ОБЗОР ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА А. Куликов СПбГУИТМО, А. Игнатьев СПб ИГО В олоконно*оптические кабели, используемые для передачи ин* формации, могут применяться в качестве датчиков для измерения де* формаций, вибраций и других механиче* ских воздействий. Все более широкое применение такие датчики находят в со* временных системах безопасности, в част* ности в целях создания сигнальных ру* бежей для охраны периметральных оград. Привлекательность волоконно*опти* ческих технологий определяется несколь* кими факторами. Эти сенсоры невоспри* имчивы к электромагнитным излучениям и электробезопасны. Кроме того, в качес* тве сенсоров в большинстве случаев мож* но использовать промышленные коммуни* кационные кабели, которые выпускаются в широком ассортименте, а их стоимость ниже стоимости специально разрабатыва* емых кабельных датчиков. Внешние воздействия, такие как ме* ханическое давление, деформации или вибрации, изменяют параметры оптичес* кого волокна и, как следствие, характе* ристики проходящего через волокно из* лучения. В волоконно*оптических охранных системах используются несколько мето* дов регистрации сигналов вторжения: МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ МЕЖМОДОВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ Полупроводниковый лазер обычно генерирует несколько десятков близких по частоте мод (спектральных линий) с определенным распределением энергии по спектру излучения. Если многомодо* вый оптоволоконный кабель подвергает* ся механическим воздействиям, то на его выходе спектр излучения претерпевает изменения, что позволяет обнаруживать деформации или вибрации кабеля. МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ СПЕКЛСТРУКТУРЫ На выходе многомодового оптоволок* на наблюдается так называемая «спекл* структура», представляющая собой нере* гулярную систему светлых и темных пятен. При деформациях или вибрациях волок* на спекл*структура меняется. Для детек* тирования деформаций кабеля здесь при* меняют пространственно*чувствительные фотоприемники. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД В этом методе используется прин* цип двухлучевой интерферометрии. Луч лазера расщепляется на два и направ* ляется в два идентичных одномодовых оптических волокна. На приемном кон* це оба луча образуют интерферен* ционную картину. Механические воз* действия на чувствительный кабель приводят к изменениям интерферен* ционной картины, которые и регистри* руются фотоприемником. За последние годы разработано боль* шое количество охранных систем с воло* конно*оптическими сенсорами, которые применяются для защиты периметров раз* личных видов. В ходе подготовки данного материа* ла был проведен тщательный литератур* ный и патентный поиск, в процессе кото* рого выявилось полное отставание нашей страны в вопросе создания оптоволокон* ных систем охраны периметра. На сегод* няшний день на внутреннем рынке прак* тически не представлено подобных систем, однако ряд зарубежных фирм с успехом наладило их производство. Анализ имеющейся информации по* зволил разделить все существующие на зарубежном рынке волоконно*оптичес* кие охранные системы на подгруппы по способу их применения: ■ Системы для защиты металлических оград. ■ Системы для защиты тяжелых оград и стен. ■ Подземные системы с волоконно*оп* тическими кабелями. ■ Системы для защиты водных рубежей. СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОГРАД При защите оград сенсорный кабель, как правило, устанавливается непосред* ственно на ограде. Сенсор преобразует вибрации ограды в электрические сигна* лы, которые поступают на процессор (ана* лизатор). Процессор, в соответствии с за* данным алгоритмом, выделяет сигнал вторжения на фоне окружающих шумов и 57 Рис. 1. Структурная схема многозонной охранной системы Рис. 2. Структурная схема технологии MSL для обнаружения микродеформаций волоконно*опти* ческого кабеля затор системы. Источник излучения рас* положен в блоке анализатора, от него из* лучение 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 ко* тором происходит интерференция. Если оба плеча этого интерферометра нахо* дятся в невозмущенном состоянии, то ин* терференционная картинка на оконеч* ном модуле остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля на анализатор, не имеет перемен* ной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (в пле* чах интерферометра) изменяется, и око* нечный модуль регистрирует переменную составляющую сигнала, передавая ее на анализатор. В системе MSL используются серийно выпускаемые одномодовые оп* тические волокна с диаметром сердечни* ка 9 мкм. Очевидно, что длина зоны в несколь* ко десятков километров неудобна для практического применения. Охраннику необходима информация о конкретном месте вторжения, без которой сигнал тре* воги будет, практически, бесполезен. По* этому весьма интересно, что модифици* рованная технология MSL позволила реализовать функцию определения мес* та вторжения с достаточно высокой точ* ностью. Для локализации вторжения применена оригинальная технология сравнения сигналов вторжения в обоих плечах интерферометра, которая обеспе* чивает точность локализации до несколь* ких десятков метров. Наилучшие характеристики для таких систем примерно следующие: ■ протяженность одной зоны охраны до 80 км; ■ точность обнаружения места втор* жения на металлических оградах до 25 м. Основное ноу*хау разработок сосре* доточено в весьма дорогом программном обеспечении, используемом для обработ* ки сигналов сенсоров и локализации Рис. 3. Сенсорный кабель на тяжелой ограде «палисадного» типа perimeter defense генерирует сигнал тревоги. Существуют две основные техноло* гии детектирования с использованием волоконно*оптических датчиков. 1. 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 ка* бель. Излучение от полупроводникового лазера подается в чувствительное волок* но, и анализатор регистрирует отражен* ный от концевого модуля сигнал. При перемещениях или вибрациях во* локна изменяется распределение энер* гии между отдельными модами. В таких системах охраны используются многомо* довые оптические волокна с диаметром сердечника 62,5 мкм. Источником света служит полупроводниковый лазер мощно* стью 1...2 мВт, работающий на длине вол* ны 1,31 мкм. Технология M/V позволяет регистрировать вибрации в диапазоне ча* стот от нескольких герц до 300...600 Гц. Системы на базе многомодовых волокон используются главным образом на элас* тичных (деформируемых) оградах. В 2006 году на рынке появилась тех* нология многозонной волоконно*опти* ческой системы охраны периметров M/V, в которой один процессор обслуживает до 8 отдельных зон охраны. Все зонные сен* сорные кабели подключаются к процес* сору через многожильный коммуникаци* онный оптический кабель (рис. 1). Длина сенсорного кабеля в зонах охраны не ог* раничивается жестко; ограничена только общая протяженность сенсора и соответ* ствующего коммуникационного кабеля в данной зоне, которая не должна превы* шать 40 км или 10 км (в зависимости от системы). Эти системы привлекательны для организации охраны серии удален* ных объектов небольшой протяженнос* ти, когда на периметрах не требуется под* ключать электропитание и устанавливать электронное оборудование. Коммуника* ционный оптический кабель в этих случа* ях может быть скрытно проложен под зем* лей. Для передачи сигналов от сенсоров можно также использовать проложенные ранее стандартные связные оптические кабели. 2. Вторая технология построена на принципе обнаружения микронапря* жений в оптическом волокне и получила сокращенное название MSL (от MicroS* train Locator – Локатор микродеформа* ций). На рисунке 2 показана структурная схема системы на MSL. В состав протя* женного датчика входят три отдельных волокна многожильного оптического ка* беля. Два верхних волокна выполняют функцию чувствительных элементов: в них подается излучение от полупроводни* кового лазера, работающего в непрерыв* ном режиме. Третье (выходное) волокно служит для передачи сигналов на анали* Алгоритм безопасности № 4 2010 ОХРАНА ПЕРИМЕТРА Алгоритм безопасности № 4 2010 вторжения. Поэтому применение такой системы для небольших периметров невы* годно. 3. Примером третьей технологии является периметральная охранная сис* тема, которая представляет собой ком* бинацию волоконно*оптического сенсо* ра и проводно*натяжного барьера. Сенсорный кабель монтируется на опор* ных столбах высотой 3,2 м. Лучи из ко* лючей проволоки механически связаны с волоконными сенсорами на опорных Рис. 7. Структурная схема многозонной охранной системы с локализацией множественных вторжений perimeter defense 58 Рис. 4. Сигнальный барьер системы Sabre Та* ре фирмы Remsdaq столбах, которые регистрируют изменения натяжения проволоки. Максимальная дли* на отдельной зоны – 4 км. Фирма*изго* товитель отмечает очень высокую обна* руживающую способность системы при весьма умеренной стоимости ее обслу* живания. Также существует аналог вышеука* занной системы, предназначенный для защиты периметров из сетчатых или ре* шетчатых металлических оград. В этой системе волоконно*оптический датчик прикреплен к режущей ленте, смонтиро* ванной на ограде или козырьке (рис. 4). Оцинкованная стальная лента толщиной 0,5 мм и шириной 20 мм натянута так, что попытка перелезть через ограду вызыва* ет механические деформации, регистри* руемые сенсором. Система рассчитана на обнаружение только весьма энергичных действий нарушителя, но зато практиче* ски не дает ложных срабатываний. 4. Существует еще один подход к построению сигнального барьера. Датчи* ком периметральной системы является сеть, спаянная из одножильного много* модового оптического волокна, защищен* ного пластиковой оболочкой, упрочнен* ной кевларом (рис. 5). В зависимости от выбора порога сра* батывания система выдает сигнал тре* воги при натяжении или при обрыве волокна в любой из ячеек сети. Волокон* но*оптическая сеть (1) (рис. 5) устанав* Рис. 5. Сигнальный барьер Рис. 6. Расположение сенсорного кабеля системы в виде замкнутой петли ливается автономно или крепится рядом с уже существующей оградой (2). Система может также встраиваться в стены (защита зданий и помещений) или монтироваться под землей на глубине до 50 см (противоподкопные барьеры). 5. Помимо вышеуказанных, выпу* скаются системы, в которых сенсорные кабели монтируются на ограде в виде зам* кнутой петли (рис. 6), так что оба конца сенсора подключены к процессору с по* мощью стандартных оптических разъемов. Максимальная длина одной зоны охраны составляет 2 км. Такие системы приме* няются на различных металлических ог* радах, а также для защиты крыш и стен зданий. В таких системах использованы не се* рийные, а специально разработанные оп* тические кабели, отличающиеся от стан* дартных оболочкой оптических волокон. Эти оболочки устроены так, чтобы повы* сить чувствительность кабеля к внешним механическим воздействиям – давлению, деформациям и вибрациям. В сенсорах использованы многомодовые оптические волокна. Процессор системы регистри* рует изменения спекл*структуры прошед* шего через кабель лазерного излучения. 6. Шестой вид систем называет* ся – системы с локализацией множест* венных вторжений. Структурная схема та* кой системы показана на рисунке 6. К процессору (1) (рис. 7) подключается до 50 отдельных зон охраны. Максимальная общая протяженность сенсоров, подключенных к одному про* цессору, составляет 2 км; максимальная протяженность одной зоны – 100 м. При Рис. 8. Волоконно*оптический сигнальный барьер CИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЯЖЕЛЫХ ОГРАД И СТЕН Чувствительность волоконно*оптиче* ского сенсора обычно недостаточна для непосредственной регистрации вибра* ций тяжелых металлических оград, по* этому изготовители охранных систем раз* рабатывают специальные барьеры с интегрированными в них волоконно*оп* тическими сенсорами. 1. Система с встроенным волокон* ным датчиком. Особенность системы в том, что волоконный датчик встроен в верхний горизонтальный канал панели ограды (рис. 9), через которую проходят вертикальные стойки ограды. Датчик пол* ностью скрыт крышкой (не показанной на рис. 9); он реагирует на деформации горизонтального канала ограды, возни* кающие при попытке ее преодоления. По заявлениям разработчиков, система от* личается низким уровнем ложных тревог и, практически, не нуждается в техниче* ском обслуживании. Однако недостатком системы является ее относительно низ* кая 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 значитель* ными механическими воздействиями. 2. Жесткий барьер с интегриро* ванными в него сенсорами. На рисунке 10 показан один из таких барьеров. Опти* ческий сенсорный кабель скрыт в верхнем коробчатом канале, через который прохо* дят вертикальные стойки ограждения. Эти стойки имеют определенную степень сво* боды и могут слегка перемещаться, пово* рачиваться или вибрировать при механи* ческом воздействии, генерируя сигнал в прикрепленном к стойкам сенсорном ка* беле. Система обнаруживает различные виды вторжения – перелезание, перепи* ливание или раздвижение стоек. 3. Для защиты жестких стен и ба* рьеров также выпускается система, в ко* торой волоконно*оптические кабели об* разуют сеть с квадратными ячейками, ко* торую монтируют внутри стен или пере* городок. Система срабатывает лишь при обрыве кабеля, поэтому она регистриру* ет только жесткие «силовые» воздействия (например, пролом стены). Очевидно, что при таком критерии детектирования ве* роятность ложных срабатываний получа* ется достаточно низкой. ПОДЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ С ВОЛОКОННО!ОПТИЧЕСКИМИ КАБЕЛЯМИ Задача охраны неогражденных гра* ниц объекта, когда датчики требуется ус* танавливать скрытно, т.е. располагать их под землей, не относится к разряду про* стых. Существует несколько видов воло* конно*оптических кабельных датчиков для решения таких задач. 1. Система для защиты подходов к объектам или для охраны запретных зон (рис. 11). Оптический кабель располага* ется вдоль границы охраняемого пери* метра и маскируется защитным покрыти* ем. Кабель помещают между двумя эластичными матами и укладывают в ви* де параллельных петель с шагом 20 см под поверхностью земли на глубине 5 см. Сенсор обнаруживает изменения давле* ния, вызываемые идущим или ползущим человеком. 2. Другой тип систем также пред* назначен для подземной установки и ре* гистрирует давление почвы, создаваемое нарушителем (рис. 12). Для этого оптиче* ский кабель помещают на глубине 5*10 см под поверхностью грунта, изгибая его в виде петли, перекрывающей полосу шири* ной 1*2 м. Для обеспечения высокой и однородной чувствительности кабель ук* ладывают на легкую металлическую ре* шетку и сверху накрывают такой же ре* шеткой. Эта система может применяться практически во всех типах грунта – пе* сок, гравий, глинистые почвы и т.п. К сожалению, детальной информации о таких применениях не представлено, но признается, что вопрос эффективности под* земного применения волоконных охран* ных систем еще требует своего решения. Рис. 9. Сенсорный кабель системы, вмонти* рованный в специальную металлическую ог* раду Рис. 10. Жесткий барьер с интегрированным волоконно*оптическим сенсором Рис. 11. Структурная схема подземной воло* конно*оптической системы СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ РУБЕЖЕЙ Для защиты морских и подводных объ* ектов выпускается волоконно*оптическая система с чувствительным элементом в ви* де сети, по параметрам аналогичная сети системы, указанной в п. 4 для систем охра* Рис. 12. Волоконно*оптическая система для подземного применения 59 perimeter defense рекомендованной общей длине сенсора 500 м и максимальном числе зон (50) точ* ность локализации вторжения составля* ет 10 м, что соответствует длине отдель* ной зоны. Длина соединительного пассивного кабеля – до 5 км. 7. Помимо всего прочего, сущест* вует ряд систем, комбинирующих различ* ные технологии, например, рисунок 8. Верхним элементом сигнального козырь* ка является проводно*натяжной датчик, к которому прикреплена чувствительная волоконно*оптическая сетка. При попыт* ке разрезать или деформировать сетку сигнал тревоги дает волоконно*оптиче* ский датчик. При попытке перелезть че* рез ограждение активируется проводно* натяжной (электромеханический) датчик, имеющий регулируемый порог срабатыва* ния (натяжение от 15 до 40 кг). Алгоритм безопасности № 4 2010 ОХРАНА ПЕРИМЕТРА Алгоритм безопасности № 4 2010 perimeter defense 60 ны металлических оград, и отличающаяся лишь наличием дополнительной оболоч* ки, защищающей волокно от соленой воды. Такой сетчатый датчик используют для за* щиты причалов, отдельно стоящих судов и т.п. Типовая протяженность одной зоны охраны – 100 м. Необходимо отдельно отметить, что на сегодняшний день появился и активно развивается еще один тип охранных сис* тем, в котором используется более совре* менный и перспективный метод регистра* ции сигнала, основанный на применении Брэгговских решеток. МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ НА ОСНОВЕ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК Отражательные брэгговские решетки в сердцевине одномодового оптического волокна могут быть созданы ультрафио* летовым излучением эксимерного лазе* ра путем облучения через соответствую* щую маску либо голографическим способом (воздействием двух интерфе* рирующих лучей). Отрезок оптического волокна между двумя решетками пред* ставляет собой интерферометр Фабри* Перо, отражение (и пропускание) кото* рого зависит от оптической разности фаз отраженного от первой и второй решет* ки оптического сигнала. Под воздей* ствием деформации и акустических колебаний меняется разность фаз, а сле* довательно, и отражение. Интерфероме* трические датчики обладают наибольшей чувствительностью к изменению длины отрезка волокна под воздействием внеш* них факторов. Схема волоконно*оптиче* ского распределенного датчика с решет* ками на одну длину волны приведена на рисунке 13. В качестве источника излучения ис* пользуется одночастотный одномодовый Табл. 1. Характеристики системы охраны периметра на основе брэгговских решеток № ХАРАКТЕРИСТИКА 1 Высокая чувствительность охранной системы, к любым колебаниям. 2 Возможность изменения программно порога чувствительности, для снижения количества ложных срабатываний. 3 Получение сигнала не только о факте пересечения границы, но и о месте ее пересечения с точностью до 2-10 м. 4 Возможность использования охранной системы во всех четырех режимах работы: 1) Системы для защиты металлических оград. 2) Системы для защиты тяжелых оград и стен. 3) Подземные системы с волоконно-оптическими кабелями. 4) Системы для защиты водных рубежей. 5 Низкие затраты на установку системы: а) при креплении на уже существующую ограду достаточно только прикрепить чувствительное волокно к ограде; б) при использовании в качестве подземной системы охраны достаточно только проложить чувствительный волоконный кабель на глубине 0,2-1,5 и засыпать его землей. 6 Сравнительно небольшая себестоимость системы по сравнению с зарубежными системами со схожими характеристиками (не более 50 тыс. дол.). 7 Длина охраняемого периметра до 2-4 км, в зависимости от требуемой точности места пересечения границы. 8 Положение объекта, пересекающего границу, отображается в реальном времени на экране монитора, после факта пересечения система продолжает работать. 9 Система фиксирует и множественное пересечение границы. 10 Возможность определения по частотному спектру о характере нарушителя: а) человек; б) автомобиль. полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. Импульсы от каж* дой системы решеток приходят с различ* ной временной задержкой. Для разделе* ния сигналов от каждого участка используется временное мультиплекси* рование. Для демодуляции сигнала ис* пользуется синхронное детектирование, для этого в схему введен фазовый моду* лятор. Оптическая линия задержки фор* Рис. 13. Схема волоконно*оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны и временным демультиплексированием мирует серию импульсов, сдвинутых по времени, каждый их которых интерфери* рует с импульсом, отраженным от соот* ветствующего участка волокна. Решающую роль в реальном приме* нении подобных волоконно*оптических охранных систем играет материал покры* тия волокна, обеспечивающий увеличение чувствительности волокна на 30 дБ по сравнению с непокрытым волокном. В на* стоящее время ведется аналитическая ра* бота по построению модели взаимодей* ствия акустической волны с различными материалами, а также проводятся экспе* риментальные исследования увеличения чувствительности волокна к акустичес* кому давлению в зависимости от матери* ала оболочки. Приведем сводную таблицу характе* ристик системы охраны периметра на ос* нове брэгговских решеток (табл. 1). ВЫВОДЫ Опираясь на представленный об& зор существующих волоконно&опти& ческих систем охраны периметра, основанных на различных методах ре& гистрации, можно сделать вывод о том, что волоконно&оптические сен& сорные кабели находят широкое при& менение в системах охраны перимет& ров. Привлекательной особенностью таких систем является невосприим& чивость сенсоров к электромагнит& ным излучениям и электробезопас& ность. Однако, при всех достоинствах та& ких датчиков, системы, построенные на основе метода регистрации меж& модовой интерференции, метода ре& гистрации спекл&структуры или ин& терференционного метода, обладают рядом недостатков: 1. Системы, построенные на основе метода регистрации межмодовой интерференции, метода регист& рации спекл&структуры или интер& ференционного метода, не могут обеспечить одновременно охрану периметра на мягкой или твердой ограде, в земле или водных рубе& жей. При этом разработка подоб& ной «универсальной» системы существенно бы снизила ее стои& мость, позволила бы заказчику ос& тавлять право выбора установки и использования такой системы, а также при необходимости изме& нять условия ее применения. 2. Слабая развитость подземных сис& тем, несмотря на то, что этот вид охранных систем является на& иболее интересным с точки зре& ния охраны периметра, поскольку обладает рядом неоспоримых пре& имуществ, как&то: скрытность от предполагаемых злоумышлен& ников, невозможность каким&ли& бо способом заглушить или дать ложный сигнал в такой системе и обойти ее. 3. Крайне сложный и дорогостоящий процесс установки подземных сис& тем, так как системы вытянуты не в одну линию, а распределены по площади и состоят из несколь& ких раздельных элементов. 4. Невозможность фиксировать мес& то нарушения границы, а только факт этого события (кроме сис& темы на основе MSL, однако систе& ма на основе MSL является слиш& ком дорогой и требует установки ограждения в виде легкой металли& ческой сетки, что не всегда при& емлемо на больших периметрах ох& раняемых зон). Система охраны периметра на брэгговских решетках лишена боль& шинства вышеуказанных недостат& ков и превосходит по всем своим характеристикам большинство суще& ствующих аналогов. При этом наибо& лее интересным выглядит использо& вание данной системы в качестве подземной, что позволит вести скрытное наблюдение за всеми объек& тами, пересекающими охранную зону, а также создавать многоуровневые системы защиты. На сегодняшний день сотрудника& ми ООО «КБСТ ИТМО» собран макет во& локонно&оптической периметральной охранной системы на брэгговских ре& шетках, состоящий из одного чувстви& тельного сегмента длиной 3 м и схемы ввода&вывода оптического излучения. Созданный макет позволяет демон& стрировать все преимущества исполь& зования данной системы. Ведение дальнейших разработок по направлению создания волокон& но&оптической периметральной ох& ранной системы на брэгговских ре& ш е т к а х т р е б уе т п р и в л е ч е н и е средств инвесторов, а также вни& мание со стороны потенциальных заказчиков. При наличии финанси& рования ООО «КБСТ ИМТО» готово создать и установить на охраняе& мый объект полноразмерный пас& сивный участок волоконно&оптиче& ской охранной системы длиной 2,5 км, включающей в себя 100&125 чувствительных элементов 15&30 м каждый, в течение 1&1,5 лет. Алгоритм безопасности № 4 2010 ОХРАНА ПЕРИМЕТРА 61