ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАБОТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПРИ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ В СИСТЕМАХ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА

По сути, существует три основных метода обнаружения основанных на применении волоконно-оптических датчиков, используемых в сфере обеспечения безопасности, в частности, в системах физического обнаружения вторжений (СФОВ);

1) интерферометрия;

2) рассеяние;

3) системы метод на основе волоконной Брэгговской решетки.

Старые волоконно-оптические методы применяемые в системах безопасности используют рассеяние и интерферометрию. Хотя данные методы являются довольно эффективными для определенных систем, у них есть свои недостатки.

Теория интерферометрии является развитой и хорошо изученной. Сущность заключается в зондировании оптического волокна светом от источника оптических волн, разделении с помощью ответвителя в соотношении 50/50 и распределении либо через два отдельных волокна, либо в противоположных направлениях через одно и то же волокно. Любое внешнее воздействие на волокна приведет к дисбалансу фаз двух волн. В системах безопасности этот метод можно использовать для обнаружения вибраций от шагов злоумышленника. Методы, использующие интерферометрию, имеют множество различных конфигураций, таких как: Маха-Цендера, Фабри-Перо, Майкельсона, Саньяка и кольцевого резонатора (рисунок 1).

Рисунок 1. Волоконно-оптические интерферометры: (а) Маха-Цендера; (б) Фабри-Перо; (в) Майкельсон; г) Саньяк; и (д) кольцевой резонатор

В многомодовом волокне различные моды входного сигнала интерферируют друг с другом во время прохождения по оптическому волокну, что затем можно использовать для создания спекл-структуры. Этот метод называется спекл-анализом или интермодальной интерференцией. Любое внешнее возмущение, действующее на волокно во время прохождения по нему света, приведет к изменению изображения, что приведет к обнаружению возмущения.

Оптическое рассеяние во временной области широко используется в распределенном зондировании. В данном случае короткий световой импульс подается в волокно, часть которого отражается обратно на протяжении всей длинны оптической линии. Три разных типа света составляют обратно-рассеянный свет: Рэлея, Бриллюэна и Рамана, которые изображены на рисунке 2. Вибрации, вызванные злоумышленником, могут изменить амплитуду, фазу и частоту отраженных сигналов, что снова можно использовать для определения местоположения нарушителя.

Рисунок 2. Обратно-рассеянный рэлеевский, бриллюэновский и рамановский свет в оптических волокнах

В современных волоконно-оптических системах обнаружения физического вторжений в основном используется метод на основе волоконной Брэгговской решетки (ВБР). ВБР особенно чувствительны к изменениям температуры и давления. Однако сигналом от ВБР можно манипулировать так, чтобы он действовал в качестве датчика на большое количество возмущений окружающей среды. Известно, что ВБР чувствительны к изменению: уровня относительно первоначального положения, веса, оказывающего давление на неё и угла наклона самого волокна.

ВБР представляют собой дискретные спектрально отражающие компоненты, которые наносятся на сердцевину оптического волокна с помощью источника света высокой интенсивности и фазовой маски для создания чередующихся областей с разными показателями преломления. Разница в показателях преломления приводит к взаимодействию волн, распространяющихся вперед и назад. На рисунке 3 показан фундаментальный принцип работы ВБР. Решетку можно смоделировать как фильтр, в котором отражение света на каждом интерфейсе и регулярный период решетки Λ приводят к конструктивной интерференции при отражении на определенной длине волны, называемой длиной волны Брэгга, . Длина волны Брэгга определяется как:

,

где  — эффективный показатель преломления решетки для моды, распространяющейся в сердцевине волокна.
Следовательно, любое внешнее возмущение окружающей среды, которое вызывает изменение показателя преломления или периода решетки, приводит к изменению длины волны Брэгга и в следствии может быть обнаружено с помощью ВБР. Изменение длины волны Брэгга в зависимости от наведенной деформации описывается формулой:

,

где  и  — коэффициенты оптического растяжения;
 — коэффициент Пуассона.

Рисунок 3. Основной принцип работы ВБР

Использование технологии обнаружения на основе метода ВБР быстро растёт во многих сферах, таких как мониторинг состояния конструкций, и в настоящее время начинает внедряется в более распространенные системы. Развитие методов обработки сигналов оказывает прямое влияние на универсальность и эффективность систем на основе ВБР, обеспечивая высокую вероятность обнаружения нарушителей и низкий коэффициент ложных срабатываний. Более того, по мере увеличения разнообразия датчиков ВБР для обнаружения вторжений, таких как герконы на основе ВБР, наземные цифровые и аналоговые датчики давления на основе ВБР и системы обнаружения ВБР вмонтированные в ограждения, внедрение технологии ВБР в сфере безопасности будет увеличиваться. ВБР имеют потенциал для формирования комплексной системы безопасности, полностью основанной на единой технологии.

Подводя итог, можно определить две области дальнейшего развития систем безопасности с использованием волоконно-оптических датчиков:

1) электрическая и оптическая интеграция;

2) улучшение процедуры обработки сигналов.

Интеграция различных датчиков с электронными компонентами будет означать, что сложная и законченная система охраны, использующая цифровые и аналоговые волоконно-оптические датчики, и камеры наблюдения, может контролироваться с помощью одной простой системы диспетчерского управления. Кроме того, камеры наблюдения могут получать питание по оптическим волокнам с использованием фотонных преобразователей энергии, создавая почти полностью оптическую систему. Системы, включающие большое количество датчиков, потребуют усовершенствованных методов обработки сигналов и сбора данных. С помощью алгоритмов распознавания образов волоконно-оптические системы охраны смогут предотвращать проникновение потенциальных злоумышленников с помощью сигнализации. Например, возможно будет обнаружить необычное движение потенциального злоумышленника вокруг объекта до того, как произойдет физическое нарушение. Более того, какая бы волоконно-оптическая технология ни применялась, важным фактором при окончательном проектировании системы являются профессиональные процессы установки и удобное программное обеспечения для работы с данной системой.

1. Барнард Р. Л. Системы обнаружения несанкциониранного проникновения. – 2-е изд. – 1988 г.
2. Пан К., Уанг К.М., Ченг Ф. Измерение параметров многомодового оптоволокна при помощи анализа изменения интенсивности его спеклов. – 1994 г.
3. Пирсон Р. Л. Электронные системы безопасности. Руководство по оценке и выбору системных решений. – 2007 г.
4. Леунг Ц.Ю., Шанг И.Ф. Волоконно-оптический линейный датчик на основе интермодальной интерференции. – 1987 г.
5. Уайлд Г., Хинкли С. Акусто-ультразвуковые волоконно-оптические датчики: обзор и состояние имеющихся решений. – 9-е изд. – 2008 г.

Все статьи автора «author233»