Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Мониторинг протяженных объектов транспортной инфраструктуры. Неэлектрические решения

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Мониторинг протяженных объектов транспортной инфраструктуры. Неэлектрические решения

– Денис Григорьев! ...сторож... застал тебя за отвинчиванием гайки, коей рельсы прикрепляются к шпалам... Для чего же тебе понадобилась эта гайка?.. – Гайка-то? Мы из гаек грузила делаем...
Чехов А.П. Злоумышленник


Ю.А. Русанов

Генеральный директор ООО "Прикладная радиофизика"

Чеховский наивный и, тогда казалось, совсем неопасный "злоумышленник", отвинтивший гайку с рельса на пути поезда, который двигался со скоростью 30 км/ч, превращается в ЗЛОумышленника, когда речь идет о скорости движения 300 км/ч. Он становится опаснее ровно в 100 раз, если учтем, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости! Да и мотивация действий трансформировалась от "грузила" до терроризма!

Очевидно, что, развивая техническую инфраструктуру, мы обязаны реагировать на новые угрозы нашей безопасности, которые находятся внутри нашей среды обитания, внутри нас... Совершенно неправильно было бы утверждать, что это понимание пришло лишь сегодня. Реализация утверждения "Мой дом – моя крепость" была достигнута отнюдь не в XXI веке! Охрана особо важных государственных объектов осуществлялась всегда, и для этого были созданы соответствующие институты и предприятия. Технические средства обеспечения безопасности за последние 20 лет получили колоссальное развитие во всем мире. Сегодня уже, наверное, возможно построить относительно безопасный дом, офис, санаторий или хранилище ядерных боеприпасов – локальные, хорошо защищенные зоны, которые способны противостоять угрозам определенных классов и уровней.

Но это лишь очень ограниченный круг в среде нашего обитания, который все равно становится уязвимым в отсутствие безопасной железнодорожной, автомобильной, авиационной, трубопроводной, электроэнергетической, информационной составляющих транспортной инфраструктуры.

Главное отличие, которое, на наш взгляд, требует новых подходов к проблеме обеспечения безопасности этих объектов, заключается в их нелокальной протяженной структуре. К сожалению, технические средства и решения, которые используются при создании систем безопасности локальных объектов, оказались неприменимы для объектов протяженных.

На каких же физико-технических подходах, известных сегодня, могут базироваться системы мониторинга протяженных объектов? Ответ на сегодняшний день однозначен – комплекс технических средств обнаружения на основе волоконно-оптических сенсорных устройств и компьютерных методов обработки информации.

Почему именно волоконная оптика? Причин несколько:

1. Оптическое волокно является великолепным сенсором физических полей, в том числе механических и температурных, и в то же время практически невосприимчиво к электромагнитным помехам природного и техногенного характера.

2. Оптическое волокно – лучшая среда передачи сигналов на расстояния в сотни километров.

3. Построение протяженной сенсорной линии в сотни километров возможно без каких-либо обслуживаемых приборов и устройств на всем ее протяжении.

4.   Сенсорная линия легко интегрируется с устройствами видеонаблюдения, передающими сигнал по оптическому волокну в центр реагирования.

Понимание безальтернативности применения оптического волокна привело в последние годы, по данным ВСС США, к значительному (до 30–35% в год) росту рынка волоконно-оптических сенсоров различного назначения – с 235 млн долл. США в 2007 г. до 1,6 млрд долл. США к 2014 г.

Принципы построения волоконно-оптических датчиков (ВОД)

Любой ВОД – это устройство, содержащее оптическое волокно и преобразующее изменение внешнего физического поля в изменение параметров оптического излучения (амплитуды, фазы, частоты, поляризации), распространяющегося по этому оптическому волокну.

Конструкция оптического волокна представлена на рис. 1.


Оптическое волокно содержит: кварцевую оболочку, покрытую специальным лаком, и светове-дущую сердцевину. Основной физический принцип волоконной оптики – полное внутреннее отражение света при падении из оптически более плотной среды (световедущей сердцевины) в оптически менее плотную. Оптическую плотность характеризует показатель преломления n, который показывает отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде с показателем n.

Если диаметр световедущей сердцевины в десятки раз превышает длину волны света в вакууме, то такое волокно называется многомодо-вым. В приближении геометрической оптики возможны различные пути распространения света в многомодовом волокне. Каждый реализованный вариант распространения называется модой.

