиков, система устойчива к ветрам со скоростью до 70 км/ч и сохраняет работоспособность при дожде и снеге; диапазон рабочих температур - от -30 до +72 oС.

Канадская компания Senstar-Stellar выпускает волоконно-оптическую охранную систему IntelliFIBER, предназначенную для защиты сетчатых периметральных оград. Сенсорный кабель содержит две волоконно-оптические жилы в защитной оболочке; сенсор крепится непосредственно к ограде. Оптические жилы подключаются с помощью стандартных оптических разъемов типа ST к выходу полупроводникового лазера и входу фотоприемника на плате анализатора. Электронный блок регистрирует изменения оптических параметров кабеля, вызванные деформациями ограды при попытках вторжения. Интересно, что конструктивное решение новой системы базируется на использовании электронного блока Intelli-FLEX от широко известной охранной системы той же фирмы, использующей в качестве датчика вибрационно-чувствительный коаксиальный кабель. При использовании оптического кабеля электронный блок дополняют оптическим модулем, который содержит лазерный излучатель, фотоприемник и измеритель мощности принимаемого излучения со светодиодным индикатором. Сам оптический модуль потребляет мощность 1,2 Вт; при его установке сохраняются функции всех сигнальных кабелей, подключаемых к стандартному процессору серии Intelli-FLEX.

Процессор Intelli-FLEX настраивается на обнаружение двух основных типов вторжения - перелезание через ограду или разрушение ее. По каждому из каналов в процессоре задаются пороги чувствительности, минимальная продолжительность вторжения и временное окно счетчика событий. С помощью автономного программатора задаются параметры чувствительности процессора и режимы компенсации погодных условий. Максимальная протяженность одной зоны охраны с волоконно-оптическим сенсором составляет 2 км; диапазон рабочих температур системы - от -40 до +70 oС. Как и все волоконно-оптические устройства, данная система характеризуется невосприимчивостью к электромагнитным и радиочастотным помехам. Для защиты электронного блока от грозовых разрядов применены газовые разрядники на всех релейных выходах, а также на клеммах кабелей питания и сигнализации.

Cистемы для защиты тяжелых оград и стен

Чувствительность волоконно-оптического сенсора обычно недостаточна для непосредственной регистрации вибраций тяжелых металлических оград, поэтому изготовители охранных систем разрабатывают специальные барьеры с интегрированными в них волоконно-оптическими сенсорами.

Для защиты жестких металлических оград израильская фирма Magal разработала систему INNO-FENCE. Отличительная особенность системы состоит в том, что волоконный датчик встроен в верхний горизонтальный канал панели ограды (рис. 14), через которую проходят вертикальные стойки ограды. Датчик полностью скрыт крышкой (не показанной на рис. 14); он реагирует на деформации горизонтального канала ограды, возникающие при попытке ее преодоления. Многомодовый волоконный кабель имеет сердечник со структурой 100/140 мкм, удельное поглощение - 7 дБ/км. В системе использован полупроводниковый лазер с длиной волны 850 нм и эффективной полосой частот не менее 200 МГц. Электронный блок приемника/передатчика анализирует сигналы кабеля и выдает сигнал тревоги при превышении определенного порога механического воздействия на ограду. По заявлениям разработчиков, система отличается низким уровнем ложных тревог и практически не нуждается в техническом обслуживании. Однако недостатком системы является ее относительно низкая чувствительность. Для срабатывания системы к ограде требуется приложить усилие более 40 кг или деформировать жесткие прутья ограды. Поэтому система будет регистрировать только «силовые» вторжения, сопровождаемые значительными механическими воздействиями. Двухзонный электронный блок системы INNO-FENCE - FOST питается от источника напряжением 12 В, потребляя в дежурном режиме ток всего 4 мА. Он имеет релейные выходы и интерфейс RS-422 для передачи данных. Диапазон рабочих температур системы от-20 до+71 oС.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 14. Сенсорный кабель системы INNO-FENCE фирмы Magal, вмонтированный в специальную металлическую ограду

Австралийская компания FFT разработала серию специальных барьеров типа Secure Fence Palisade с интегрированными в них сенсорами. На рис. 15 показан один из таких барьеров. Оптический сенсорный кабель скрыт в верхнем коробчатом канале, через который проходят вертикальные стойки ограждения. Эти стойки имеют определенную степень свободы и могут слегка перемещаться, поворачиваться или вибрировать при механическом воздействии, генерируя сигнал в прикрепленном к стойкам сенсорном кабеле. Система обнаруживает различные виды вторжения - перелезание, перепиливание или раздвижение стоек.

Для защиты жестких стен и барьеров фирма Remsdaq выпускает систему Optimesh, где волоконно-оптические кабели образуют сеть с квадратными ячейками, которую монтируют внутри стен или перегородок. Система срабатывает только при обрыве кабеля, поэтому она регистрирует только жесткие «силовые» воздействия (например, пролом стены). Очевидно, что при таком критерии детектирования вероятность ложных срабатываний получается достаточно низкой.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 15. Жесткий барьер системы Secure Fence Ра/isade с интегрированным волоконно-оптическим сенсором

Подземные системы с волоконно-оптическими кабелями

Задача охраны неогражденных границ объекта, когда датчики требуется устанавливать скрытно, т.е. располагать их под землей, не относится к разряду простых. Несколько зарубежных фирм используют для этой цели волоконно-оптические кабельные датчики.

