На Карнаханской конференции 1981 года было представлено применение оптических волокон не как среды передачи, а как датчика, обнаруживающего несанкционированное проникновения, путём его разрыва. Предлагалось также использование волоконно-оптических кабелей, спрятанных в проволочных заграждениях или встроенных в оконные стекла, для обнаружения злоумышленников, усилия которых направлены на повреждение проволоки или разбивание стекла. Данные предложения были основаны на разработках корпорации GeneralTelephone & Electronics, специализирующихся на проектировании защитных волоконно-оптических ограждений, реагирующих на различные вибрации в близи их размещения. Однако в документе не хватало подробностей относительно конкретных методов работы системы, которые находились в стадии разработки.
В 1983 году была опубликована первая научная статья по волоконно-оптическим датчикам (ВОД), в которой конкретно описывался метод обнаружения вторжений, отличный от разрыва волокна. В документе подробно описывалась работа, выполненная корпорацией GeneralTelephone & Electronics в 1978 году, в ходе которой исследовалась возможность создания подземного датчика обнаружения вторжения на основе оптических волокон. Исследование показало, что из-за возникновения микроизгибов волокна в следствии воздействия на него злоумышленника, происходит лишь небольшое отклонение амплитуды сигнала от первоначального сигнала, но наблюдается значительное изменение анализируемой спекл-структуры.
Таким образом, на основе полученных результатов, был предложен метод преобразования изменения поляризации оптического сигнала в электрический для обнаружения воздействия на оптическую среду злоумышленником. Результаты показали, что нарушителя можно обнаружить, при укладке волокна в грунт разной структуры и на разной глубине. Также было предложено использовать пороговый детектор для минимизации количества ложных срабатываний, чтобы только те сигналы, которые превышают пороговое значение, вызывали срабатывание системы. Кроме того, исследования показали, что дождь не вызвал ощутимых помех в работе системы.
В 1984 году Научно-исследовательский центр Бельвуара в США добился серьёзных успехов в области волоконно-оптической технологии для обеспечения физической безопасности. В основном внимание уделялось использованию волокон в качестве среды передачи, хотя также описывалась разработка волоконно-оптической системы для обнаружения злоумышленников при помощи оценки изменении её микроизгибов при оказании физического давления.
Благодаря этим первым достижениям, в последующие годы появился ряд волоконно-оптических систем охраны. Первоначальные результаты показали, что кабель, закопанный на глубину 30 см, способен обнаруживать вибрации человека весом 60 кг, идущего на расстоянии 3 м от волокна. Также было доказано, что улучшенной чувствительностью обладает распределенная сенсорная система, состоящая из 8 волокон и имеющая ширину 10 м на расстояние 2,5 км. Как правило использовались системы с кабелями, закопанными на двух разных глубинах, которые характеризовались соответственно низкой и высокой чувствительностью для компенсировали вторым частоту ложных срабатываний всей системы. Хотя система была неэффективной из-за большого количества помех природного характера, вызывающих ложные срабатывания, её разработка сыграла важную роль в дальнейшем развитии данного вида систем безопасности.
На Карнаханской конференции 1988 года были представлены три статьи об использовании волоконно-оптических кабелей в системах физического обнаружения нарушителей. Хотя все эти статьи были посвящены использованию волокон в качестве среды передачи данных, стоит отметить постепенный рост использования оптических технологий в системах безопасности на протяжении 1980-х годов. В отчетах разработчиков прослеживается подробно описанное развитие автономных систем безопасности с начала 1970-х годов до централизованных систем мониторинга в 1980-х годов. Такая централизация связана с тем, что данные о срабатывании систем охраны и видео с камер видеонаблюдения становилось необходимо отправлять на гораздо большие расстояния и с большей скоростью, а это означало, что использование волоконно-оптических систем становилось наиболее привлекательным решением в данной ситуации. В это же время в статьях появляются сообщения о разработке волоконно-оптических устройств, таких как: разветвители, соединители, мультиплексоры, переключатели, датчики (например, датчики обнаружения проникновения через ограждение), а также всевозможные кабели, лазеры и детекторы. Постоянное развитие каждого из этих устройств стало движущей силой растущего спроса на системы охраны основанных на волоконно-оптических технологиях.
В эти же годы было предложено использование нескольких волоконно-оптических датчиков на одном волокне, которое затем можно будет выносить за пределы контролируемой зоны, образуя канал управления системой защиты периметра. Это достижение стало возможным благодаря новому механизму мониторинга измеряемых величин. Данный механизм смещения и деформации означал, что один интерферометр можно было использовать для мониторинга нескольких датчиков.