В зависимости от частоты световой волны и диаметра световедущей сердцевины возможное количество мод в оптическом волокне может меняться от одной до нескольких тысяч.

Диаметр световедущей сердцевины одномодового волокна допускает распространение только одной моды.

Одна из основных характеристик света – когерентность, с которой связано понятие интерференции. Излучение когерентно (от лат. cohaerens – находящийся в связи), когда отдельные части световой волны "помнят", что они рождены в одной системе атомов. "Память" – это зафиксированный набор фаз отдельных атомных излучателей, который можно назвать фазовым портретом системы атомов. В зависимости от того, как быстро происходит сбой фазы атомного излучателя, определяется время этой "памяти", или время когерентности. При сложении когерентных волн в пространстве происходит перераспределение энергии, или интенсивности, – это называется интерференцией.

Варианты построения ВОД

1. Точечные ВОД для локальных измерений.
Конструкции этого типа могут содержать специальный преобразователь, который находится или на торце оптического волокна, или в разрыве двух оптических волокон, или в специально подготовленном определенном месте оптического волокна (рис. 1).

Преобразователями внешних воздействий могут быть устройства различных конструкций и принципов действия, которые меняют параметры световой волны.


ВОД точечного типа называются, как правило, по типу измеряемого внешнего воздействия: волоконно-оптические акселерометры, датчики перемещений, датчики давления (рис. 2а), вибрационные датчики (рис. 2б), температурные датчики, ВОД электрического тока и напряжения, датчики газов и химических веществ (рис. 2в), волоконно-оптические гироскопы и т.д.


Одним из новых и наиболее перспективных вариантов ВОД температуры, давления, вибрации и механических деформаций являются волоконные брэгговские решетки (ВБР). Волоконная решетка представляет собой отрезок волокна, в структуре которого сформирована решетка с измененным показателем преломления. ВБР обеспечивает узкополосное отражение, спектральное положение которого зависит от внешних воздействий (рис. 2г).


2. Распределенные волоконно-оптические датчики.
В распределенных ВОД оптическое волокно на всем своем протяжении само является преобразователем внешних воздействий в изменение параметров распространяющегося излучения. Это означает, что могут быть созданы оптические сенсорные линии протяженностью в десятки и сотни километров.

На сегодняшний день большинство волоконно-оптических распределенных датчиков основаны на явлении интерференции.

• Распределенный ВОД на основе интерференции мод.
Если распространяющиеся в многомодовом оптическом волокне моды лазера, работающего в режиме непрерывного излучения, являются когерентными, то на выходе света из такого волокна будет наблюдаться интерференционная картина. Даже небольшой изгиб оптического волокна, обусловленный внешним механическим воздействием, изменяет фазы распространяющихся мод – меняется интерференционная картина – происходит модуляция интенсивности света (рис. 3).


• Распределенный ВОД на основе двухлучевой интерферометрии.
В отличие от межмодовой интерферометрии, где происходит интерференция между многими модами, эти типы ВОД используют два одномодовых волокна. Режим излучения также непрерывный. Внешнее механическое воздействие по-разному изменяет фазы световых волн в этих волокнах, в результате регистрируется изменение интерференционной картины на торце волокна (рис. 4).


Периметровые системы обнаружения на основе этих типов ВОД имеют протяженные (до 60 км) линейные части, содержащие только пассивные волоконно-оптические кабели и элементы. Эти мониторинговые системы названы распределенными оптическими сенсорными системами многокабельными, или РОССМ. Подобные системы производятся серийно в США, России и ряде других стран.

• Распределенный ВОД температуры на основе импульсной рефлектометрии.
В этом типе датчиков, в отличие от вышеописанных, используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности распространяется по волокну, излучая в результате рамановского рассеяния свет в обратном направлении. Анализ интенсивности спектральных компонентов рассеянного назад света позволяет осуществить измерения температуры с координатной привязкой к оптической кабельной линии (рис. 5).


• Распределенный ВОД на основе когерентной рефлектометрии.
В этом типе датчиков также используется импульсный режим излучения лазера. Световой импульс достаточно высокой мощности и высокой степени когерентности распространяется по волокну, излучая в результате релеевского рассеяния свет в обратном направлении. Интерференция рассеянного назад света позволяет не только обнаруживать факт внешнего воздействия на оптический сенсор, но и определять координату этого воздействия с точностью до нескольких метров (рис. 6).


Распределенные волоконно-оптические системы на основе таких сенсоров могут иметь протяженные (до 50–70 км) линейные части, содержащие только один оптический кабель, являющийся сенсором воздействий и одновременно линией связи.

Эти системы называются распределенными оптическими сенсорными системами однока-бельными, или РОССО.

Построение и применение распределенных сенсорных систем (РОСС)

РОСС состоят из линейной и приборной частей. Линейная монтируется вдоль границы или по периметру объекта охраны. Приборная часть находится, как правило, в помещении, где расположен центр реагирования. Она содержит блоки источников оптического излучения, фотоприемники, блоки обработки сигналов и системы отображения и передачи информации.

Линейная часть РОССМ содержит два типа оптических кабелей: кабели-датчики, являющиеся чувствительными элементами, и кабель связи, осуществляющий передачу оптического излучения от приборной части к кабелю-датчику и от кабеля-датчика к фотоприемнику в приборной части. Кабели-датчики линейных частей РОССМ содержат в качестве сенсорных элементов оптические волокна и формируют пространственно распределенную ВОД-структуру, связанную с окружающей средой: полотном ограждения, грунтом и т.д. (рис.7).


Адресация в РОССМ может осуществляться как прямой привязкой каждого кабеля-датчика к определенному каналу оптического тракта, так и временным разделением каналов в зависимости от координаты кабеля-датчика. Протяженность адресного участка определяется возможностями оптимального реагирования на сигналы тревоги и составляет в реальных условиях от 50 до 500 м.

РОССМ входят в состав сигнализационных комплексов заградительного типа и устанавливаются на сетчатые ограждения из проволоки диаметром от 2,5 до 6 мм и даже прутков и профильных 40-миллиметровых труб. Используются в комплексах охраны границ, периметров объектов большой протяженности и т.д.

На основе РОССМ созданы системы с линейной частью подземного заложения, детектирующие движение нарушителя или попытки подкопа.

Практически абсолютная невосприимчивость линейной части РОСС к электромагнитным полям любого происхождения делает РОССМ незаменимым средством для использования в качестве периметровых средств охраны на объектах электроэнергетики, радиолокационных объектах, аэродромах и в аэропортах (рис. 8).


Линейная часть РОССО содержит только один кабель, совмещающий роль кабеля-датчика и линии связи. Точность обнаружения воздействия в РОССО может достигать 5 м и ограничивается только возможностями применяемой аппаратуры (рис. 6).

РОССО, обладая преимуществами перед РОССМ с точки зрения экономии на кабельных линиях и точности обнаружения, имеет очень существенный недостаток, который делает невозможным их применение в сигнализационных комплексах заградительного типа: если перекусить кабель-датчик, расположенный на ограждении, это приведет к выводу из строя сенсорной системы на всем ее протяжении. В системах РОССМ подобное разрушение выводит из строя только один участок! Именно поэтому РОССО целесообразно использовать только в системах скрытого заложения, например для контроля несанкционированных действий на трубопроводном транспорте или в магистральных волоконно-оптических линиях связи. Возможно также применение РОССО для организации систем сейсмического мониторинга (рис. 8).

При решении извечной проблемы всех пери-метровых систем – разделения сигналов от природных факторов и сигналов от реального воздействия – волоконно-оптическая основа РОСС дает гигантские преимущества перед всеми остальными периметровыми техническими средствами: обработка сигнала сосредоточена в одном месте, а значит, могут быть использованы вычислительные возможности современных компьютеров и соответственно мощный математический арсенал средств распознавания образов. Например, в России в РОССМ уже более 10 лет успешно используются и продолжают развиваться методы многопараметрической обработки и распознавания сигналов на основе нейросетевых алгоритмов. Применяются методы корреляционной обработки и методы адаптивной цифровой фильтрации сигналов. Реализованы многовариантные сетевые решения.

Таким образом, современная техника готова к развертыванию комплексов мониторинга протяженных объектов на основе РОССМ, РОССО и точечных ВОД.

Дело за малым...

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2010
Посещений: 14516

  Автор

Русанов Ю. А.

Русанов Ю. А.

К.ф.-м. наук

Всего статей:  6

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций