Реферат 

«Защита объектов от несанкционированного доступа с применением скрытых систем обнаружения»

1. Введение
2. Актуальность
3. Предполагаемая научная новизна
4. Планируемые практические результаты;
5. Подземные волоконно – оптические системы
• Строение оптоволокна
• Методы регистрации сигналов вторжения
• Принципы построения распределённых фазовых ВОД
• Волоконные решётки показателя преломления
• Зарубежные подземные волоконно – оптические системы
6.  Исследование волоконно – оптического сенсора;
7.  Заключение;
8. Библиографический список.

Введение

Охрана объектов, особенно тех, которые имеют большой периметр, является достаточно сложной задачей, которая требует привлечения значительного количества дорогого оборудования и личного состава охраны. Поэтому качественная охрана периметра от проникновения на объект злоумышленника может существенно снизить стоимость охраных услуг.

Охрана периметра с помощью скрытых средств обнаружения играет роль первого рубежа. Основной его функцией является заблаговременное предупреждение службы охраны о возможном намерении злоумышленника пересечь периметр, что дает ей возможность мобилизовать свои силы еще до возникновения самого факта проникновения. Применение скрытых систем не позволяет злоумышленнику идентифицировать зону обнаружения и уменьшает вероятность пересечения периметра незамеченным.

Цель работы. Разработать методику обнаружения физического вторжения на объект незаметное для злоумышленника и для всех средств разведки.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:

1.  Проанализировать все возможные методы и устройства охраны периметра объекта и выбрать средство, наиболее удовлетворяющее нашим условиям.
2.   Разработать модель скрытного устройства обнаружения.
3.  Исследовать характеристики и параметры разработанной модели.

Актуальность

В настоящее время ни одно средство охраны не может считаться абсолютно эффективным. Ввиду возможной полной осведомлённости злоумышленника о виде средства охраны, принципе работы и месте его установки, вероятность обмана охранного оборудования и, как следствие, вероятность пройти незамеченным возрастает.

Также ситуация усложняется различными последствиями развития промышленности. Тяжёлая электромагнитная обстановка на местности, где располагается охраняемый объект или наличие вблизи автомагистралей и железной дороги существенно ограничивает применение многих охранных систем. Также большие площади объекта требуют значительных затрат на охрану, а в некоторых случаях исключают её применение из – за отсутствия возможности электрического питания элементов средств охраны.

Следовательно, возникла острая потребность в разработке такого средства охраны, которое могло бы функционировать в неблагоприятной промышленной среде, не распознаваться различными средствами разведки, а  место установки и принцип работы должен быть не понятен даже сотрудникам, работающим на охраняемом объекте. На сегодняшний день единственно возможным вариантом реализации такого средства охраны являются средства, основанные на оптических эффектах в закрытом пространстве (например, в оптоволокне). 

Научная новизна состоит в особой конструкции датчика, выполненной из материалов, не реагирующих на электромагнитное излучение. Подобная конструкция позволяет применять подобные датчики не только в охранной, но и в бытовой или профессиональной деятельности человека, тем самым,  определяя новые возможности  в оптимизации повседневной деятельности или заменяя небезопасные электрические аналоги.

Планируемые практические результаты.

Разработанную модель датчика может быть использован не только для охраны объектов с большим периметром, но и в качестве датчиков контроля входов на объект или сенсорных ковриков, реакцией на сигнал от которых будет, например, включение света или появление тока в дополнительном активном барьере, чтобы злоумышленник не смог уйти с объекта до его поимки.

Подземные волоконно – оптические системы

Рис. 1 Изменение параметров излучения в результате механического воздействия на волоконно – оптический датчик. (Анимация: объём – 96,4 кБ; размер – 365х108; количество кадров – 9; количество циклов повторения – 7)

    Из того, что вторжение лучше предупредить, чем защищать объект от уже проникнувшего на него человека, следует, что основной упор в охране необходимо делать на периметр. При этом периметральная система охраны должна отвечать ряду требований, таких как:

1. Возможность обнаружения нарушителя до его проникновения;
2. Точное следование по контуру периметра;
3. Отсутствие «мёртвых зон»;
4. Высокая чувствительность;
5. Малый коэффициент ложных срабатываний;
6. Возможность работы в неблагоприятной индустриальной и электромагнитной обстановке;
7. Независимость параметров от климатических условий;
8. Скрытая установка, исключающая ознакомление с принципом работы системы.

Виду того, что волоконно – оптические сенсоры являются чуть ли не единственным видом сенсоров, которые отвечают практически всем вышеизложеным требованиям, в последнее время они становятся приоритетным направлением в периметральных охранных системах. 

Волоконно – оптические датчики могут монтироваться на жёсткую или металлическую ограду, либо же устанавливаться под землёй. Нас больше интересует последний вариант, ввиду того, что только он отвечает требованию скрытности.

Помимо скрытности подземная установка обуславливает ещё некоторые преимущества:

• Возможность защиты не ограждённых периметров, где использование других видов датчиков является просто невозможным;
• Пассивность датчика, а также отсутствие металлических элементов, что делает его скрытным и безопасным одновременно;

Строение оптоволокна

Оптическое волокно в общем случае представляет собой коаксиальный световод, упрощённая структура которого представлена на рисунках 2 и 3.

Рис. 2 Распространение светового луча в многомодовом оптическом волокне

Рис. 3 Распространение светового луча в одномодовом оптическом волокне

 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.

Волоконные световоды бывают многомодовыми и одномодовыми. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет 50…100 микрон. По такому волокну одновременно распространяется большое количество типов волн (мод) с различными параметрами (рис. 2). Но из – за множественных отражений от границы между сердцевиной и оболочкой, эти сигналы существенно затухают. Диаметр сердцевины одномодовых световодов (рис. 3) составляет не более 10 микрон. В таком световоде может распространяться только один тип волны, и затухание света здесь существенно меньше, чем в многомодовых световодах [2].

Источником излучения служат светодиоды или полупроводниковые лазеры, а приёмником – специальный модуль, который оптический сигнал преобразует в электрический. Отличия выходного сигнала от входного регистрируются специальным анализатором.

Методы регистрации сигналов вторжения  

Метод регистрации межмодовой интерференции. На выходе многомодового оптоволоконного кабеля формируются определённая спектральная картинка, образованная из мод, генерируемых полупроводниковым лазером. При механических воздействиях на кабель происходят изменения в выходном спектре сигнала, позволяющие детектировать вторжение.

Метод регистрации спеклструктуры. Спеклструктура – это нерегулярная система светлых и тёмных пятен на выходе оптоволокна. При механических деформациях она претерпевает изменения, что позволяет детектировать вторжения, применив пространственно чувствительные фотоприёмники.

Метод микронапряжений (рис. 4). 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 [2].

Рис. 4 Принцип технологии с волоконными датчиками микронапряжений

Интерференционный метод с локализацией вторжения (рис. 5). Этот метод позволяет определить место вторжения с точностью до нескольких метров. Он основан на классическом интерферометре, реализованном на волоконно - оптических кабелях.

Рис.5 Интерферометрическая технология с функцией определения места вторжения

На оконечном модуле интерференционная картина сигнала неизменна. Сигнал, который передаётся по выходному оптическому волокну к анализатору, не содержит переменной составляющей. При механических деформациях оптическая разность хода в плечах интерферометра  изменяется и в выходном кабеле появляется переменная составляющая сигнала, которую и регистрирует оконечный модуль с последующей передачей её на анализатор.

Возможность локализации места вторжения появляется при измерении относительной временной задержки регистрируемых сигналов в обоих плечах интерферометра (рис. 6) [2].

Рис.6 Осциллограмма сигналов системы с локализацией

Технология когерентной оптической рефлектометрии с временным разрешением. Эта технология использует принципы СОTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometry – Когерентная Оптическая Рефлектометрия с Временным Разрешением). При этой технологии волоконный кабель подключается к контроллеру (рис. 6). При этом от каждого элемента кабеля в сторону контроллера отражается часть излучения. При механических воздействиях на кабель меняются характеристики отражённого излучения. Информацию о месте вторжения получают измерением времени задержки сигнала.

Рис. 6 Принцип COTDR: регистрация лазерного излучения, отраженного от неоднородностей оптического волокна.

Если в волокне создать специально регулярные неоднородности показателя преломления с пространственным периодом, равным длине волны лазерного излучения, то эффективность системы существенно повысится. 

Принципы построения распределённых фазовых ВОД

Волоконно – оптические кабели, которые производятся серийно 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. 

Существует два основных подхода к созданию одноволоконных распределенных и мультиплексных систем ВОД, общим для которых является использование одного волоконно-оптического тракта-волокна. 

В первом из них в волоконно – оптическую линию включается ряд специально создаваемых дискретных чувствительных элементов, в которых под действием внешних условий осуществляется модуляция интенсивности, фазы или спектра излучения. Такими чувствительными элементами могут быть брэгговские дифракционные решетки, интерферометры Маха – Цандера, интерферометры Фабри – Перо.

При втором подходе в построении распределенных ВОД используются эффекты, возникающие при распространении света в волокне: обратное рэлеевское рассеяние света, рассеяние Мандельштама – Бриллюэна, комбинационное рассеяние. 

ε – относительная деформация удлинения оптического волокна
    Δ – величина деформации оптического волокна

Как видно из таблицы, предложенные датчики уступают по чувствительности ВОД на основе интерферометров Маха – Цандера, но как минимум на два порядка превосходят все типы амплитудных распределенных датчиков, занимая, таким образом, промежуточное положение между амплитудными и волоконно – оптическими интерферометрическими датчиками [3].

Волоконные решётки показателя преломления

Волоконная решётка ПП – это участок волоконного световода (ВС) с периодом Λ, имеющая определённое пространственное распределение. Зачастую, решётка формируется в фоточувствительной сердцевине ВС (1), в то время как ПП кварцевой оболочки остаётся неизменным.

Рис.7 Схема волоконной решётки показателя преломления

1 – фоточувствительная сердцевина ВС; 2 – кварцевая оболочка.

Такая структура обладает уникальными спектральными характеристиками, которые и определяют её широкое применение. Например, наиболее важным свойством волоконных брэгговских решёток является узкополосное отражение оптического излучения.

Преимущества волоконных фотоиндуцированных решёток по сравнению с другими отражающими элементами следующие:

• широкое разнообразие получаемых спектральных и дисперсионных характеристик;
• полностью волоконное исполнение;
• низкие оптические потери;
• относительная простота изготовления.

В отсутствие возмущений поля волны в ВС моды распространяются без взаимодействия друг с другом. 

Структура волоконной решётки ПП выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимое резонансное взаимодействие между заданными модами ВС. Взаимодействие мод в ВС обычно описывается с помощью теории связанным мод , в рамках которой предполагаетля, что на определённой длине волны только две моды удовлетворяют условию фазового синхронизма, а значит могут эффективно передавать друг другу энергию. При этом поля мод в присутствии слабого периодического возмущения остаются неизменными.

Одна и та же решётка на разных длинах волн может связывать основную моду сердцевины с модами различных типов и направлений распространения. Например, в спектрах волоконной брэгговской решётки с большим коэффициентом отражения с коротковолновой стороны присутствуют резонансы от основной полосы отражения, возникающие из-за отражения оболочечных мод [6]. В длиннопериодических волоконных решётках резонансная связь с модами оболочки более высокого порядка реализуется на больших длинах волн [7]. При определённых параметрах ВС и решётки может возникать обратное пересечение указанных дисперсионных зависимостей. 

Существуют также модовые конвертеры [8], которые записываются в маломодовые волоконные световоды. В таких конвертерах происходит перевод излучения из одной моды сердцевины в другую. Аналогичный процесс реализуется в поляризационных конвертерах, где на решётке, записанной в двух лучепреломляющем ВС, осуществляется взаимодействие мод, имеющих взаимное перпендикулярное направление поляризации электрического поля [9] [10] [4] .


 Зарубежные подземные волоконно – оптические системы

Fiber SenSys Inc. – американская компания, выпускающая серию систем охраны периметров Fiber Defender (FD). Эта система может применятся для охраны и оград, и стен, а также в качестве подземной системы охраны. Протяжённость одной зоны может составлять 2 км. В системе используется процессор для цифровой обработки сигналов от сенсоров и для автоматической регулировки параметров системы  в зависимости от фонового шума среды. 

С помощью одного коммуникационного кабеля можно объединять до 127 процессоров в единую систему. При подземной установке эффективная ширина чувствительной зоны (не менее 1м) обеспечивается креплением сенсорного кабеля к металлической или пластиковой решётке, которую размещают на глубине нескольких сантиметров (рис. 8).

Рис.8 Сенсорный кабель системы Fiber Defender на пластиковой сетке для подземной установки.

Future Fiber Technologies (FFT) – австралийская компания, которая производит подземные системы охраны Secure Fence BGS (Below Ground System – Подземная Система). Secure Fence BGS самостоятельно не применяется и используется в качестве второго рубежа охраны, например, после ограды. Максимальная длина одной зоны составляет 60 км, а локализация вторжения 50 м. Эта система представляет собой два отдельных сенсорных кабеля, проложенных вдоль периметра в траншеях, глубиной 50...75 мм.  

Эффективность системы повышается, если оптоволоконный кабель прикрепить к сетке. Борьба с помехами осуществляется за счёт корреляционной обработки сигналов от двух кабелей.

Эта же фирма выпускает систему SecurePipe, которая основана на боле совершенном интерферометрическом методе. В качестве датчиков в ней используются одномодовые оптические волокна или свободные жилы уже используемого коммуникационного кабеля. В основном это  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 – х до 12 – ти; внешний диаметр кабеля – от 6 до 10 мм. Кабели отличаются высокой прочностью: допустимые кратковременные нагрузки на разрыв составляют от 160 до 480 кг. 

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 [2].

Исследование волоконно – оптического сенсора

Поперечные деформации оптоволокна вызывают избыточные потери мощности излучения и изменение показателя преломления сердцевины волокна. Это приводит к изменению периода рециркуляции, что регистрируется достаточно просто и с высокой точностью. 

Волоконный кабель необходимо разделить на секции с помощью селективных отражателей, в качестве которых выступают волоконные брэгговские решетки (ВБР) с различными периодами, способные отражать излучения на разных длинах волн. 

Для центральной резонансной длины волны отражения 1550 нм ширина спектра отражения ВБР составляет 1 – 2 нм по основанию для одномодовых ВС и может достигать величины до 10 нм при формировании ВБР в многомодовых ВС, а коэффициент отражения на резонансной длине волны равняется 0,92. При этом затухание соседних лепестков на диаграмме относительной спектральной отражательной способности ВБР составляет не менее 30 дБ. 

Отражённый импульс выделяем устройством выбора на основе WDM – технологии. Такая технология хороша при детектировании одновременного вторжения на нескольких участках охраняемой территории, ввиду параллельного опроса зон охраны.

Наибольшей чувствительностью к микродеформациям обладают многомодовые световоды с внешним диаметром световода 125 мкм, диаметром сердцевины 50 мкм и полипропиленовым покрытием 1 мм, имеющие потери 0,3 дБ/км на длине волны излучения λ = 1550 нм.

Для работы сенсор необходимо поместить под землю на глубину 3 – 5 см, укладывая его при этом петлями длиной 20 м с шагом 30 см. В качестве источника излучения используются  лазерные диоды с распределённой обратной связью и фиксированной длиной волны серии NEC NX8571SC. Эти диоды предназначены для работы со спектральным уплотнением и имеют минимальную выходную мощность излучения 10 мВт. В качестве фотоприёмников используются InGaAs – ЛФД серии Mutsubishi PD 8042 со спектральной чувствительностью S_фп= 0,94 А/Вт для λ = 1550 нм  при коэффициенте лавинного умножения М = 1.

Контролируемый периметр необходимо разбить на сектора, каждый из которых перекрывается волоконным световодом длиной 1 км. Временная задержка между двумя импульсами на различных длинах волн, отражающимися в начале и в конце волоконной секции от ВБР на линейном участке фронта импульса на входе порогового устройства описывается выражением:

,
где P_вх – мощность излучения инжекционного лазера;

К – коэффициент ослабления излучения, учитывающий потери излучения на стыковку и при распространении его по ВС;

U_п– пороговое напряжение компаратора; 

τ_ф – длительность фронта сигнального импульса;

R_н– нагрузочное сопротивление полупроводникового фотоприемника; 

M – коэффициент лавинного умножения ЛФД (для PIN – фотодиодов M = 1);

G_ус– коэффициент усиления электронного усилителя на выходе ЛФД (при его необходимости); 

L – длина волоконно-оптической секции,

n – коэффициент преломления волокна; 

c – скорость света в вакууме. Коэффициент учитывает ослабление сигнала в ВС. Здесь α₁, α₂ – коэффициенты ослабления (в дБ) лазерного излучения при вводе – выводе и в самом ВС соответственно.

Если световод подвергается поперечным напряжением на выпуклости, то в областях микроизгибов возникают избыточные потери. Их численное значение рассчитывается с помощью формулы:

, где  

где a_i – избыточные потери, вызванные изгибом волокна, d – диаметр сердцевины оптического волокна, b – диаметр световода, n_об – показатель преломления оболочки, Δh(p) – среднеквадратичное приращение амплитуды микроизгиба, являющееся функцией приложенного давления,Е_об – модуль Юнга материала оболочки, Е_с – модуль Юнга материала сердцевины.

Для расчетов используются следующие значения: Δ <= 2*10^-3 ; Е_с = 6,2*10¹⁰ Н/м²; Е_об = 6,9*10⁸ Н/м²; τ_ф = 5 нс; N = 2 для идущего человека и N = 15 для ползущего [1].

Заключение.

Системы с подземными волоконно-оптическими сенсорами позволяют охранять территорию протяжённостью до 100 км с точностью локализации места вторжения до нескольких метров. Установка таких систем предполагает целый ряд мер по планированию системы и инсталляции сенсоров. Сенсорные кабели укладывают в траншеи, засыпанные гравием, а установка сенсоров непосредственно в грунт уменьшает зону чувствительности сенсора. Эти сенсоры регистрируют поперечное давление на волокно, в результате которого изменяются характеристики излучения. Например, человек массой 70 кг и ростом 180 см оказывает давление на грунт от 19 кПа до 10 кПа, что вызывает дополнительную временную задержку распространения импульса по ВС около 600 пс. А если человек ползёт, то давление составляет 1 – 1,5 кПа, что вызывает временную задержку приблизительно 170 пс. При этом разрешающая способность всей системы составляет 50 – 70 пс. Зная подобные параметры, возможно проводить самообучение системы, чтобы избежать ложных срабатываний.

Библиографический список:

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.

Важное замечание

    При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.