Австралийская компания Future Fibre Technologies (FFT) использует две основных 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 (рис. 1) подключается к начальному и оконечному модулям. M/V-анализатор связан с начальным модулем через пассивный оптический кабель. Излучение от полупроводникового лазера подается в чувствительный элемент и система регистрирует отраженный от концевого модуля сигнал.
Рис. 1. Структурная схема технологии M/V фирмы FFT для обнаружения движения и вибраций волоконно-оптического кабеля
При перемещениях или вибрациях многомодового оптического волокна изменяется распределение энергии между отдельными модами. Эти изменения регистрируются оптическим фотоприемником и обрабатываются анализатором. В системе M/V используется 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. Система на базе многомодового волокна позволяет организовывать зоны охраны протяженностью до 6 км и используется главным образом на эластичных (деформируемых) оградах.
Вторая 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. 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 обоих лучей. По сути дела эта система является интерферометром. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка на его выходе, т.е. на оконечном модуле, остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля по выходному оптическому волокну на анализатор, не имеет переменной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (т.е. 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.
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.
Рис. 3. Схема многожильного волоконно-оптического кабеля фирмы FFT
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 увеличить длину отдельной зоны до 60 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. При отсутствии информации о конкретном месте вторжения сигнал тревоги будет почти бесполезен. Поэтому весьма интересно, что модифицированная технология MSL позволила реализовать функцию определения места вторжения с достаточно высокой точностью. Для этого используются три активных сенсорных волокна, конструктивно объединенных в многожильном оптическом кабеле. Два верхних волокна (рис. 4) используются для обнаружения вторжения интерферометрическим способом, а в третье волокно подается зондирующий сигнал, определяющий расстояние от начала кабеля до точки возникновения микродеформаций. Начальный и оконечный модули здесь используются для обработки сигналов от всех трех волокон. Данные о примененном методе локализации вторжения являются секретом фирмы, однако можно предположить, что здесь использована модифицированная технология оптической рефлектометрии во временном диапазоне (OTDR), применяемая для диагностики повреждений коммуникационных волоконно-оптических кабелей.
Рис. 4. Схема волоконно-оптической охранной системы фирмы FFT
с функцией обнаружения места вторжения
Разработанные фирмой FFT технологии реализованы в нескольких версиях охранных систем с протяженными сенсорами. Система Secure Fence в версии M/V предназначена для эластичных сетчатых оград. Длина отдельной зоны – до 2 км. Сенсорный кабель крепится непосредственно к сетке с помощью пластиковых стяжек. Начальный и оконечный модули (фото 1) помещаются под землей в стандартных телекоммуникационных колодцах, расположенных на краях зоны.
Фото 1. Начальный модуль системы Secure Fence в подземном колодце
Компания FFT выпускает 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/час; система автоматической коррекции регулирует параметры сенсоров при изменении температуры в диапазоне от –40° до +75° С. 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.
Для всех систем фирмы FFT анализатор конструктивно представляет собой промышленный компьютер, устанавливаемый на посту охраны. Алгоритм обработки сигналов сенсора позволяет отфильтровывать помехи окружающей обстановки (ветер, дождь, шум транспорта, птицы и т.п.). Анализаторы снабжены релейными выходами для управления дополнительным оборудованием.
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.
Для системы SabreFonic компания разработала новый 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. Напряжение питания анализатора – 10…14 В, потребляемый ток – 300 мА, диапазон рабочих температур от -10° до +70° С.
В системе SabreTape фирмы Remsdaq волоконно-оптический датчик прикреплен к режущей ленте, смонтированной на ограде или козырьке (фото 2). 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° С.
Фото 2. Сигнальный барьер системы SabreTape фирмы Remsdaq
Датчиком периметральной системы F-5000 Fibernet израильской фирмы TRANS Security Systems and Technology (TSS) является сеть, спаянная из одножильного многомодового оптического волокна, защищенного пластиковой оболочкой, упрочненной кевларом. 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 ТЕЕ-400. 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° С.
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. 5) 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 метра. 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, позволяющей 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.
Рис. 5. Сигнальный барьер охранной системы F-5000 фирмы TSS:
1 – сеть из волоконно-оптического кабеля; 2 – существующая ограда; 3 – фиберглассовые стойки; 4 – натяжные металлические трубки; 5 – волоконно-оптический кабель в упрочненной оплетке; 6 – оптические преобразователи
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 метра.
Американская компания Fiber SenSys Inc. выпускает несколько волоконно-оптических периметральных систем серии Fiber Defender (FD). Модель FD-205 предназначена как для охраны оград и стен, так и для подземной установки. Максимальная протяженность одной зоны охраны составляет 2000 м. Система использует цифровую обработку сигналов сенсоров; процессор системы 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-ми процессоров.
Система FD-208 предназначена для объектов с неблагоприятными условиями для работы электронной аппаратуры (электромагнитные помехи, агрессивные среды и т.п.). Все процессоры устанавливаются в стойке на посту охраны, который может быть удален от периметра на расстояние до 10 км.
Модификация системы, получившая наименование FD-220, использует как стандартные волоконные кабельные сенсоры (типа SC3), так и сенсоры в защитной оболочке (SC4). Максимальная длина одной зоны охраны – 2000 м. Оптические кабели подключаются к процессору с помощью стандартных разъемов типа ST. По данным изготовителей срок службы кабельного сенсора 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. Процессор питается от источника с напряжением 10…24 В, потребляемая мощность – 2,1 Вт. Диапазон рабочих температур систем серии SDI – от -30° до +55° С.
Израильская фирма Magal выпустила волоконно-оптический сигнальный барьер FiberMESH 2005, устанавливаемый на сетчатых оградах. 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 15х15 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).
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/час и сохраняет работоспособность при дожде и снеге; диапазон рабочих температур – от -30° до +72° С.
Канадская компания Senstar-Stellar выпускает волоконно-оптическую охранную систему IntelliFIBER, предназначенную для защиты сетчатых периметральных оград. Сенсорный кабель содержит две волоконно-оптических 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 электронного блока (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° С. 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.
