Реферат 

"Захист об'єктів від несанкціонованого доступу з використанням прихованих систем виявлення"

1. Вступ
2. Актуальність
3. Наукова новизна
4. Плановані практичні результати;
5. Підземні волоконно – оптичні системи
• Будова оптоволокна
• Методи реєстрації сигналів вторгнення
• Принципи побудови розподілених фазових ВОД
• Волоконні решітки показника заломлення
• Закордонні підземні волоконно – оптичні системи
6.  Дослідження волоконно – оптичного сенсора;
7.  Висновок;
8. Перелік посилань.

Вступ

Охорона об'єктів, особливо тих, які мають великий периметр, є досить складним завданням, що вимагає залучення значної кількості дорогого обладнання та особового складу охорони. Тому якісна охорона периметра від проникнення на об'єкт зловмисника може істотно знизити вартість охороних послуг. 

Охорона периметра за допомогою прихованих засобів виявлення грає роль першого рубежу. Основною його функцією є завчасне попередження служби охорони про можливий намір зловмисника перетнути периметр, що дає їй можливість мобілізувати свої сили ще до виникнення самого факту проникнення. Застосування прихованих систем не дозволяє зловмисникові ідентифікувати зону виявлення і зменшує ймовірність перетину периметра непоміченим.

Мета роботи. Розробити методику виявлення фізичного вторгнення на об'єкт непомітне для зловмисника і для всіх засобів розвідки.

Для досягнення поставленої мети повинні вирішуватися наступні завдання:

1.  Проаналізувати всі можливі методи і засоби охорони периметра об'єкту і вибрати засіб, який більш за всіх задовольняє нашим умовам.
2.   Розробити модель прихованого виявлення.
3.  Дослідити характеристики і параметри розробленої моделі.

Актуальність

Сьогодні ні один засіб охорони не може вважатися абсолютно ефективним. Зважаючи на можливу повну проінформованість зловмисника про вид засобу охорони, принципу роботи і місце його встановлення, ймовірність обману охоронного обладнання і, як наслідок, імовірність пройти непоміченим зростає.

Ситуація ускладнюється різними наслідками розвитку промисловості. Важка електромагнітна обстановка на місцевості, де розташовується об'єкт, що охороняється або наявність поблизу автомагістралей та залізниці суттєво обмежує застосування багатьох охоронних систем. Також великі площі об'єкта вимагають значних витрат на охорону, а в деяких випадках виключають її застосування через відсутність можливості електричного живлення елементів засобів охорони.

Отже, виникла гостра потреба в розробці такого засобу охорони, який міг би функціонувати у несприятливому промисловому середовищі, не розпізнаватися різними засобами розвідки, а місце установки і принцип роботи повинен бути не зрозумілий навіть співробітникам, які працюють на об'єкті, що охороняється. На сьогоднішній день єдиним можливим варіантом реалізації такого засобу охорони є засоби, засновані на оптичних ефектах в закритому просторі (наприклад, в оптоволокні).

Наукова новизна полягає в особливій конструкції датчика, виконаного з матеріалів, що не реагують на електромагнітне випромінювання. Подібна конструкція дозволяє застосовувати ці датчики не тільки в охоронній, а й у побутовій або професійній діяльності людини, тим самим, визначаючи нові можливості в оптимізації повсякденної діяльності або замінюючи небезпечні електричні аналоги.

Плановані практичні результати.

Розроблений датчик може бути використаний не тільки для охорони об'єктів з великим периметром, але і в якості датчиків контролю входів на об'єкт або сенсорних килимків, реакцією на сигнал від яких буде, наприклад, включення світла або поява струму в додатковому активному бар'єрі, щоб зловмисник не зміг піти з об'єкту до його затримання.

Подземные волоконно – оптические системы

Рис. 1 Зміна параметрів випромінювання в результаті механічної дії – оптичний датчик (Анімація: об'єм – 96,4 кБ; розмір – 365х108; кількість кадрів – 9; кількість циклів повторення – 7)

Виходячи з того, що вторгнення краще попередити, ніж захищати об'єкт від зловмисника, що вже потрапив на нього, випливає, що основний упор в охороні необхідно робити на периметр. При цьому периметральна система охорони повинна відповідати ряду вимог, таких як:

1. Можливість виявлення порушника до його проникнення;
2. Точне слідування за контуром периметра;
3. Відсутність «мертвих зон»;
4. Висока чутливість;
5. Малий коефіцієнт помилкових спрацьовувань;
6. Можливість роботи в несприятливій індустріальній та електромагнітній обстановці;
7. Незалежність параметрів від кліматичних умов;
8. Приховане встановлення, що виключає ознайомлення з принципом роботи системи.

Зважаючи на те, що волоконно – оптичні сенсори є чи не єдиним видом сенсорів, які відповідають практично всім вищевикладеним вимогам, останнім часом вони стають пріоритетним напрямом в периметральних охоронних системах.

Волоконно – оптичні датчики можуть монтуватися на жорстку або металеву огорожу, або ж встановлюватися під землею. Нас більше цікавить останній варіант, з огляду на те, що тільки він відповідає вимозі секретності.

Крім скритності підземна установка обумовлює ще деякі переваги:

• Можливість захисту не огороджених периметрів, де використання інших видів датчиків є просто неможливим;
• Пасивність датчика, а також відсутність металевих елементів, що робить його скритним і безпечним одночасно;

Будова оптоволокна

Оптичне волокно у загальному випадку являє собою коаксиальний світловод, спрощена структура якого представлена на рисунках 2 и 3.

Рис. 2 Поширення світлового променя в многомодовом оптичному волокні

Рис. 3 Поширення світлового променя в одномодовом оптичному волокні

 Світло поширюється уздовж центральної частини (серцевини) кабелю. До серцевині волокна прилягає прозора оболочка, яка володіє меншим показником оптичного заломлення, ніж серцевина. Світло, що поширюється під кутом до осі світловода, відбивається від межі розділу між серцевиною та оболонкою і концентрується в центральній частині волокна. Зовнішнє непрозоре покриття служить для механічного захисту кабелю.

Волоконні світловоди бувають багатомодовими і одномодовими. Діаметр серцевини багатомодових волокон зазвичай становить 50 ... 100 мікрон. У такому волокні одночасно поширюється велика кількість типів хвиль (мод) з різними параметрами (рис. 2). Але через множинні віддзеркалення від кордону між серцевиною та оболонкою, ці сигнали істотно загасають. Діаметр серцевини одномодових світловодів (рис. 3) становить не більше 10 мікрон. В такому світловоді може поширюватися тільки один тип хвилі, і затухання світла тут істотно менше, ніж в багатомодових світловодах [2].

Джерелом випромінювання служать світлодіоди або напівпровідникові лазери, а приймачем – спеціальний модуль, який оптичний сигнал перетворює в електричний. Відмінності вихідного сигналу від вхідного реєструються спеціальним аналізатором.

Методи реєстрації сигналів вторгнення  

Метод реєстрації міжмодової інтерференції. На виході багатомодового оптоволоконного кабелю формується певна спектральна картинка, утворена з мод, що генеруються напівпровідниковим лазером. При механічних впливах на кабель відбуваються зміни у вихідному спектрі сигналу, що дозволяють детектувати вторгнення.

Метод реєстрації спеклструктури. Спеклструктура – це нерегулярна система світлих і темних плям на виході оптоволокна. При механічних деформаціях вона зазнає змін, що дозволяє детектувати вторгнення, застосувавши просторово чутливі фотоприймачі.

Метод мікронапруг (рис. 4). Ця технологія передбачає використання двох окремих одномодових оптичних волокон, за якими поширюється лазерне випромінювання. На дальньому краю зони здійснюється інтерференція обох променів у спеціальному оптичному модулі. Якщо встановлений під землею оптичний кабель відчуває механічний вплив (наприклад, зміни тиску від людини, що йде), то умови розповсюдження випромінювання по обом волокнам змінюються і динаміка інтерференційної картинки в оптичному модулі дозволяє зареєструвати вторгнення [2].

Рис. 4 Принцип технології з волоконними датчиками мікронапруг

Інтерференційний метод з локалізацією вторгнення (рис. 5). Цей метод дозволяє визначити місце вторгнення з точністю до кількох метрів. Він заснований на класичному інтерферометрі, реалізованому на волоконно – оптичних кабелях.

Рис. 5 Інтерферометрична технологія з функцією визначення місця вторгнення

У кінцевому модулі інтерференційна картина сигналу незмінна. Сигнал, який передається по вихідному оптичному волокну до аналізатору, не містить змінної складової. При механічних деформаціях оптична різниця ходу в плечах інтерферометра змінюється і в вихідному кабелі з'являється змінна складова сигналу, яку і реєструє кінцевий модуль з подальшою передачею її на аналізатор.

Можливість локалізації місця вторгнення з'являється при вимірюванні відносної тимчасової затримки реєстрованих сигналів в обох плечах інтерферометра (рис. 6) [2].

Рис. 6 Осцилограма сигналів системи з локалізацією

Технологія когерентної оптичної рефлектометрії. Ця технологія використовує принципи СОTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometry – Когерентна Оптична Рефлектометрія з Часовим Розподілом). У цій технології волоконний кабель підключається до контролера (рис. 6). При цьому від кожного елемента кабелю в сторону контролера відбивається частина випромінювання. При механічних впливах на кабель змінюються характеристики відбитого випромінювання. Інформацію про місце вторгнення отримують виміром часу затримки сигналу.

Рис. 6 Принцип COTDR: реєстрація лазерного випромінювання, відбитого від неоднорідностей оптичного волокна.

Якщо у волокні спеціально створити  регулярні неоднорідності показника заломлення з просторовим періодом, рівним довжині хвилі лазерного випромінювання, то ефективність системи істотно підвищиться. 

Принципи побудови розподілених фазових ВОД

Волоконно – оптичні кабелі, які виробляються серійно для передачі інформації, можна використовувати також і в якості датчиків для періметральних охоронних систем. Деформація оптичного волокна змінює його оптичні параметри і, як наслідок, характеристики випромінювання, що проходить через волокно.

Існує два основних підходи до створення одноволоконних розподілених і мультиплексних систем ВОД, загальним для яких є використання одного волоконно – оптичного тракту – волокна.

У першому з них в волоконно – оптичну лінію включається ряд спеціально створюваних дискретних чутливих елементів, в яких під дією зовнішніх умов здійснюється модуляція інтенсивності, фази або спектру випромінювання. Такими чутливими елементами можуть бути брегговскі дифракційні решітки, інтерферометри Маха – Цандера, інтерферометри Фабрі – Перо.

При іншому підході в побудові розподілених ВОД використовуються ефекти, що виникають при поширенні світла в волокні: зворотне релєєвськоє розсіювання світла, розсіяння Мандельштама – Бріллюена, комбінаційне розсіювання.

Запропоновані датчики поступаються за чутливістю ВОД на основі інтерферометрів Маха – Цандера, але як мінімум на два порядки перевершують всі типи амплітудних розподілених датчиків, займаючи, таким чином, проміжне положення між амплітудними і волоконно – оптичними інтерферометричний датчиками [3].

Волоконні решітки показника заломлення

Волоконна решітка ПП - це ділянка волоконного світловода (ВС) з періодом Λ, що має певний просторовий розподіл. Найчастіше, решітка формується в фоточутливій серцевині ВС (1), в той час як ПП кварцової оболонки залишається незмінною.

Рис. 7 Схема волоконної решітки показника заломлення.  1 – фоточутлива серцевина ВС; 2 – кварцова оболонка.

Така структура має унікальні спектральні характеристики, які і визначають її широке застосування. Наприклад, найбільш важливою властивістю волоконних брегговскіх решіток є вузькосмугове відбивання оптичного випромінювання.

Переваги волоконних фотоіндукованих грат, у порівнянні з іншими відбиваючими елементами, наступні:

• широке розмаїття одержуваних спектральних і дисперсійних характеристик;
• повністю волоконне виконання;
• низькі оптичні втрати;
• відносна простота виготовлення.

За відсутності збурень поля хвилі в ВС моди поширюються без взаємодії одна з одною.

Структура волоконної решітки ПП вибирається таким чином, щоб забезпечити необхідну резонансну взаємодію між заданими модами ВС. Взаємодія мод в ВС зазвичай описується за допомогою теорії пов'язаних мод [5], в рамках якої зазначається, що на певній довжині хвилі тільки дві моди задовольняють умові фазового синхронізму, а значить можуть ефективно передавати одна одній енергію. При цьому поля мод в присутності слабкого періодичного обурення залишаються незмінними.

Одна і та ж решітка на різних довжинах хвиль може пов'язувати основну моду серцевини з модами різних типів і напрямків розповсюдження. Наприклад, в спектрах волоконної бреггівськї решітки з великим коефіцієнтом відбиття з короткохвильової сторони присутні резонанси від основної смуги відбиття, що виникають через відображення оболонкових мод [6]. В довгоперіодичних волоконних гратах резонансний зв'язок з модами оболонки більш високого порядку реалізується на великих довжинах хвиль [7]. За певних параметрів ВС та решітки може виникати зворотній перетин зазначених дисперсійних залежностей.

Існують також модові конвертери [8],  які записуються в маломодові волоконні світловоди. В таких конвертерах відбувається переклад випромінювання з однієї моди серцевини на іншу. Аналогічний процес реалізується в поляризаційних конвертерах, де на решітці, записаної у ВС, здійснюється взаємодія мод, які мають взаємно перпендикулярний напрямок поляризації електричного поля [9] [10] [4].


 Закордонні підземні волоконно – оптичні системи

Fiber SenSys Inc. – американська компанія, що випускає серію систем охорони периметрів Fiber Defender (FD). Ця система може застосовуватися для охорони огорож та стін, а також в якості підземної системи охорони. Протяжність однієї зони може складати 2 км. У системі використовується процесор для цифрової обробки сигналів від сенсорів і для автоматичного регулювання параметрів системи в залежності від фонового шуму середовища.

За допомогою одного комунікаційного кабелю можна об'єднувати до 127 процесорів у єдину систему. При підземній установці ефективна ширина чутливої зони (не менше 1м) забезпечується кріпленням сенсорного кабелю до металевої або пластикової решітки, яку розміщують на глибині декількох сантиметрів (рис.8).

Рис.8 Сенсорний кабель системи Fiber Defender на пластиковій сітці для підземного встановлення.

Future Fiber Technologies (FFT) – австралійська компанія, яка виробляє підземні системи охорони Secure Fence BGS (Below Ground System – Підземна Система). Secure Fence BGS самостійно не застосовується і використовується в якості другого рубежу охорони, наприклад, після огорожі. Максимальна довжина однієї зони становить 60 км, а локалізація вторгнення 50 м. Ця система являє собою два окремих сенсорних кабелю, прокладених вздовж периметра в траншеях, глибиною 50 ... 75 мм.

Ефективність системи підвищується, якщо оптоволоконний кабель прикріпити до сітки. Боротьба з перешкодами здійснюється за рахунок кореляційної обробки сигналів від двох кабелів.

Ця ж фірма випускає систему SecurePipe, яка заснована на більш досконалому інтерферометричному методі. В якості датчиків в ній використовуються одномодові оптичні волокна або вільні жили вже використовуваного комунікаційного кабелю. Найчастіше, це багатожильні кабелі з одномодовими волокнами, які відповідають військовим специфікаціям для «тактичного» застосування, тобто для підземної прокладки без додаткового механічного захисту. Кількість волокон в такому кабелі зазвичай становить від 2 – х до 12 – ти; зовнішній діаметр кабелю – від 6 до 10 мм. Кабелі відрізняються високою міцністю: допустимі короткочасні навантаження на розрив становлять від 160 до 480 кг.

Під впливом механічних вібрацій оптичні волоконні кабелі дають відгук у діапазоні частот від 1 Гц до 1 МГц, хоча для практичних цілей в системі використовується смуга 200 Гц – 10 кГц [2].

Дослідження волоконно – оптичного сенсора

Поперечні деформації оптоволокна викликають надмірні втрати потужності випромінювання і зміну показника заломлення серцевини волокна. Це призводить до зміни періоду рециркуляції, що реєструється досить просто і з високою точністю.

Волоконний кабель необхідно розділити на секції за допомогою селективних відбивачів, в якості яких виступають волоконні брегговскіх решітки (ВБР) з різними періодами, здатні відображати випромінювання на різних довжинах хвиль.

Для центральної резонансної довжини хвилі відображення 1550 нм ширина спектра відбиття ВБР становить 1 – 2 нм для одномодових ВС і може досягати величини до 10 нм при формуванні ВБР в багатомодових НД, а коефіцієнт відбиття на резонансній довжині хвилі дорівнює 0,92. При цьому загасання сусідніх пелюсток на діаграмі відносної спектральної відбивної здатності ВБР становить не менше 30 дБ.

Відбитий імпульс виділяємо пристроєм вибору на основі WDM – технології. Така технологія підходить при детектуванні одночасного вторгнення на декількох ділянках території, що охороняється, через паралельне опитування зон охорони.

Найбільшу чутливість до мікродеформації мають багатомодові світловоди із зовнішнім діаметром світловода 125 мкм, діаметром серцевини 50 мкм і поліпропіленовим покриттям 1 мм, що мають втрати 0,3 дБ / км на довжині хвилі випромінювання λ = 1550 нм.

Для роботи сенсор необхідно помістити під землю на глибину 3 – 5 см, укладаючи його при цьому петлями довжиною 20 м з кроком 30 см. У якості джерела випромінювання використовуються лазерні діоди з розподіленим зворотним зв'язком і фіксованою довжиною хвилі серії NEC NX8571SC. Ці діоди призначені для роботи зі спектральним ущільненням і мають мінімальну вихідну потужність випромінювання 10 мВт. В якості фотоприймачів використовуються InGaAs – ЛФД серії Mutsubishi PD 8042 зі спектральною чутливістю S_фп= 0,94 А/Вт для λ = 1550 нм  при коэффициенті лавиного множения М = 1.

Контрольований периметр необхідно розбити на сектори, кожен з яких перекривається волоконним світловодом довжиною 1 км. Тимчасова затримка між двома імпульсами на різних довжинах хвиль, що відбиваються на початку і в кінці волоконної секції від ВБР на лінійній ділянці фронту імпульсу на вході порогового пристрою описується виразом:

,
де P_вх – потужність випромінювання інжекційного лазера;

К – коефіцієнт послаблення випромінювання, що враховує втрати випромінювання на стиковку і при поширенні його по ВС;

U_п– порогова напруга компаратора; 

τ_ф – тривалість фронту сигнального імпульсу;

R_н– навантажувальний опір напівпровідникового фотоприймача; 

M – коефіцієнт лавинного множення ЛФД (для PIN – фотодіодів M = 1);

G_ус – коефіцієнт посилення електронного підсилювача на виході ЛФД (при його необхідності);

L – довжина волоконно-оптичної секції;

n – коефіцієнт заломлення волокна; 

c – швидкість світла у вакуумі. Коефіцієнт враховує ослаблення сигналу в ВС. Тут  α₁, α₂ – коефіцієнти послаблення (в дБ) лазерного випромінювання при введенні-виведенні і в самому ВС відповідно.

Якщо світловод піддається поперечним навантаженням на опуклості, то в областях мікровигинів виникають надлишкові втрати. Їх чисельне значення розраховується за допомогою формули:

, де  

де a_i – надлишкові втрати, викликані вигином волокна, d – діаметр серцевини оптичного волокна, b - діаметр світловода, n_об – показник заломлення оболонки,  Δh (p) – середньоквадратичне приріст амплітуди мікровигини, що є функцією прикладеної тиску, Е_об – модуль Юнга матеріалу оболонки, Е_с – модуль Юнга матеріалу серцевини.

Для розрахунків використовуються наступні значення: Δ <= 2*10^-3 ; Е_с = 6,2*10¹⁰Н/м²; Е_об = 6,9*10⁸ Н/м²; τ_ф = 5 нс; N = 2 для людини, що йде та N = 15 для людини, що ползе [1].

Висновок

Системи з підземними волоконно – оптичними сенсорами дозволяють охороняти територію протяжністю до 100 км з точністю локалізації місця вторгнення до кількох метрів. Установка таких систем передбачає цілий ряд заходів з планування системи та інсталяції сенсорів. Сенсорні кабелі укладають в траншеї, засипані гравієм, а установка сенсорів безпосередньо в грунт зменшує зону чутливості сенсора. Ці сенсори реєструють поперечний тиск на волокно, в результаті якого змінюються характеристики випромінювання. Наприклад, людина масою 70 кг і зростом 180 см чинить тиск на грунт від 19 кПа до 10 кПа, що викликає додаткову тимчасову затримку поширення імпульсу по ВС близько 600 пс. А якщо людина повзе, то тиск становить 1 – 1,5 кПа, що викликає тимчасову затримку приблизно 170 пс. При цьому роздільна здатність всієї системи складає 50 – 70 пс. Знаючи подібні параметри, можливо проводити самонавчання системи, щоб уникнути помилкових спрацьовувань.

Перелік посилань:

1. Поляков А.В., Ксенофонтов М.А., Васильева В.С., Гавриленко О.О. Волоконно – оптическая система охраны периметров.  
2. Введенский Б. Подземные датчики для охраны периметров.
3. Мамедов А.М., Потапов В.Т., Потапов Т.В., Смуреев Е.К. Одноволоконные распределённые волоконно – оптические датчики физических величин и полей.
4. Васильев С.А., Медведков О.И., Королев И.Г., Божков А.С. Волоконные решётки показателя преломления и их применения. 
5. Kogelnik H. Theory of optical Waveguides, in Guided – Wave Optoelectronics. Ed. by T. Tamir (Berlin – Geidelberg – New York: Springer – Verlag, 1988).
6. Erdogan T. J. Opt. Soc. Am. A, 14 (1997).
7. Васильев С. А., Дианов Е. М., Курков А. С., Медведков О. И.,  Протопопов В. Н. Квантовая электроника, 24, 151 (1997).
8. Shu X., Zhang L., Bennion I. J. Lightwave Technol., 20, 255 (2002).
9. BilodeauF., Hill K. O., Malo B., Johnson D. C., Skinner I. M. Electron. Lett., 27, 682 (1991).
10. Russel P. St. J., Hand D. P. Electron. Lett., 26, 1846 (1990).
11. Наний О.Е. Основы технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи (WDM)
12. Никоноров Н. В., Шандаров С. М. Волноводная фотоника
13. Лаврус В.С. "Охранные системы", Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 г. – 142 стр.

Важливе зауваження 

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.