В 1989 году были проведены исследования, в ходе которых проверялось несколько различных методов обнаружения, которые могли бы использоваться в качестве подземных датчиков обнаружения. Первый метод, потери на изгибе, был недостаточно чувствителен при закапывании в землю, но лучше подходил для применений, где волокно испытывает значительную нагрузку, например, на ограждения. Второй метод, изменение спекл-структуры, был наиболее чувствительным и доступным. Однако он был чрезвычайно чувствителен к внешним факторам, таким как условия окружающей среды. Для решения данной проблемы было уделено особое внимание поляризации в одномодовых волокнах, возникающей при оказании давления на волоконно-оптический датчик. Интересно, что для решения ряда проблем разработчики решили использовать две независимые системы обнаружения с двумя анализаторами, расположенными примерно в 45 градусах относительно друг от друга.
Следующим шагом в развитии данного типа систем стало появление волоконно-оптической сигнализации, которая измеряла разницу во времени прохождения отдельных мод, передаваемых по волокну. Утверждалось, что этот метод увеличил динамический диапазон системы по сравнению с методами, основанными на отражении. Также было доказано, что разрешение системы можно улучшить, используя интерферометр Майкельсона для анализа разницы мод.
С 1990 году начинают обсуждаться разработки оптических волокон в качестве датчиков обнаружения вторжений, при этом особое внимание уделялось соответствию высокой вероятности обнаружения нарушителя (ВОН) к низкому количеству ложных срабатываний (КЛС) для различных используемых подходов. Заявлялось, что вмонтированные волоконно-оптические датчики, которые встроены в колючую проволоку и прикреплены к забору или стене, являются наиболее надежными датчиками и обеспечивают очень низкое число ложных срабатываний и чрезвычайно высокую чувствительность. Если волокно будет перерезано, сломано или сильно деформировано, сработает сигнал тревоги. Датчики анализа спекл-структур можно было встроить в землю или в забор для мониторинга низкочастотных возмущений или высокочастотных вибраций, таких как акустические сигналы, хотя эффективность системы зависела от обработки сигналов и отрегулированных порогов срабатывания, а, следовательно, от соотношения КЛС и ВОН.
Пять лет спустя, в 1995 году были представлены разработки первых волоконно-оптических датчиков обнаружения вторжений. Параллельные разработки электронных компонентов, таких как лазерные диоды, а также соединители, сварочные аппараты и ручные инструменты, быстро увеличили использование ВОД, одновременно сведя к минимуму время установки и ремонта таких систем охраны. Также открываются два метода оптического зондирования: непрерывный и с помощью помех. Непрерывный — это метод, при котором приемник непрерывно принимает оптический сигнал малой мощности и срабатывает, если путь света прерывается. Используемые помехи, относятся к сигналу, в котором изменение интенсивности света или распределения отраженных световых сигналов представляет собой определенное значение измеряемой величины. К различным системам в области безопасности, где применяются данные методы, относятся системы с натянутыми волокнами, в которых срабатывает сигнализация в случае обрыва провода или волоконно-оптический дверной контакт, который прерывает световой путь, используя магнит в качестве переключателя. В этом и заключается основная идея волоконно-оптического геркона. Кроме того, волоконно-оптическая сетка, в которой два или более волокон сплетены вместе, образуя сетчатый барьер, прочная форма, используемая в качестве подводного барьера. Параллельно с этими разработками разрабатывается тестирование интегрированных систем, которые взаимодействуют друг с другом, обмениваясь данными и контролируют все уровни наблюдения и обработки сигналов тревоги.
Таким образом, растущие требования к системам охраны, связанные с увеличением расстояний охраняемых периметров, увеличением объёма циркулирующих данных, запросы по снижению количества ложных срабатываний и увеличению вероятности обнаружения нарушителя, привели к необходимости разработки новых принципов мониторинга охраняемых участков. Как показала практика, именно системы с применением волоконно-оптических датчиков наиболее эффективно справились с данными требованиями, что послужило толчком в развитии новых методов анализа оптического сигнала и совершенствовании существующих оптических компонентов и сделала данные системы наиболее привлекательными при охране различных объектов в конце двадцатого века.
Библиографический список
- Барнард Р. Л. Системы обнаружения несанкциониранного проникновения. – 2-е изд. – 1988 г.
- Пан К., Уанг К.М., Ченг Ф. Измерение параметров многомодового оптоволокна при помощи анализа изменения интенсивности его спеклов. – 1994 г.
- Пирсон Р. Л. Электронные системы безопасности. Руководство по оценке и выбору системных решений. – 2007 г.
- Леунг Ц.Ю., Шанг И.Ф. Волоконно-оптический линейный датчик на основе интермодальной интерференции. – 1987 г.
- Уайлд Г., Хинкли С. Акусто-ультразвуковые волоконно-оптические датчики: обзор и состояние имеющихся решений. – 9-е изд. – 2008 г.