Система SabreLine фирмы Remsdaq предназначена для защиты подходов к объектам или для охраны запретных зон (рис. 16). Оптический кабель 1 располагается вдоль границы охраняемого периметра и маскируется защитным покрытием. Кабель помещают между двумя эластичными матами 2 и укладывают в виде параллельных петель с шагом 20 см под поверхностью земли 3 на глубине 5 см. Сенсор обнаруживает изменения давления, вызываемые идущим или ползущим человеком. Кабель имеет сердечник диаметром 100/140 мкм; внешний диаметр кабеля - 2,4 мм. Излучатель и анализатор по своим характеристикам аналогичны системе SabreFonic. Электронный блок 4 устанавливают под землей в специальном колодце 5, закрытом металлической крышкой 6. Подземный сигнальный кабель 7 соединяет анализатор с контрольной панелью 8. Фирма Remsdaq утверждает, что при правильной подготовке периметральной траншеи подземная охранная система эффективно работает в пустынях, на травяных и гравийных грунтах, а также под асфальтовыми дорогами.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Структурная схема подземной волоконно-оптической системы SabreLine фирмы Remsdaq

Система F-7000-FOBS компании TSS также предназначена для подземной установки и регистрирует давление почвы, создаваемое нарушителем (рис. 17). Для этого оптический кабель помещают на глубине 5-10 см под поверхностью грунта, изгибая его в виде петли, перекрывающей полосу шириной 1-2 м. Для обеспечения высокой и однородной чувствительности кабель укладывают на легкую металлическую решетку и сверху накрывают такой же решеткой. Эта система может применяться практически во всех типах грунта - песок, гравий, глинистые почвы и т.п.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Волоконно-оптическая система F-7000-FOBS для подземного применения

В качестве датчика во всех вариантах системы F-7000 используется многомодовый волоконно-оптический кабель в прочной защитной оболочке. Источник излучения - полупроводниковый лазер с длиной волны 1,3 мкм. Максимальная длина кабеля - 5000 м; для стыковки с процессором используются стандартные разъемы типов FC или ST. Процессоры серии F-7500 выполняются в двух- или четырехзонных вариантах. Они помещены в пластиковые герметизированные корпуса размером 300 х 400 х 200 мм; для питания используется источник напряжением 12 В/0,5 А с резервной батареей.

В подземной системе компании FFT, получившей название Secure Fence BGS (от Below Ground System - Подземная система), два отдельных сенсорных кабеля прокладываются вдоль периметра. Обычно эта система применяется как второй рубеж охраны, параллельный основной ограде. Кабели укладываются в траншею на глубине 50...75 мм и прикрепляются к пластиковой сетке, которая повышает чувствительность системы и вероятность регистрации идущего по земле человека. Корреляционная обработка сигналов от обоих волоконно-оптических кабелей позволяет отфильтровать сигналы помех (шум дождя, транспорта и т.п.) и выделить на их фоне сигналы реального вторжения. Система позволяет обнаруживать идущего или бегущего нарушителя, а также регистрировать попытки подкопа под линией периметра. При использовании технологии МSL точность локализации вторжения системы Secure Fence BGS составляет 100 м при максимальной длине одной зоны до 60 км

О возможности применения волоконно-оптических систем для обнаружения пересекающего рубеж нарушителя заявляет компания Fiber SenSys (США). К сожалению, детальной информации о таких применениях компания не представляет, а при личном общении с автором данной статьи технические сотрудники компании признали, что вопрос эффективности подземного применения волоконных охранных систем еще требует своего решения.

Системы для защиты водных рубежей

Для защиты морских и подводных объектов компания TSS (Израиль) выпускает волоконно-оптическую систему F-8000-Marinet Чувствительным элементом системы является сеть, по параметрам аналогичная сети системы F-5000, и отличающаяся лишь наличием дополнительной оболочки, защищающей волокно от соленой воды. Сеть выпускается в двух вариантах -для крепления к жестким конструкциям охраняемого объекта и для установки в открытых акваториях (рис. 18). Во втором случае сеть устанавливают на скрепленных друг с другом трубчатых поплавках 1, к которым крепятся подводная 2 и надводная 3 части сети. Такой сетчатый датчик используют для защиты причалов, отдельно стоящих судов и т.п. Типовая протяженность одной зоны охраны - 100 м. Процессор F-8005 регистрирует попытки разрезать, разорвать, растянуть, замкнуть или смять сеть. При этом в процессоре предусмотрена фильтрация фоновых шумов, вызываемых морскими волнами.

Специально для подводного применения компания Remsdaq разработала волоконно-оптическую сеть, получившую название Aquamesh. Сенсорный кабель этой системы помещен в жесткую защитную оболочку. Такая сенсорная сеть применяется для охраны водозаборных каналов, морских буровых установок и т.п.


Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра

Рис. 18. Система F-8000 Marinet для охраны подводных объектов

Заключение

Волоконно-оптические сенсорные кабели находят широкое применение в системах охраны периметров.

Привлекательной особенностью таких систем является невосприимчивость сенсоров к электромагнитным излучениям и электробезопасность.

В большинстве систем используются промышленно выпускаемые волоконно-оптические кабели; хотя для тяжелых оград чувствительность таких сенсоров в ряде случаев оказывается недостаточной.

Волоконные датчики, построенные из диэлектрических элементов, применяются на металлических оградах, тяжелых жестких стенах, а также под землей и под водой.

Максимальная длина одной зоны охраны может достигать десятков километров.

К ограничениям применения оптоволоконных систем можно отнести сложность процедуры сращивания и ремонта кабелей в полевых условиях, для которых требуется применение дорогостоящего устройства для сварки волокон.

Об авторе: Борис Сергеевич Введенский, канд. физ.-мат. наук, генеральный директор фирмы «БИС-инжиниринг»

Автор: Б. Введенский, Мир и безопасность №4-5, 2006


Код для размещения на форумах или блоге

«
»