Журнал ТЗ № 5 2011 | Подземные датчики для охраны периметров
  бюро находок  
  Где искать        
наши издания
наши анонсы






2011
№ 5
статьи



Журнал ТЗ № 5 2011



Раздел:
Тема: Системы охраны периметра
Автор: Борис ВВЕДЕНСКИЙ, кандидат физико-математических наук

Подземные датчики для охраны периметров

Любая система охраны периметров предполагает использование сенсорных элементов (датчиков), которые устанавливаются вдоль охраняемого периметра. Датчики можно монтировать непосредственно на охраняемой ограде, устанавливать в виде отдельно стоящих конструкций или располагать под землей.
Для подземных датчиков характерны некоторые специфические особенности:
Подземные сенсоры позволяют защитить неогражденные периметры, на которых невозможно установить сигнальное ограждение или отдельно стоящие датчики (многолучевые оптические, радиолучевые или др.).
Возможность скрытного монтажа сенсоров, что делает их невидимыми для потенциального нарушителя. Большинство подземных датчиков являются пассивными – они не генерируют каких-либо излучений, поэтому их практически невозможно обнаружить не только визуально, но и радиотехническими методами.
Подземные датчики эксплуатируются в более жестких условиях, чем датчики на ограде или на открытом пространстве, а их обслуживание или ремонт зачастую затруднено. Это обусловливает повышенные требования в части герметизации устройств, стойкости к механическим воздействиям и долговечности эксплуатации.
Для подземных систем охраны периметров наиболее часто применяются датчики нескольких типов:
– волоконно-оптические кабельные сенсоры,
– дискретные датчики вибраций: геофонные или пьезоэлектрические,
– радиоволновые сенсоры (кабели вытекающей волны),
– барометрические сенсоры,
– магнитометрические сенсоры.


Рис. 1а. Распространение светового луча в многомодовом оптическом волокне
Рис. 1б. Распространение светового луча в одномодовом оптическом волокне


Ниже мы рассмотрим принципы действия различных подземных систем для охраны периметров, приведем примеры их технической реализации и кратко остановимся на практике их применения.

1. Волоконно-оптические системы
Волоконно-оптические кабели, используемые обычно для передачи информации, можно использовать также и в качестве датчиков для периметральных охранных систем. Деформация оптического волокна изменяет его оптические параметры и, как следствие, характеристики проходящего через волокно излучения. В силу специфики используемых физических принципов оптоволоконные системы отличаются очень малой восприимчивостью к электромагнитным помехам, что позволяет использовать их даже в неблагоприятной электромагнитной обстановке.


Рис. 2. Принцип технологии с волоконными датчиками микронапряжений

Оптическое волокно в общем случае представляет собой коаксиальный световод, упрощенная структура которого схематически показана на рис. 1. Свет распространяется вдоль центральной части (сердцевины) кабеля. К сердцевине волокна прилегает прозрачная оболочка, которая обладает меньшим показателем оптического преломления, чем сердцевина. Свет, распространяющийся под углом к оси световода, отражается от границы раздела между сердцевиной и оболочкой и концентрируется в центральной части волокна. Внешнее непрозрачное покрытие служит для механической защиты кабеля.
В качестве источника излучения обычно используются миниатюрные полупроводниковые лазеры или светодиоды. На выходе кабеля установлен оптический приемный модуль, который преобразует оптический сигнал в электрический. При деформациях или вибрациях волокна изменяются условия распространения света или его внутреннего отражения, в результате чего претерпевают изменения фазовые и пространственные характеристики луча на выходе кабеля. Эти изменения регистрируются фотоприемником и обрабатываются анализатором сигналов.
Волоконные световоды делятся на многомодовые и одномодовые. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет 50–100 микрон. По такому волокну одновременно распространяется большое количество типов волн (мод) с различными геометрическими параметрами (рис. 1а). Эти лучи испытывают множественные отражения от границы между сердцевиной и оболочкой, что приводит к заметному затуханию сигналов.
Диаметр сердцевины одномодовых световодов (рис. 1б) составляет не более 10 микрон. В таком световоде может распространяться только один тип волны (мода) и затухание света здесь существенно меньше, чем в многомодовых световодах.

В волоконно-оптических охранных системах используются различные методы регистрации сигналов вторжения:

А. Метод регистрации межмодовой интерференции.
Полупроводниковый лазер обычно генерирует несколько десятков близких по частоте мод (спектральных линий) с определенным распределением энергии по спектру излучения. Если многомодовый оптоволоконный кабель подвергается механическим воздействиям, то на его выходе регистрируемый приемником спектр излучения меняется, что позволяет детектировать деформации кабеля.

В. Метод регистрации спекл-структуры.
На выходе оптоволокна наблюдается так называемая спекл-структура, представляющая собой нерегулярную систему светлых и темных пятен. При деформациях или вибрациях волокна спекл-структура излучения претерпевает изменения. Для детектирования деформаций кабеля здесь применяют пространственно-чувствительные фотоприемники.

С. Метод микронапряжений (рис. 2).
Эта технология предполагает использование двух отдельных одномодовых оптических волокон, по которым распространяется лазерное излучение. На дальнем краю зоны осуществляется интерференция обоих лучей в специальном оптическом модуле. Если установленный под землей оптический кабель испытывает механические воздействия (например, изменения давления от проходящего человека), то условия распространения излучения по обоим волокнам изменяются, и динамика интерференционной картинки в оптическом модуле позволяет зарегистрировать вторжение.


Рис. 3. Интерферометрическая технология с функцией определения места вторжения

D. Интерференционный метод с локализацией места вторжения (рис. 3).
Эта схема является «волоконно-оптической» версией классического интерферометра Маха – Цандера. В состав протяженного датчика входят три отдельных волокна многожильного оптического кабеля. Два верхних волокна (рис. 3) 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 от оконечного оптического модуля. Источник излучения расположен в блоке анализатора, от него излучение лазера по пассивному волокну подается на начальный модуль. В этом модуле излучение расщепляется на два пучка, которые подаются на два чувствительных волокна. На оконечном модуле происходит интерференция обоих лучей. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка 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. Специфическая особенность данной интерференционной системы состоит в том, что она определяет относительную временную задержку регистрируемых сигналов в обоих плечах интерферометра (см. двойную осциллограмму на рис. 4). Это позволяет определять место вторжения в систему с точностью до нескольких метров.


Рис. 4. Осциллограмма сигналов системы с локализацией вторжения

E. Технология когерентной оптической рефлектометрии с временным разрешением.
Еще одна технология, появившаяся сравнительно недавно, использует принципы C-OTDR. Полное название этой технологии Coherent Optical Time Domain Reflectometry – или когерентная оптическая рефлектометрия с временным разрешением. Эта технология предполагает, что к контроллеру подключен волоконный кабель, в который подается лазерное излучение. Каждый элемент волоконного кабеля частично отражает излучение в сторону контроллера (рис. 5). Если кабель подвергается деформациям или вибрациям, то характеристики отраженного света изменяются и система регистрирует тревожный сигнал. Эффективность системы существенно повышается, если в волокне специально создаются регулярные неоднородности показателя преломления с пространственным периодом, сравнимым с длиной волны лазерного излучения, т. е. формируются условия для так называемого брэгговского рассеяния. Такая технология позволяет измерять время задержки отраженного сигнала и получать информацию о месте, где происходят нарушения состояния сенсора, т. е. о месте вторжения.
Большинство из описанных технологий используется на практике для построения систем с подземными волоконно-оптическими сенсорами.



Рис. 5. Принцип C-OTDR: регистрация лазерного излучения, отраженного от неоднородностей оптического волокна

Так, американская компания Fiber SenSys Inc. выпускает системы охраны периметров серии Fiber Defender (FD). Они универсальны, т. е. предназначены как для охраны оград и стен, так и для подземной установки. Максимальная протяженность сенсора в одной зоне охраны составляет 2000 м. Система использует цифровую обработку сигналов сенсоров; процессор системы автоматически регулирует параметры системы в зависимости от шумов окружающей среды. Процессоры могут объединяться в единую систему: с помощью одного коммуникационного волоконного кабеля к посту охраны можно подключить до 127 процессоров. При подземной установке волоконных сенсорных элементов очень важно обеспечить эффективную ширину чувствительной зоны не менее 1 м. Чтобы гарантировать однородную чувствительность, в подземных системах серии FD сенсорный кабель крепят к металлической или пластиковой решетке (рис. 6), которую помещают под землей на глубине несколько сантиметров.
В подземной системе австралийской компании Future Fiber Technologies (FFT), получившей название Secure Fence BGS (от Below Ground System – подземная система), два отдельных сенсорных кабеля прокладываются вдоль периметра. Обычно эта система применяется как второй рубеж охраны, параллельный основной ограде. Кабели укладываются в траншею на глубине 50–75 мм и прикрепляются к пластиковой сетке, которая повышает чувствительность системы и вероятность регистрации идущего по земле человека. Корреляционная обработка сигналов от двух волоконно-оптических кабелей позволяет отфильтровать сигналы помех (шум дождя, транспорта и т. п.) и выделить на их фоне сигналы реального вторжения. Система позволяет обнаруживать идущего или бегущего нарушителя, а также регистрировать попытки подкопа под линией периметра. При использовании интерферометрической технологии (рис. 3) точность локализации вторжения системы Secure Fence BGS составляет +/-50 м при максимальной длине одной зоны до 60 км.


Рис. 6. Сенсорный кабель системы Fiber Defender на пластиковой сетке для подземной установки

Отметим, что компания FFT активно использует волоконно-оптические сенсоры для охраны магистральных трубопроводов. В 1998 г. фирма смонтировала первую версию охранной системы SecurePipe, в которой волоконно-оптический кабель использовался фактически в качестве обрывного датчика. Для определения точки обрыва использовался стандартный метод оптической рефлектометрии (OTDR). Эта система была смонтирована на 110-километровом нефтепроводе диаметром 60 см в Индонезии и уже через несколько месяцев после запуска дала сигнал тревоги с указанием места обрыва с точностью не хуже 100 м. Причиной повреждения трубопровода была деформация почвы, вызванная природными факторами. Как «обрывные» волоконные датчики, так и датчики микронапряжений (рис. 2) позволяют защитить рубеж протяженностью до нескольких десятков километров. Однако эффективность такой системы невелика, если место нарушения нельзя определить с приемлемой точностью (несколько десятков или сотен метров).
Поэтому в следующем поколении системы SecurePipe для обнаружения вторжения использовался более совершенный интерферометрический метод, чувствительный к механическим напряжениям в оптических кабелях. Этот способ позволяет обнаружить попытки вскрытия почвы или механического повреждения трубопровода на ранних стадиях вторжения, без обрыва сенсорного кабеля. В качестве датчиков здесь используются одномодовые оптические волокона, причем это могут быть свободные жилы обычного многожильного коммуникационного кабеля, уже проложенного вдоль трубопровода.
Упрощенная блок-схема системы SecurePipe показана на рис. 3. Под воздействием механических вибраций оптические волоконные кабели дают отклик в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц, хотя для практических целей в системе используется полоса 200 Гц – 10 кГц. Магистральные трубопроводы обычно прокладывают под землей, поэтому сенсорный кабель размещают над трубопроводом, на глубине 30–90 см под землей. При этом ширина чувствительной зоны составляет примерно 6 м.
В качестве сенсоров интерферометрический системы SecurePipe использованы серийно выпускаемые многожильные кабели с одномодовыми волокнами, которые соответствуют военным спецификациям для «тактического» применения, т. е. для подземной прокладки без дополнительной механической защиты. Количество волокон в таком кабеле обычно составляет от 2 до 12, внешний диаметр кабеля – от 6 до 10 мм. Кабели отличаются высокой прочностью: допустимые кратковременные нагрузки на разрыв составляют от 160 до 480 кг.
Система SecurePipe обнаруживает и распознает различные попытки вторжения: вскрытие земли киркой или лопатой, работу гусеничного или колесного экскаватора, вертикальное или горизонтальное бурение, удар пули, высверливание трубы и др. Интеллектуальный самообучающийся процессор позволяет также различать опасные воздействия природного характера – наводнения, деформации и сотрясения почвы, землетрясения, водяные потоки и т. п. При определенных условиях система SecurePipe может использоваться и для обнаружения утечек жидкости или газа из трубопровода.
Интерферометрическая двухлучевая методика регистрации сигналов позволяет обнаруживать место вторжения в трубопровод с точность +/-50 м. При этом максимальная длина отдельной зоны охраны составляет около 60 км.

Модификация системы SecurePipe с успехом используется также для организации подземных рубежей охраны периметра. Однако для эффективности обнаружения идущего нарушителя требуется проводить специальную подготовку почвы в зоне охраны. Обычно рекомендуется устраивать траншею глубиной примерно 20 см и шириной до 2 м с гравийной засыпкой, в которую потом укладываются сенсорные кабели в виде «синусоидальной» волны (рис. 7). При правильном монтаже сенсоров процессор системы поддерживает зону охраны длиной до 10–20 км (в зависимости от конфигурации прокладки кабеля) и обеспечивает точность обнаружения вторжения не хуже 10–20 м.
Одним из недостатков системы SecurePipe является уязвимость к обрыву сенсорного кабеля. Если это случается, то система полностью выходит из строя. Радикальное решение этой проблемы предлагает американская компания Optellios. Эта компания, специализирующаяся на волоконно-оптических системах для охраны периметров, на выставке в Бирмингеме в мае 2011 г. представила несколько систем для установки на периметральных рубежах. Принцип действия систем построен на технологии когерентной оптической рефлектометрии с временным разрешением (С-OTDR), котороая схематически представлена на рис. 5. В новой разработке фирмы Optellios, системе FP2100-X, предназначенной для охраны подземных трубопроводов, сенсорный кабель прокладывается в виде замкнутой петли. Оба конца петли подключаются к электронным блокам. Петлевая конфигурация позволяет существенно повысить защищенность системы. При обрыве сенсора система переходит в режим работы с двумя отдельными лучами, сигнализируя о месте обрыва кабеля. При этом функционирование сохраняется на всем периметре. В качестве чувствительных элементов используются отдельные жилы стандартных волоконных коммуникационных кабелей с оптическими потерями примерно 0,3 дБ/км на длине волны 1550 нм.
В системе FP2100-X максимальная длина сенсора составляет 16 км; практическая точность обнаружения вторжения – 10–25 м. В системе можно программно конфигурировать отдельные зоны, типовая рекомендуемая длина такой виртуальной зоны – 30 м. Система позволяет обнаруживать пешехода, пересекающего периметр. Сотрудники фирмы утверждают, что сенсорный кабель можно закладывать непосредственно в грунт.

Рис. 7. Прокладка сенсорного кабеля фирмы FFT в траншее, заполненной гравием

Преимущества и недостатки

К преимуществам систем с подземными волоконно-оптическими сенсорами можно отнести трудность обнаружения датчиков (визуально или технически). Сенсоры практически невосприимчивы к электромагнитным и радиочастотным помехам. Некоторые технологии обеспечивают возможность организации весьма протяженных зон охраны (до 60–100 км) при точности обнаружения вторжения до нескольких метров.
Однако установка подземных волоконно-оптических датчиков периметра, предназначенных для обнаружения идущего нарушителя, предполагает целый ряд мер, обеспечивающих надежную работу системы с оптимальными характеристиками. К таким мерам нужно отнести планирование системы и инсталляцию сенсоров. Эта технология чувствительна к вибрациям почвы и сейсмическим сигналам, вызванным проходящими рядом автотранспортом, крупными деревьями, железными дорогами, строящимися объектами и т. п. При наличии такого рода внешних факторов сенсорные кабели рекомендуется устанавливать в специально подготовленных траншеях, заполненных гравием, что позволяет отчасти изолировать сенсоры от влияния указанных грунтовых сейсмических воздействий.
Во всех случаях рекомендуется избегать установки сенсорных кабелей непосредственно в грунт, так как уплотнение почвы со временем может существенно изменять чувствительность системы и снижать вероятность обнаружения нарушителя. Если сенсорный кабель устанавливается непосредственно в грунт или под газоном с травой, то давление грунта слабо передается на сенсор. Нарушитель зачастую может быть обнаружен только тогда, когда он наступает непосредственно на сенсорный кабель.
Трасса прокладки подземных сенсоров должна быть снабжена дренажными средствами, предотвращающими образование водяных массивов, которые могут замерзнуть при отрицательных температурах (зимой). Промерзание грунта, так же как и его уплотнение, может снизить чувствительность системы. Сильные ветры и дождевая эрозия почвы могут вызвать обнажение подземных сенсоров или погружение их на глубину, превышающую оптимальную для обнаружения нарушителя. Наиболее эффективное применение – установка волоконно-оптического сенсора в гравийной подложке в пределах «запретной» зоны между двумя параллельными оградами.




Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru

Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них.
Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!
Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка:

назад
|

Axis представляет сетевой радар для точного обнаружения вторжений в контролируемых зонах
Компания Axis дополняет свой обширный портфель продукции сетевыми радарами. Радарные датчики вторжения не реагируют на многие распространенные сигналы, которые приводят к ложным срабатываниям, и легко устанавливаются и интегрируются в существующие системы.



Новинка от компании IDIS: 5Мп IP-видеокамера DC-T3533HRX
Тенденции развития индустрии IP-видеонаблюдения демонстрируют погоню производителей за увеличением разрешающей способности видеокамер. При этом часто оказывается так, что озвучиваемые цифры в 4, 9, 12 и даже 20 мегапикселей оказываются несопоставимыми с физическими размерами сенсоров, используемых в этих камерах. Поэтому подобные разрешения реализуются лишь на уровне соответствующих цифр в настройках камеры и не приводят к какому-либо улучшению изображения.



IBM меняет представление о передаче и хранении видео. Впервые на All-over-IP 2017!
Сравните ваш взгляд на интеллектуальное видеонаблюдение с мнением руководителей корпорации IBM на 10-м форуме All-over-IP 2017.



Реклама
Подписка на новости
Имя
E-mail
Анти-спам код
Copyright © 2008 —2017 «Технологии защиты».