Бас редактор Байжуманов М. К

ISSN 1607-2774 
Вестник Государственного университета имени Шакарима города Семей № 4(92) 2020 
19 
технологий имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с уже известными 
инфракрасными, виброакустическими, магнитометрическими, емкостными, сейсмическими. 
У каждого типа охранной системы есть положительные и отрицательные стороны и для 
важных объектов используются комбинированные системы, имеющие основные и 
резервные системы охраны. Первый обнаруженный патент по охранным системам данного 
типа был зарегистрирован в США в 1977 году, который стал основой последующих 
разработок. Основой является источник излучения (лазер), волоконно-оптический сенсор, 
фотоприемник и устройство обработки данных. Волоконно-оптическая система охраны 
отличается относительной простотой конструкции и низким энергопотреблением сенсоров. 
Оптическое волокно (ОВ), используемое в качестве сенсора, является энергетически 
пассивным, имеет высокую электромагнитную помехозащищенность и коррозионная 
стойкость, а также не производит электромагнитных полей вокруг себя, что затрудняет его 
обнаружение. Относительная простота построения различных волоконно-оптических 
охранных систем (ВООС) не говорит о том, что они не имеет недостатков. При всех её 
достоинствах, остаются нерешенными ещё ряд важных проблем, проявляющихся при их 
эксплуатации. Например, возникновение помех при температурном расширении оптического 
волокна, что приводит к возникновению эффекта «замирания», когда сенсор становиться не 
чувствительным к механическому воздействию. Возникновение помех и ложное 
срабатывание ВООС создают массу проблем и требуют использования технических 
решений, способных правильно обрабатывать спектральную составляющую сигнала. Для 
преодоления данной проблемы требуется использование сложных микропроцессорных 
устройств предварительной и основной обработки информации, а также оригинального 
программного обеспечения на основе искусственного интеллекта, что существенно 
повышает стоимость ВООС. Различные производители ВООС решают технические 
проблемы по-своему и некоторые достигли положительных результатов, но только 
стоимость остается достаточно высокой. 
Проведенный анализ показал, что на мировом рынке уже имеются производители 
ВООС, которые уже несколько десятков лет присутствуют на рынке с рядом успешных 
разработок. Сформировались лидеры в данной области, например, Future Fibre Technologies 
FFT (Австралия); Remsdaq (Англия); TRANS Security Systems and Technology (TSS) 
(Израиль); Fiber Sen Sys (США); Magal (Израиль); Senstar-Stellar (Канада). Имеются 
производители, которые только выходят на рынок, например, НПО Прикладная радиофизика 
«Ворон» (Россия), «Дунай» (Россия), «Гюрза» (Россия), можно привести еще с десяток 
примеров в какой-то мере успешных проектов в области волоконно-оптических систем 
охраны. Отдельно можно отметить успехи разработчиков Yangtze Optical Fibre and Cable 
Company Ltd из Китая. Естественно, каждый производитель использует свои схемные 
решения, методы и средства, но при анализе доступных источников, учитывая, что 
некоторые разработки имеют секретность и недостаточно освещены в открытой печати, 
можно сделать вывод об определенном сходстве между различными системами охраны, 
объединяющем их в несколько групп. Есть и более общие характерные сходства, это 
использование принципа оптического интерферометра [1-3]. 
Определенные нерешенные известные проблемы распределенных волоконно-
оптических охранных систем служат основанием для проведения дополнительных 
исследований. Также необходимо проведение исследований для их совершенствования и 
снижения стоимости, что сделает их более доступными. На сегодняшний день фирмами 
разработчиками 
применяются 
разнообразные 
методы 
регистрации 
вибрационного 
воздействия на волоконно-оптический кабель, например, метод регистрации межмодовой 
интерференции Fiber SenSys, принцип двухлучевой интерферометрии FOIDS (изготовитель 
фирма Mason&Hanger, США). Имеется еще одна группа охранных систем, использующая в 
своей основе эффект решёток Брегга и вызванное ими отражением света или рассеяньем, 
которое улавливается чувствительным фотоприемником. На схожем принципе работают 
охранные системы, использующие за основу оптический рефлектометр [4-7]. 
Для удобства описания основы рассматриваемых охранных систем можно 
использовать классическую теорию оптического интерферометра. Теоретическая основа 
работы данного устройства известна и является суммой сложения двух световых волн Е
1
и 
Е
2
, проявляется в изменении результирующей интенсивности I, которую регистрирует 
фотоприёмное устройство интерферометра. Как видно на рисунке 1, при механическом 

ISSN 1607-2774 
Семей қаласының Шәкәрім атындағы мемлекеттік университетінің хабаршысы № 4(92)2020 
20 
воздействии возникает микроизгиб волокна, что приводит к изменению свойств света 
(моды), проходящему по нему, соответственно, меняются показатели преломления Δn. [8] 
Изменение распространяющейся фазы световой волны Δφ ~ Δn плюс изменение вектора 
электромагнитного поля волны Е, оказывающего влияние на поляризацию, что и 
фиксируется интерферометром. 
Рисунок 1 – Изменение фазы световой волны при механическом воздействии 
На основе известной теории оптического интерферометра составлено выражение 
для двух когерентных световых волн. Это выражение, связывающее изменение 
интенсивности I (t):
I (t) = Е
1
Е
2
cos [Δφ + Δφ (t)]
(1) 
где t – время; 
Δφ – начальная и имеющая случайный характер разность фаз интерферирующих 
световых волн; 
Δφ (t) – разность фаз, связанная с изменением условий распространения в 
оптическом волокне под внешним механическом воздействием и деформации волокна.
В процессе исследований установлено, что использование в чистом виде 
классического интерферометра Маха-Цандера неприемлемо для ВООС, так как имеется ряд 
существенных недостатков. Например, разность фаз интерферирующих световых волн Δφ 
имеет случайный характер и является значительной проблемой в эффективности работы 
всей системы. Имеется зависимость Δφ от внешних факторов, влияющих на систему в 
целом, например от температуры, если Δφ=0, то cos=1, это обстоятельство изменения 
начальных условий разности фаз из-за изменения температуры в пределах 1
0
С, может 
привести к замиранию системы и ложному срабатыванию, при этом никакого механического 
воздействия на сенсор не было.
Можно предложить две схемы, которые могут быть использованы для построения 
волоконно-оптических систем охраны, представленные на рисунках 2 и 3. Первый вариант 
более технологичный и сложный, соответственно и более дорогой при изготовлении, но 
позволяет с более высокой точностью определить место вторжения. Второй вариант более 
прост в компоновке, но требует большего количества оптических волокон в кабеле связи. В 
качестве сенсора здесь используется одномодовое оптическое волокно, но с некоторыми 
принципиальными отличиями. Более сложная в техническом оснащении схема, приведенная 
на рисунке 2, будет иметь значительную стоимость в отношении используемого 
оборудования, так как в ней реализован метод когерентной оптической рефлектометрии с 
временным разрешением и используются принципы технологии C-OTDR (Coherent Optical 
Time Domain Reflectometry). К анализатору подключаются оптические волокна при помощи 
коннекторов. Через оптический ответвитель луч лазера разделяется на n
x 
количество лучей. 
При этом полупроводниковый лазер работает в импульсном режиме. Важная роль отводится 
оптическому переключателю, который осуществляет переключение волокна с источника 
излучения на фотоприемник в пределах микро или наносекунд в зависимости от 
протяженности охраняемого периметра. Возникает известный эффект оптического 
рассеяния и часть оптического излучения отражается от различного рода неоднородностей 
обратно. Волоконно-оптический сенсор подключен к оптическому переключателю через 
оптические коннекторы к кабелю связи.
Это обстоятельство позволяет оценить величину воздействия и точно установить 
расстояние до точки воздействия. Соответственно можно идентифицировать характерные 
факторы нарушения охраняемого периметра. 

ISSN 1607-2774 
Вестник Государственного университета имени Шакарима города Семей № 4(92) 2020 
21 
Рисунок 2 – Схема волоконно-оптических 
система охраны периметров на основе 
когерентной оптической рефлектометрии с 
временным разрешением 
Рисунок 3 – Схема волоконно-оптических 
система охраны периметров на основе 
контроля дополнительных потерь в ОВ 
Данная схема представлена в многоканальном варианте и может быть использована 
для охраны нескольких участков одновременно, при этом используется один центр 
обработки данных, который обрабатывает полученные рефлектрограммы и при отклонениях 
от базовой рефлектограммы выдает сигнал тревоги. Указанная система на основании 
расчета времени задержки отраженного сигнала способна определить место вторжения от 
30 до 50 метров. Расстояние зависит от технического уровня применяемого оборудования. 
Отраженный свет сначала попадает на фотоприемник, затем проходит предварительную 
обработку и конвертируется уже в электрический сигнал, далее анализатор производит 
анализ рефлектрограммы с уже имеющейся базой рефлектрограмм охраняемого участка. 
Далее через согласующее устройство информация попадает в компьютер, где 
визуализируется при помощи программного обеспечения. Эффективность системы 
существенно 
повышается, 
если 
в 
волокне 
специально 
создаются 
регулярные 
неоднородности показателя преломления с пространственным периодом, сравнимым с 
длиной волны лазерного излучения, необходимо сформировать условия для Брэгговского 
рассеяния. Изменения свойств света происходит при механическом воздействии на ОВ и 
выражается в увеличении дополнительных потерь, появлении различного рода рассеянья 
(Релеевское, Бриллюэновское, Романовское). В данной схеме использовался эффект 
Релеевского рассеяния. Волоконно-оптический сенсор, для скрытности погружается в землю 
на глубину от 5 до 8 сантиметров. Он будет чувствительный не только к микроизгибу, но и к 
различного рода вибрациям, соответственно система охраны может обнаружить 
нарушителя на определенном расстоянии от сенсора. К примеру, идентифицировать 
вторжение человека на расстоянии около 3 метров, а тяжелую гусеничную технику в 
пределах 15-20 метров. Волоконно-оптические сенсоры воспринимают механические 
вибраций в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц, например, человек, перелезающий через 
металлическую ограду, создает вибрации в пределах 8-14 Гц, что находиться в зоне 
чувствительности сенсора. У указанной системы есть ряд недостатков, например, эрозия и 
размыв почвы могут оголить сенсор, который можно легко повредить в нескольких местах и 
система будет выведена из строя. Также необходима разработка методов для повышения 
помехозащищённости системы и не допуске ложных срабатываний. Необходима 
корреляционная обработка сигналов не менее чем от двух волоконно-оптических сенсоров, 
это позволяет отфильтровать помехи, которыми могут быть шум дождя, вибрации от рядом 
проезжающего транспорта и другое, так как необходимо выделить полезный сигнал 
реального вторжения на их фоне. 
На рисунке 3 представлен более упрощенный вариант волоконно-оптической 
системы. В качестве источника света используется полупроводниковый лазер, мощностью 
10-30 мВт, с оптическим разветвителем. К примеру, можно разделить периметр на 8, 16, 32 
и 64 зоны, где образуется определенный охраняемый участок длиной 10-30 метров и 
шириной до 3 метров. При механическом воздействии или вибрации происходит изменение 
свойств света и значений дополнительных потерь, что и является основанием для 
срабатывания системы охраны. В остальном анализатор, согласующее устройство и 
персональный компьютер выполняют те же функции, что и в схеме, рассмотренной ранее на 
рисунке 2.

ISSN 1607-2774 
Семей қаласының Шәкәрім атындағы мемлекеттік университетінің хабаршысы № 4(92)2020 
22 
На рисунке 4 показано размещение чувствительного сенсора охранной системы. 
Сенсор выполнен из кварцевого одномодового оптического волокна 9/125 мкм (OS2) Corning 
SMF-28e+® с низким "водным пиком" (стандарт ITU-T G.652), в зашитой силиконовой 
оболочке диаметром 1 мм.
Рисунок 4 – Расположение сенсора на пластиковой сетке 
Волокно укладывалось на пластиковую сетку, для создания однородности 
поверхности, пластиковая сетка закапывается в грунт. Глубина погружения составляет в 
пределах 5-6 см. Длина волоконно-оптического сенсора составила 500 метров, 
дополнительно 
были 
использованы 
две 
компенсационные катушки 
по 
4,7 
км, 
соответственно общая длина составила около 10 километров. Ширина полосы 
чувствительности сенсора к вибрационному воздействию отмечена в пределах 2 - 3 метров. 
Отклик на вибрационное воздействие в диапазоне частот от 1 Гц до 10 кГц. Точность 
определения в пределах 50 метров. Длина волны источника оптического излучения 
составляла 1550 нм с оптическими потерями примерно 0,3 дБ/км. Система уверено 
фиксирует проход человека весомо коло 60 кг и более с выдачей сигнала тревоги на пульт 
оператора. 
Кроме этого, чувствительность приемника может быть улучшена путем усреднения 
сигналов. К примеру, для волоконно-оптического сенсора длиной 20 км, которое 
контролируется посредством OTDR с коэффициентом преобразования длительность 
импульса/расстояние, равным 10 мкс/км, степень снижения шума при усреднении сигналов в 
течение одного этапа измерения, составляющего 1 с и 3 мин, соответственно. Учитывая, что 
10% времени будет потеряно, а время, необходимое для прохождения сигнала в прямом и 
обратном направлениях. Соответственно система будет контролировать охраняемый 
участок не в режиме реального времени, а периодически посылая импульсы в сенсор и 
принимая отражения от возникших неоднородностей, усредняя полученные значения в 
течение определенного периода времени [9-10]. 
Теоретические 
исследования 
показали, 
что 
данная 
система 
позволяет 
идентифицировать механические воздействия на значительном от измерительной части 
расстоянии в пределах 100 км, но на практике получить достаточную чувствительность 
системы охраны не удалось из-за различного рода помех, которые усиливаются с 
увеличением расстояния. Опыты показали, что длина сенсора из многомодового 
оптического волокна эффективна до 1 километра, а одномодового до 20 километров, но 
теоретические исследования показали, что механические деформации и вибрационные 
воздействия можно идентифицировать при длине волоконно-оптического сенсора на 
расстоянии 
до 
100 
км. 
Многомодовое 
волокно 
показало 
более 
высокую 
помехозащищенность при изменениях температуры и его лучше использовать на 
дистанциях 
до 
одного 
километра. 
Были 
исследованы 
зависимости 
измерений 
дополнительных потерь от расстояния от источника излучения при длине волны 1550 нм. 
Наиболее эффективно использовать длительность импульса t=10 мкс для сенсоров 
протяженностью от 30 километров, а длительность импульс t=10 мкс для более короткой 
дистанции.
Можно определить дистанцию до неоднородности оптического волокна, которым 
может быть микроизгиб, соответственно возникнет эффект места отражения или рассеянья. 
По разности ∆t между двумя пиками, а также провалами, соответствующими 
сосредоточенным потерям, скорости света в вакууме c
0
и групповому показателю 
преломления n
g
≈1,476 в стекле сердцевины, можно рассчитать либо длину волокна, либо 
координаты указанных выше неоднородностей. 
 
,
,
2
0

жүктеу/скачать 9,41 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: