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.

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.