Волоконно-оптические кабели, используемые для передачи информации, могут применяться в качестве датчиков для измерения деформаций, вибраций и других механических воздействий. Все более широкое применение такие датчики находят в современных системах безопасности, в частности в целях создания сигнальных рубежей для охраны периметральных оград. Привлекательность волоконно-оптических технологий определяется несколькими факторами. Эти сенсоры невосприимчивы к электромагнитным излучениям и электробезопасны. Кроме того, в качестве сенсоров в большинстве случаев можно использовать промышленные коммуникационные кабели, которые выпускаются в широком ассортименте, а их стоимостьниже стоимости специально разрабатываемых кабельных датчиков. Внешние воздействия, такие как механическое давление, деформации или вибрации, изменяют параметры оптического волокна и, как следствие, характеристики проходящего через волокно излучения. В волоконно-оптических охранныхсистемах используются несколько методов регистрации сигналов вторжения:

• 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 спектр излучения претерпевает изменения, что позволяет обнаруживать деформации или вибрации кабеля.

• МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ СПЕКЛ-СТРУКТУРЫ

На выходе многомодового оптоволокна наблюдается так называемая «спекл-структура», представляющая собой нерегулярную систему светлых и темных пятен. При деформациях или вибрациях волокна спекл-структура меняется. Для детектирования деформаций кабеля здесь применяют пространственно-чувствительные фотоприемники.

• ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД

В этом методе используется принцип двухлучевой интерферометрии. Луч лазера расщепляется на два и направляется в два идентичных одномодовых оптических волокна. На приемном конце оба луча образуют интерференционную картину. Механические воздействия на чувствительный кабель приводят к изменениям интерференционной картины, которые и регистрируются фотоприемником. За последние годы разработано большое количество охранных систем с волоконно-оптическими сенсорами, которые применяются для защиты периметров различных видов. В ходе подготовки данного материала был проведен тщательный литературный и патентный поиск, в процессе которого выявилось полное отставание нашей страны в вопросе создания оптоволоконных систем охраны периметра. На сегодняшний день на внутреннем рынке практически не представлено подобных систем, однако ряд зарубежных фирм с успехом наладило их производство.

Анализ имеющейся информации позволил разделить все существующие на зарубежном рынке волоконно-оптические охранные системы на подгруппы по способу их применения:

• Системы для защиты металлических оград;
• Системы для защиты тяжелых оград и стен;
• Подземные системы с волоконно-оптическими кабелями;
• Системы для защиты водных рубежей.

СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОГРАД

При защите оград сенсорный кабель, как правило, устанавливается непосредственно на ограде. Сенсор преобразует вибрации ограды в электрические сигналы, которые поступают на процессор (анализатор). Процессор, в соответствии с заданным алгоритмом, выделяет сигналвторжения на фоне окружающих шумов и генерирует сигнал тревоги. Существуют две основные технологии детектирования с использованием волоконно-оптических датчиков.

1. Первая технология, получившая название M/V, позволяет обнаруживать движение и вибрации кабеля (Movement & Vibration – M/V). Сенсорный кабель подключается к начальному и конечному модулям. Анализатор связан с начальным модулем через пассивный оптический кабель. Излучение от полупроводникового лазера подается в чувствительное волокно, и анализатор регистрирует отраженный от концевого модуля сигнал. При перемещениях или вибрациях волокна изменяется распределение энергии между отдельными модами. В таких системах охраны используются 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 Гц. Системы на базе многомодовых волокон используются главным образом на эластичных (деформируемых) оградах.

В 2006 году на рынке появилась технология многозонной волоконно-оптической системы охраны периметров M/V, в которой один процессор обслуживает до 8 отдельных зон охраны. Все зонные сенсорные кабели подключаются к процессору через многожильный коммуникационный оптический кабель (рис. 1). Длина сенсорного кабеля в зонах охраны не ограничивается жестко; ограничена только общая протяженность сенсора и соответствующего коммуникационного кабеля в данной зоне, которая не должна превышать 40 км или 10 км (в зависимости от системы). Эти системы привлекательны для организации охраны серии удаленных объектов небольшой протяженности, когда на периметрах не требуется подключать электропитание и устанавливать электронное оборудование. Коммуникационный оптический кабель в этих случаях может быть скрытно проложен под землей. Для передачи сигналов от сенсоров можно также использовать проложенные ранее стандартные связные оптические кабели.

Рис. 1. Структурная схема многозонной охранной системы

2. Вторая технология построена на принципе обнаружения микронапряжений в оптическом волокне и получила сокращенное название MSL (от MicroStrain Locator – Локатор микродеформаций). На рисунке 2 показана структурная схема системы на MSL. 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. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка на оконечном модуле остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля на анализатор, не имеет переменной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (в 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.

Очевидно, что длина зоны в несколько десятков километров неудобна для практического применения. Охраннику необходима информация о конкретном месте вторжения, без которой сигнал тревоги будет, практически, бесполезен. По этому весьма интересно, что модифицированная технология MSL позволила реализовать функцию определения места вторжения с достаточно высокой точностью. Для локализации вторжения применена оригинальная технология сравнения сигналов вторжения в обоих плечах интерферометра, которая обеспечивает точность локализации до нескольких десятков метров.

Рис. 2. Структурная схема технологии MSL для обнаружения микродеформаций волоконно-оптического кабеля