Цифровая обработка сигналов вибро-оптической и вибро-акустической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бюджетное учреждение высшего образования

Ханты-Мансийского автономного округа - Югры

"Сургутский государственный университет"

Политехнический институт

Кафедра экспериментальной физики

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ВИБРО-ОПТИЧЕСКОЙ

ВИБРО-АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

МАКАРОВ ПАВЕЛ АНДРЕЕВИЧ

Научный руководитель:

доцент, кандидат физико-математических наук

Сысоев Сергей Михайлович

Сургут 2015



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПЕРИМЕТРАЛЬНЫЕ ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 РАДИОЧАСТОТНЫЕ СИСТЕМЫ

1.1.1 ВИДЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

1.1.2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

1.1.3 СИСТЕМА ОМНИТРАКС (OMNITRAX)

1.1.4 СИСТЕМА МАЙКРОТРЕК (MICROTRACK)

1.1.5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ О РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМАХ

1.2 СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРОВ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ

1.2.1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ОХРАННЫХ СИСТЕМ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ

1.2.2 СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛАСТИЧНЫХ ОГРАД

1.2.3 СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЖЁСТКИХ ОГРАД И СТЕН

1.2.4 ПОДЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ КАБЕЛЯМИ

1.2.5 МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ НА ОСНОВЕ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

1.2.6 ТЕХНОЛОГИЯ «ВОРОН»

1.3 ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ

1.4 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

1.4.1 КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

1.4.2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ

1.4.3 ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ

1.4.4 КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОХРАНЫ И МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ «ШЕЛЕСТ»

3. РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ШЕЛЕСТ»

4. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ «ШЕЛЕСТ»

4.1 ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ «ШЕЛЕСТ»

4.2 КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ «ШЕЛЕСТ»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

сигнал радиочастотный волоконный оптический



РЕФЕРАТ

Дипломная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и списка литературы. Объем диссертации составляет 79 страниц, содержит -76 рисунков, 28 источников литературы.

Ключевые слова: ПЕРИМЕТР, НЕСАНКЦИОНИРОВАННОЕ ПРОНИКНОВЕНИЕ, ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ, ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

Объектом исследования дипломной работы являются волоконно-оптические системы охраны периметра промышленных объектов.

Цель работы - исследование возможностей волоконно-оптической системы охраны периметра и осуществления охранных функций от несанкционированных проникновений.

В дипломной работе были рассмотрены российские и зарубежные периметральные охранные системы разных видов и принципы цифровой обработки сигналов. Были проанализированы сигналы волоконно-оптической системы охраны периметра «Шелест», разработан метод идентификации типа воздействия на ограду с помощью цифровой обработки.

В результате проведения испытаний установлена работоспособность и высокая чувствительность волоконно-оптической системы охраны периметра.

Проведен анализ сигналов полученных с волоконно-оптической системы «ШЕЛЕСТ», и составлена библиотека различных сигналов.

2) Разработана методика цифровой обработки сигналов волоконно-оптической системы охраны и мониторинга состояния промышленных объектов;

3) Написана программа идентификаций сигналов, для распознавания сигналов получаемых с ВОС «ШЕЛЕСТ»;

4) Программа позволяет различать следующие сигналы: перелаза и воздействия на забор.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день, современные электронные системы охраны весьма разнообразны и в целом достаточно эффективны. Однако большинство из них имеют общий недостаток: они не могут обеспечить раннее детектирование вторжения на территорию объекта или несанкционированные врезки в трубопровод. Такие системы, как правило, ориентированы на обнаружение нарушителя, который уже проник на охраняемую территорию или в здание. Это касается, в частности, систем видеонаблюдения; они зачастую с помощью устройства видеозаписи могут лишь подтвердить факт вторжения после того, как он уже произошел.

Квалифицированный нарушитель всегда рассчитывает на определенное временное «окно», которое проходит от момента проникновения на объект до момента срабатывания сигнализации. Минимизация этого интервала времени является коренным фактором, определяющим эффективность любой охранной системы, и в этом смысле привлекательность периметральной охранной сигнализации неоспорима.

Периметральная граница объекта является наилучшим местом для раннего детектирования вторжения, т.к. нарушитель взаимодействует в первую очередь с физическим периметром и создает возмущения, которые можно зарегистрировать специальными датчиками.

В последнее время активно внедряются волоконно-оптические периметральные охранные системы. Они имеют ряд преимуществ перед другими видами охранных систем.

Что касается цифровой обработки то можно сказать, что Бурное развитие цифровых технологий во многом изменило как смысл самого понятия «радиотехника», так и требования, предъявляемое к подготовке специалистов в этой области, сделав необходимыми новые знания и умения. Цифровой обработкой сигналов принято называть в вычислительной технике арифметическую обработку последовательностей, равноотстоящих во времени отсчетов. Под цифровой обработкой понимают также обработку одномерных и многомерных массивов данных.

Безусловно, данная обработка может быть выполнена с помощью обычных вычислительных средств. Например, на современном персональном компьютере обработка не представляет никаких трудностей. Однако именно специфика последовательности предоставляет дополнительные возможности для достижения высокой эффективности при жестких ограничениях систем реального времени.



1. ПЕРИМЕТРАЛЬНЫЕ ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1 РАДИОЧАСТОТНЫЕ СИСТЕМЫ

1.1.1 ВИДЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

На сегодняшний день технические средства охраны достаточно разнообразны и в целом очень эффективны. Однако практически всем им присущ один существенный недостаток: они детектируют сигнал вторжения лишь после проникновения злоумышленника на территорию объекта.

Коренным фактором, определяющим эффективность любой охранной системы, является минимизация интервала времени с момента проникновения на объект до момента срабатывания сигнализации, и в этом смысле привлекательность периметральных систем охраны, фиксирующих факт пересечения границы в реальном времени, неоспорима.

Существует большое разнообразие периметральных охранных систем.

Виды периметральных охранных систем:

1. Емкостные системы: в них происходит изменение параметров электрического поля при приближении или прикосновении нарушителя.

2. Вибрационные системы: их основа сенсорный кабель, являющийся, электромагнитным микрофоном.

3. Радиоволновые системы: простейший вариант состоит из двух фидеров, расположенных параллельно друг другу на определенном расстоянии. При пропускании через них тока, вокруг образуется стабильное электромагнитное поле.

4. Радиолучевые системы: передатчик создает объемное электромагнитное поле, обычно эллиптической формы.

5. Инфракрасные системы:

5.1. Активные: состоят из двух частей -- передатчика, излучающего импульсные ИК -лучи (от одного и более невидимых человеческим глазом лучей) и приемника, падающего сигнал тревоги в случае прерывания одного или нескольких лучей.

5.2. Пассивные: их действие основано на регистрации изменения уровня теплового излучения фона при движении людей или животных в зоне обнаружения.

1.1.2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Установка любой из перечисленных охранных систем на протяженные периметры является крайне дорогостоящим, место пересечение границы определяется только в пределах одной охранной зоны, необходима организация в единую информационную сеть всех зональных приемо-передающих пунктов. Вследствие этого возникает цель разработки не дорогой, протяженной охранной системы, не требующей организации большого числа приемо-передающих пунктов, однако при этом позволяющую производить регистрацию факта, локализацию места пересечения границы, а также опознавание нарушителя.

В этой части мы рассмотрим системы охраны периметров с излучающими кабелями, установленными под землей.

Сенсорами таких систем являются коаксиальные радиочастотные кабели с разреженной внешней оплеткой или с небольшими регулярными отверстиями во внешнем проводящем экране. Иногда такие кабели носят название «Линия вытекающей волны» (ЛВВ).

Два таких излучающих кабеля, расположенных параллельно друг другу, служат передающей и приемной антеннами, между которыми формируется объемное электромагнитное поле (рис. 1 слева). Излучаемое передающей антенной поле регистрируется приемным кабелем, который подключен к приемному модулю. Если в зону чувствительности кабелей попадает посторонний предмет (нарушитель), то принимаемый сигнал изменяется по фазе и амплитуде и приемный модуль генерирует сигнал тревоги.

Характерной особенностью всех систем с излучающими кабелями является то, что их чувствительная зона является трехмерной, т.е. кроме длины у нее есть определенная ширина и высота (рис. 1 справа). В результате система позволяет обнаруживать человека, находящегося на некотором расстоянии (до нескольких метров) от границ охраняемого объекта. При этом более массивные предметы (автомобиль, грузовик и т.п.) будут обнаружены на более значительных расстояниях - до нескольких десятков метров от сенсоров. Все это следует учитывать при проектировании систем с излучающими кабелями, особенно если охраняемый объект расположен в зоне плотной застройки или вблизи автомобильных дорог.

Рис. 1 Формирование электромагнитного поля коаксиальными кабелями

К привлекательным чертам подземных систем следует отнести скрытную установку сенсоров. Такие системы не требуют наличия физических оград, а также позволяют точно следовать неровностям профиля почвы или изгибам линии периметра. Сенсорные кабели можно монтировать в обычном грунте, а также устанавливать под бетонными, асфальтовыми или гравийными покрытиями.

Общим недостатком таких систем является их чувствительность к наличию вблизи охраняемой зоны металлических предметов (оград, подземных силовых и коммуникационных кабелей, трубопроводов) или водных потоков (как наземных, так и подземных). На работу систем могут влиять также крупные деревья, растущие вблизи охраняемого рубежа.

Ниже мы рассмотрим некоторые примеры практической реализации подземных систем охраны периметров.

1.1.3 СИСТЕМА ОМНИТРАКС (OMNITRAX)

Эта система, разработанная компанией Senstar сравнительно недавно, является логическим развитием системы Перимитракс. В качестве сенсорных элементов здесь могут использоваться сенсоры предыдущего поколения SC1 или SC2, а также новый сенсорный кабель ОС2 (рис. 2).

Рис. 2 Сенсорный кабель ОС2

Сенсор ОС2 по конструкции похож на одиночный кабель SC2, отличаясь от него более крупными размерами. Внешний диаметр кабеля с двойной защитной оболочкой равен 12 мм, диаметр центрального проводника - 2,5 мм. Поперечные размеры чувствительной зоны системы с двумя раздельными кабелями аналогичны соответствующим параметрам системы Перимитра3кс.

Основное отличие системы ОмниТракс от системы предыдущего поколения состоит в том, что в передающий кабель подается не непрерывный радиочастотный сигнал, а кодированный импульсный сигнал. Анализ принимаемого сигнала позволяет не только обнаруживать нарушителя, но и определять место вторжения с точностью до 1 метра. К электронному модулю подключаются две зоны охраны длиной до 400 м каждая. Специальная обработка сигналов с локализацией точки вторжения позволяет программно конфигурировать для каждого из процессоров до 50 отдельных сегментов периметра, в каждом из которых формируется индивидуальный сигнал тревоги.

Согласно спецификации изготовителя, система ОмниТракс с вероятностью 99% обнаруживает нарушителя массой более 35 кг, который пересекает охраняемый рубеж со скоростью от 0,05 до 8 м/сек. Заявляемая вероятность ложной тревоги составляет при этом не более одной ложной тревоги в месяц на одну зону охраны (400 м).

1.1.4 СИСТЕМА МАЙКРОТРЕК (MICROTRACK)

Чувствительными элементами системы МайкроТрек (компания Southwest Microwave, США) служат два излучающих кабеля, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 2 метров (рис. 3).

Рис. 3 Укладка излучающих кабелей фирмы MICROTRACK

Сенсорные кабели устанавливаются в грунт на глубину 10...23 см, хотя разработчики системы указывают, что глубина закладки кабелей не оказывает существенного влияния на конфигурацию чувствительной зоны. Типовые поперечные размеры зоны составляют 3 м (ширина) и 1 м (высота). Поперечные размеры чувствительной зоны зависят от проводимости почвы, поэтому для минимизации поглощения электромагнитного излучения рекомендуется устанавливать сенсорные кабели в траншеях, заполненных песком. Коаксиальный сенсорный кабель с регулярными отверстиями в экранирующей оплетке (рис. 4) содержит двойную защитную оболочку (майларовая пленка и полиэтилен) со специальным заполнением, препятствующим проникновению влаги внутрь кабеля. Внешний диаметр кабеля - 10,3 мм.

Рис. 4 Коаксиальный сенсорный кабель системы MICROTRACK

Сенсорные кабели выпускаются в двух стандартных длинах: 110 м и 210 м. Анализатор системы поддерживает две зоны охраны длиной до 200 метров каждая. Несколько анализаторов можно включить в сеть, где питание и передача тревожных сигналов осуществляются по сенсорным кабелям.

Отличительная особенность системы -использование многочастотного сигнала, подаваемого в передающий кабель. Специальный алгоритм обработки принимаемого сигнала позволяет не только обнаруживать вторжение, но и определять место вторжения с точностью не хуже 3 метров.

Каждая из зон охраны (длиной до 200 м) программно разделяется на 100 отдельных сегментов. Сигналы в каждом из сегментов обрабатываются индивидуально. Это дает возможность задавать чувствительность в каждом из сегментов, компенсируя тем самым локальные неоднородности электромагнитных параметров почвы.

Программа управления системой охраны отображает состояние в каждом из сегментов и позволяет при необходимости корректировать настройку параметров на отдельных участках периметра.

1.1.5 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ О РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМАХ

1. Радиочастотные системы охраны периметра с подземными излучающими кабелями (линиями вытекающей волны) позволяют обнаруживать отдельного нарушителя, обеспечивая объемную зону чувствительности с типовой шириной 3 м и высотой 1 м.

2. Подземное расположение сенсорных кабелей обеспечивает точное следование профилю почвы и скрытную установку компонентов охранной системы.

3. Длина отдельной зоны охраны обычно составляет не более 400 м. Некоторые из охранных систем с подземными излучающими кабелями позволяют определять место вторжения с точностью до 2...3 м. Современные системы с излучающими кабелями могут подключаться к сетевым комплексам контроля и управления, используемым для охраны протяженных периметров.

4. Cенсорные кабели нельзя устанавливать вблизи массивных металлических конструкций, автомобильных дорог, электрических кабелей, трубопроводов.

5. Почва над сенсорными кабелями должна быть свободна от скоплений дождевой воды или водных потоков.

6. Системы с излучающими кабелями являются активными, т.е. их можно обнаружить радиотехническими методами. В некоторых случаях «активность» охранных систем ограничивает возможности их применения.

7. Системы с излучающими кабелями могут быть подвержены влиянию электромагнитных и радиочастотных помех.

1.2 СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРОВ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ

1.2.1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ОХРАННЫХ СИСТЕМ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ

Волоконно-оптические кабели, используемые обычно 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. В силу специфики используемых физических принципов оптоволоконные системы отличаются очень малой восприимчивостью к электромагнитным помехам, что позволяет использовать их в неблагоприятной электрофизической обстановке.

Оптическое волокно в общем случае представляет собой коаксиальный световод. Свет распространяется вдоль центральной части (сердцевины) кабеля. К сердцевине волокна прилегает прозрачная оболочка, которая обладает меньшим показателем 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.

В качестве источника излучения обычно используются миниатюрные полупроводниковые лазеры или светодиоды. На выходе кабеля излучение регистрируется фотоприемником, который преобразует оптический сигнал в электрический. При деформациях волокна изменяются условия внутреннего отражения, в результате чего претерпевают изменения фазовые и пространственные характеристики луча на выходе кабеля. Эти изменения регистрируются фотоприемником и обрабатываются анализатором сигналов.

Волоконные световоды делятся на многомодовые и одномодовые. Диаметр сердцевины многомодовых волокон обычно составляет 50…100 микрон. По такому волокну одновременно распространяется большое количество типов волн (мод) с различными геометрическими параметрами. Эти лучи испытывают множественные отражения от границы между сердцевиной и оболочкой, что приводит к заметному затуханию сигналов.

Диаметр сердцевины одномодовых световодов составляет не более 10 микрон. В таком световоде может распространяться только один тип волны (мода), и затухание света здесь существенно меньше, чем в многомодовых световодах.

В волоконно-оптических охранных системах используются различные методы 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 регистрируемый приемником спектр излучения меняется, что позволяет детектировать деформации кабеля.

Интерференционный метод

В этом методе используется принцип двухлучевой интерферометрии. Луч лазера расщепляется на два и направляется в два идентичных одномодовых оптических волокна, одно из которых является детектирующим, а другое - опорным. 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. Ниже кратко описаны некоторые из современных систем.

1.2.2 СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛАСТИЧНЫХ ОГРАД

Австралийская компания Future Fibre Technologies (FFT) использует две основных технологии детектирования с использованием волоконно-оптических датчиков.

Первая технология, получившая название M/V, позволяет обнаруживать движение и вибрации кабеля (Movement & Vibration - M/V). Сенсорный кабель (рис. 5) подключается к начальному и оконечному модулям. M/V-анализатор связан с начальным модулем через пассивный оптический кабель. Излучение от полупроводникового лазера подается в чувствительный элемент, и система регистрирует отраженный от концевого модуля сигнал.

Рис. 5 Структурная схема технологии M/V фирмы FFT для обнаружения движения и вибраций волоконно-оптического кабеля

При перемещениях или вибрациях многомодового оптического волокна изменяется распределение энергии между отдельными модами. Эти изменения регистрируются оптическим фотоприемником и обрабатываются анализатором. В системе M/V используется 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 герц. Система на базе многомодового волокна позволяет организовывать зоны охраны протяженностью до 6 км и используется главным образом на эластичных (деформируемых) оградах.

Вторая технология фирмы FFT построена на принципе обнаружения микронапряжений в оптическом волокне и получила сокращенное название MSL (от MicroStrain Locator - Локатор Микродеформаций). На рис. 6 показана структурная схема системы. 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 обоих лучей. По сути дела, эта система является интерферометром. Если оба плеча этого интерферометра находятся в невозмущенном состоянии, то интерференционная картинка на его выходе, т.е. на оконечном модуле, остается неизменной. При этом сигнал, передаваемый с оконечного модуля по выходному оптическому волокну на анализатор, не имеет переменной составляющей. При деформациях или вибрациях кабеля оптическая разность хода в чувствительных волокнах (т.е. 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.

Рис. 6 Структурная схема технологии MSL фирмы FFT для обнаружения микродеформаций волоконно-оптического кабеля

Особенность системы MSL состоит в том, что в качестве чувствительных элементов могут использоваться одномодовые жилы стандартного многожильного волоконно-оптического кабеля, предназначенного для передачи сигналов. На рис. 7 показана структура такого кабеля, где две одномодовых жилы являются плечами чувствительного интерферометра. Жилы должны быть расположены на диаметрально противоположных краях кабеля, чтобы чувствительность сенсора к изгибу была максимальной.

Рис. 7 Схема многожильного волоконно-оптического кабеля фирмы FFT

В качестве источников света в технологии MSL используются полупроводниковые лазеры с выходной мощностью 12…50 мВт, работающие на длине волны 1,31 или 1,55 мкм. Высокая мощность излучения и малые потери в сенсоре позволяют увеличить длину отдельной зоны до 60 км. Как заявляют разработчики, по чувствительности технология MSL примерно на три порядка превосходит технологию M/V. Система MSL регистрирует вибрации в диапазоне частот примерно от 300 Гц до 2 кГц, что соответствует характерным частотам, возникающим в типовых металлических оградах при попытках их преодоления.

Очевидно, что длина зоны в несколько десятков километров неудобна для практического применения. При отсутствии информации о конкретном месте вторжения сигнал тревоги будет почти бесполезен. Поэтому весьма интересно, что модифицированная технология MSL позволила реализовать функцию определения места вторжения с достаточно высокой точностью. Для этого используются три активных сенсорных волокна, конструктивно объединенных в многожильном оптическом кабеле. Два верхних волокна (рис. 8) используются для обнаружения вторжения интерферометрическим способом, а в третье волокно подается зондирующий сигнал, определяющий расстояние от начала кабеля до точки возникновения микродеформаций. Начальный и оконечный модули здесь используются для обработки сигналов от всех трех волокон. Данные о примененном методе локализации вторжения являются секретом фирмы, однако можно предположить, что здесь использована модифицированная технология оптической рефлектометрии во временном диапазоне (OTDR), применяемая для диагностики повреждений коммуникационных волоконно-оптических кабелей.

Рис. 8 Схема волоконно-оптической охранной системы фирмы FFT с функцией обнаружения места вторжения

Датчиком периметральной системы F-5000 Fibernet израильской фирмы TRANS Security Systems and Technology (TSS) является сеть, спаянная из одножильного многомодового оптического волокна, защищенного пластиковой оболочкой, упрочненной кевларом. Оболочка обеспечивает защиту волокна от УФ-излучения, влаги, соленой воды и т.п. Сеть состоит из ячеек со стороной 16 см; в каждом пересечении волокна спаяны ультразвуком и защищены пластиковой накладкой. По всей сети распространяется импульсное излучение светодиода, работающего в ближнем ИК-диапазоне (длина волны 0,85 или 1,3 мкм). Приемником излучения служит PIN-фотодиод. Подключение излучателя и приемника к сети осуществляется стандартными оптическими разъемами типа ST. Обработка сигналов осуществляется процессором серии F-5000, рассчитанными на 2 или 4 зоны длиной до 100 м каждая. Автономный процессор F-5000-1 имеет на выходе релейные контакты, а процессор F-5000-2 подключается к компьютерной системе управления ТЕЕ-400. Процессоры размещаются в герметизированных корпусах размерами 500х400х200 мм; они питаются от источника постоянного тока напряжением 48 В; диапазон рабочих температур системы - от -30? до +70? С.

В зависимости от выбора порога срабатывания, система F-5000 выдает сигнал тревоги при натяжении или при обрыве волокна в любой из ячеек сети. Волоконно-оптическая сеть 1 (рис. 9) устанавливается автономно или крепится рядом с уже существующей оградой 2. Она разделена на две части: нижняя часть высотой 2 - 3 м крепится к ограде, а верхняя часть сети выполняется в виде козырька, прикрепленного к эластичным фиберглассовым стойкам 3, устанавливаемым с наклоном через каждые 2 метра. Нижняя часть сети натягивается между горизонтальными металлическими трубками 4, укрепленными соответственно вдоль верхнего и нижнего краев основной ограды. Нижняя часть сигнального барьера образует отдельную зону охраны, которая настраивается на срабатывание только в случае разрыва ячеек сети, что позволяет исключить срабатывания от случайных факторов (животные, проходящие рядом люди, транспорт и т.п.) при использовании системы в густонаселенных регионах.

Верхняя часть сигнального барьера F-5000 образует отдельную зону охраны. Вдоль верхнего торца козырька смонтирован волоконно-оптический кабель 5 в прочной оплетке, позволяющей использовать этот кабель в качестве натяжного элемента. Кабель оптически соединен с чувствительной сетью с помощью преобразователей 6. Конструкция козырька является достаточно гибкой, и процессор данной зоны охраны настраивается на регистрацию перелезания через козырек. Отметим, что при разрыве отдельных ячеек не требуется менять всю сеть. Восстановление сенсора производится с помощью отрезков кабеля и специальных оптических перемычек.

Рис. 9 Сигнальный барьер охранной системы F-5000 фирмы TSS: 1 - сеть из волоконно-оптического кабеля; 2 - существующая ограда; 3 - фиберглассовые стойки; 4 - натяжные металлические трубки; 5 - волоконно-оптический кабель в упрочненной оплетке; 6 - оптические преобразователи

Американская компания Fiber SenSys Inc. выпускает несколько волоконно-оптических периметральных систем серии Fiber Defender (FD). Модель FD-205 предназначена как для охраны оград и стен, так и для подземной установки. Максимальная протяженность одной зоны охраны составляет 2000 м. Система использует цифровую обработку сигналов сенсоров; процессор системы автоматически регулирует параметры системы в зависимости от шумов, создаваемых ветром. Для регулировки процессора может быть использован подключаемый к нему анемометр, регистрирующий скорость ветра. Процессоры серии FD-205 монтируются на ограде; в единую систему с помощью одного коммуникационного волоконного кабеля можно включить до 127-ми процессоров.

Система FD-208 предназначена для объектов с неблагоприятными условиями для работы электронной аппаратуры (электромагнитные помехи, агрессивные среды и т.п.). Все процессоры устанавливаются в стойке на посту охраны, который может быть удален от периметра на расстояние до 10 км.

Канадская компания Senstar-Stellar выпускает волоконно-оптическую охранную систему IntelliFIBER, предназначенную для защиты сетчатых периметральных оград. Сенсорный кабель содержит две волоконно-оптических жилы в защитной оболочке; сенсор крепится непосредственно к ограде. Оптические жилы подключаются с помощью стандартных оптических разъемов типа ST к выходу полупроводникового лазера и входу фотоприемника на плате электронного блока (анализатора). Электронный блок регистрирует изменения оптических параметров кабеля, вызванные деформациями ограды при попытках вторжения. Интересно, что конструктивное решение новой системы базируется на использовании электронного блока Intelli-FLEX от широко известной охранной системы той же фирмы, использующей в качестве датчика вибрационно-чувствительный коаксиальный кабель. При использовании оптического кабеля электронный блок дополняют оптическим модулем, который содержит лазерный излучатель, фотоприемник и измеритель мощности принимаемого излучения со светодиодным индикатором. Сам оптический модуль потребляет мощность 1,2 Вт; при его установке сохраняются функции всех сигнальных кабелей, подключаемых к стандартному процессору серии Intelli-FLEX.

Процессор Intelli-FLEX настраивается на обнаружение двух основных типов вторжения - перелезание через ограду или разрушение ее. По каждому из каналов в процессоре задаются пороги чувствительности, минимальная продолжительность вторжения и временное окно счетчика событий. С помощью автономного программатора задаются параметры чувствительности процессора и режимы компенсации погодных условий. Максимальная протяженность одной зоны охраны с волоконно-оптическим сенсором составляет 2 км; диапазон рабочих температур системы - от -40? до +70? С. Как и все волоконно-оптические устройства, данная система характеризуется невосприимчивостью к электромагнитным и радиочастотным помехам. Для защиты электронного блока от грозовых разрядов применены газовые разрядники на всех релейных выходах, а также на клеммах кабелей питания и сигнализации.

1.2.3 СИСТЕМЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЖЁСТКИХ ОГРАД И СТЕН

Чувствительность волоконно-оптического сенсора обычно недостаточна для непосредственной регистрации вибраций жестких металлических оград, поэтому изготовители охранных систем разрабатывают специальные барьеры с интегрированными в них волоконно-оптическими сенсорами.

Для защиты жестких металлических оград израильская фирма Magal разработала систему INNO-FENCE. Отличительная особенность системы состоит в том, что волоконный датчик встроен в верхний горизонтальный канал панели ограды, через которую проходят вертикальные стойки ограды. Датчик полностью скрыт крышкой; он реагирует на деформации горизонтального канала ограды, возникающие при попытке ее преодоления. Многомодовый волоконный кабель имеет сердечник со структурой 100/140 мкм, удельное поглощение - 7 дБ/км. В системе использован полупроводниковый лазер с длиной волны 850 нм и эффективной полосой частот не менее 200 МГц. Электронный блок приемника/передатчика анализирует сигналы кабеля и выдает сигнал тревоги при превышении определенного порога механического воздействия на ограду. По заявлениям разработчиков, система отличается низким уровнем ложных тревог и практически не нуждается в техническом обслуживании. Однако недостатком системы является ее относительно низкая чувствительность. Для срабатывания системы требуется приложить к ограде усилие более 40 кг или деформировать прутья ограды, создав между ними зазор не менее 220 мм. Поэтому система будет регистрировать только “силовые” вторжения, сопровождаемые значительными механическими воздействиями. Двухзонный электронный блок системы INNO-FENCE - FOST (Fiber Optic Sensor Transponder - Транслятор Волоконно-Оптического Сенсора) - питается от источника напряжением 12 В, потребляя в дежурном режиме ток всего 4 мА. Он имеет релейные выходы и интерфейс RS-422 для передачи данных. Диапазон рабочих температур системы - от -20? до +71? С.

Австралийская компания FFT разработала серию специальных барьеров типа Secure Fence Palisade с интегрированными в них сенсорами. Оптический сенсорный кабель скрыт в верхнем коробчатом канале, через который проходят вертикальные стойки ограждения. Эти стойки имеют определенную степень свободы и могут слегка перемещаться, поворачиваться или вибрировать при механическом воздействии, генерируя сигнал в прикрепленном к стойкам сенсорном кабеле. Система обнаруживает различные виды вторжения - перелезание, перепиливание или раздвижение стоек.

По такому же принципу построен полужесткий сигнальный барьер Secure Fence Palisade, который устанавливается по верху стен или оград. Металлические элементы такого сигнального барьера механически скреплены с проложенным вдоль торца стены волоконным сенсором. Когда нарушитель опирается на барьер, последний деформируется и система генерирует сигнал тревоги.

1.2.4 ПОДЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ КАБЕЛЯМИ

Cистема SabreLine фирмы Remsdaq (рис. 10) предназначена для защиты подходов к объектам или для запретных зон. Оптический кабель располагается вдоль границы охраняемого периметра и маскируется защитным покрытием. Кабель помещают между двумя эластичными матами и укладывают в виде параллельных петель с шагом 20 см под поверхностью земли на глубине 5 см. Сенсор обнаруживает изменения давления, вызываемые идущим или ползущим человеком. Кабель имеет сердечник диаметром 100/140 мкм; внешний диаметр кабеля - 2,4 мм. Излучатель и анализатор по своим характеристикам аналогичны системе SabreFonic. Электронный блок устанавливают под землей в специальном колодце, закрытом металлической крышкой. Подземный сигнальный кабель соединяет анализатор с контрольной панелью. Фирма Remsdaq утверждает, что при правильной подготовке периметральной траншеи подземная охранная система эффективно работает в пустынях, на травяных и гравийных грунтах, а также под асфальтовыми дорогами.

Рис. 10 Структурная схема подземной волоконно-оптической системы SabreLine фирмы Remsdaq

Система F-7000-FOBS компании TSS также предназначена для подземной установки и регистрирует давление почвы, создаваемое нарушителем (Рис. 11). Для этого оптический кабель помещают на глубине 5 - 10 см под поверхностью грунта, изгибая его в виде петли, перекрывающей полосу шириной 1 - 2 метра. Для обеспечения высокой и однородной чувствительности кабель укладывают на легкую металлическую решетку и сверху накрывают такой же решеткой. Такая система может применяться практически во всех типах грунта - песок, гравий, глинистые почвы и т.п.

Рис. 11 Волоконно-оптическая система F-7000-FOBS для подземного применения

В качестве датчика во всех вариантах системы F-7000 используется многомодовый волоконно-оптический кабель в прочной защитной оболочке. Источник излучения - полупроводниковый лазер с длиной волны 1,3 мкм. Максимальная длина кабеля - 5000 м; для стыковки с процессором используются стандартные разъемы типов FC или ST. Процессоры серии F-7500 выполняются в двух- или четырехзонных вариантах. Они помещены в пластиковые герметизированные корпуса размером 300х400х200 мм; для питания используется источник напряжением 12 В/0,5 А с резервной батареей.

В подземной системе компании FFT, получившей название Secure Fence BGS (от Below Ground System - Подземная система), два отдельных сенсорных кабеля прокладываются вдоль периметра. Обычно эта система применяется как второй рубеж охраны, параллельный основной ограде. Кабели укладываются в траншею на глубине 50…75 мм и прикрепляются к пластиковой сетке (Рис. 12), которая повышает чувствительность системы и вероятность регистрации идущего по земле человека. Корреляционная обработка сигналов от обоих волоконно-оптических кабелей позволяет отфильтровать сигналы помех (шум дождя, транспорта и т.п.) и выделить на их фоне сигналы реального вторжения. Система позволяет обнаруживать идущего или бегущего нарушителя, а также регистрировать попытки подкопа под линией периметра. При использовании технологии MSL точность локализации вторжения системы Secure Fence BGS составляет +/- 50 м при максимальной длине одной зоны до 60 км.

Рис. 12 Расположение сенсорных кабелей подземной системы Secure Fence BGS



1.2.5 МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ НА ОСНОВЕ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК

Отражательные брэгговские решетки в сердцевине одномодового оптического волокна могут быть созданы ультрафиолетовым излучением эксимерного лазера путем облучения через соответствующую маску либо топографическим способом (воздействием двух интерферирующих лучей). Отрезок оптического волокна между двумя решетками представляет собой интерферометр Фабри-Перо, отражение (и пропускание) которого зависит от оптической разности фаз отраженного от первой и второй решетки оптического сигнала. Под воздействием деформации и акустических колебаний меняется разность фаз, а следовательно, и отражение. Интерферометрические датчики обладают наибольшей чувствительностью к изменению длины отрезка волокна под воздействием внешних факторов. Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны приведена на рисунке 13.

Рис. 13 Схема волоконно-оптического распределенного датчика с решетками на одну длину волны и временным демультиплексированием

В качестве источника излучения используется одночастный одномодовый полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. Импульсы от каждой системы решеток приходят с различной временной задержкой. Для разделения сигналов от каждого участка используется временное мультиплексирование. Для демодуляции сигнала используется синхронное детектирование, для этого в схему введен фазовый модулятор. Оптическая линия задержки формирует серию импульсов, сдвинутых по времени, каждый из которых интерферирует с импульсом, отраженным от соответствующего участка волокна.



1.2.6 ТЕХНОЛОГИЯ «ВОРОН»

Физический принцип работы сенсорных оптических кабелей (кабелей-датчиков) в технологии "ворон™" основан на использовании фотоупругого эффекта в оптических волокнах, при любом деформирующем механическом воздействии на оптический кабель-датчик, содержащий оптическое волокно, происходит изменение фазовых или фазово-поляризационных характеристик проходящего по оптическому волокну излучения. Эти изменения с помощью пассивных микрооптических интерференционных преобразователей трансформируются в амплитудную модуляцию а затем регистрируются оптоэлектронной аппаратурой, анализируются и распознаются с помощью математических методов искусственного интеллекта, формируя сообщения о наличии угрозы на определенном участке периметра или границы.

Рис. 14 Физический принцип работы сенсорных оптических кабелей в технологии "ворон™"

В технологии «ВОРОН™» кабель-датчик размещается на заграждениях деформационного типа на основе сварной сетки, прутковых или трубных конструкций, АСКЛ и др. Разрушение заграждения и снятие кабеля-датчика обнаруживается на любых типах заграждений, при проломе стен, потолков, полов и перегородок.

Рис. 15 Скрытое,подземное заложение кабеля

Линейные части на основе волоконно-оптических распределенных датчиков скрытого подземного заложения (сейсмо-деформационно-акустические или СДА-датчики) позволяют организовывать контрольные полосы на поверхности грунта, фиксирующие попытки несанкционированного перемещения людей, животных, механических и транспортных средств.

Рис. 16 Зависимость протяженности системы от стоимости

1.3 ПРИИМУЩЕСТВА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ

Волоконно-оптические распределенные сенсоры находят широкое применение для охраны периметров и могут использоваться для организации сигнальных рубежей различных типов.

К несомненным достоинствам волоконно-оптических систем следует отнести их невосприимчивость к электромагнитным излучениям и электробезопасность.

В большинстве систем используются промышленно выпускаемые волоконно-оптические кабели; хотя для некоторых тяжелых оград чувствительность таких сенсоров оказывается недостаточной.

Волоконные датчики, построенные из диэлектрических элементов, можно применять не только на оградах или стенах, но также и на взрывоопасных объектах или под водой.

Максимальная длина одной зоны охраны может достигать десятков километров. Привлекательной особенностью систем является отсутствие на периметре активного электронного оборудования; это позволяет снизить расходы на монтаж и обслуживание охранной системы.

К ограничениям применения оптоволоконных систем можно отнести сложность процедуры сращивания и ремонта кабелей в полевых условиях, для которых требуется применение микроскопа и дорогостоящего устройства для сварки волокон.

1.4 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Основы анализа сигналов.

Анализ - один из ключевых компонентов обработки сигналов. Основной целью анализа является сравнение сигналов друг с другом для выявления их сходства и различия. Можно выделить три основных составляющих анализа сигналов:

· Измерение числовых параметров сигналов. К таким параметрам прежде всего относятся энергия средняя мощность и среднеквадратическое значение.

· Разложение сигнала на элементарные составляющие для их рассмотрения по отдельности либо для сравнения свойств различных сигналов. Такое разложение производится с использованием рядов и интегральных преобразований, важнейшими среди которых являются ряд Фурье и преобразование Фурье.

· Количественное измерение степени «похожести» различных сигналов. Такое измерение производится с применением аппарата корреляционного анализа.

1.4.1 КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Для представления и анализа сигналов разных классов зачастую приходится использовать разные средства и подходы, и нам необходимо сигналы классифицировать.

В зависимости от того, известен ли нам сигнал точно, различают детерминированные и случайные сигналы. Детерминированный сигнал полностью известен - его значение в любой момент времени можно определить точно. Случайный же сигнал в любой момент времени представляет собой случайную величину, которая принимает конкретные значения с некоторой вероятностью.

Еще один признак классификаций классификации сигналов, существенно влияющий на методы их анализа, - периодичность. Для периодического сигнала с периодом Т выполняется соотношение

s(t+nT)=s(t)

при любом t, где n - произвольное целое число. Если величина Т является периодом сигнала s(t), то периодами для него будут ей кратные значения: 2Т, 3Т и т.д. Как правило, говоря о периоде сигнала имеют в виду минимальный из возможных периодов.

Величина, обратная периоду, называется частотой повторения сигнала: f=1/Т. В теорий сигналов также используют понятие круговой частоты щ=2рf, измеряемой в радианах в секунду.

Следующий класс- сигналы конечной длительности (финитные сигналы). Такие сигналы отличны от нуля только на ограниченном промежутке времени. Иногда говорят, что сигнал существует на конечном временном интервале.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы.

Исходный физический сигнал является непрерывной функцией времени. Такие сигналы, определенные во времени, называются аналоговыми. Последовательность чисел, представляющая сигнал при цифровой обработке, является дискретным рядом (discrete series) и не может полностью соответствовать аналоговому сигналу. Числа, составляющие последовательность, являются значениями сигнала в отдельные (дискретные) моменты времени и называют отсчетами сигнала(samples). Как правило, отсчеты берутся через равные интервалы времени T, называемые периодом дискретизации. Величина обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации (sampling frequency): . Соответствующая круговая ей частота определяется следующим образом: .

Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией (sampling), результат такого преобразования - дискретным сигналом.

Процесс преобразования отсчетов сигнала в числа называется квантованием по уровню (quantization), а возникающие при этом ошибки округления - ошибками (или шумами) квантования(quantization error or noise)

Сигнал, дискретный во времени, но не квантованный по уровню, называется дискретным (discrete-time) сигналом. Сигнал, дискретный во времени и квантованный по уровню, называют цифровым (digital) сигналом.

1.4.2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ

Преобразование Фурье является инструментом спектрального анализа непериодических сигналов.

Если сигнал имеет аналоговый вид - представляет собой непрерывную функцию, определенную на бесконечном промежутке времени, то преобразование Фурье производится по известным формулам.

- Прямое преобразование Фурье (ППФ)

- Обратное преобразование Фурье (ОПФ)

Для дискретного сигнала представляющего собой решетчатую функцию и, как правило, определенного на конечном промежутке времени (времени измерения) преобразование Фурье принимает вид так называемого дискретного преобразования Фурье (ДПФ):

, где k=0,…,N-1 - прямое преобразование

, где n=0,…,N-1 - обратное преобразование

N -- количество значений сигнала, измеренных за период, а также количество компонент разложения;

-- измеренные значения сигнала (в дискретных временных точках с номерами , которые являются входными данными для прямого преобразования и выходными для обратного;

, где k=0,…,N-1 -- значение N комплексных амплитуд синусоидальных сигналов, слагающих исходный сигнал; являются выходными данными для прямого преобразования и входными для обратного; поскольку амплитуды комплексные, то по ним можно вычислить одновременно и амплитуду и фазу.

Прямое преобразование Фурье переводит описание сигнала (функции времени) из временной области в частотную, а обратное преобразование Фурье переводит описание сигнала из частотной области во временную. На этом основаны многочисленные методы фильтрации сигналов.

В описанных ниже функциях реализован особый метод быстрого преобразования Фурье - Fast Fourier Transform (FFT, или БПФ), позволяющий резко уменьшить число арифметических операций в ходе приведенных выше преобразований. Он особенно эффективен, если число обрабатываемых элементов (отсчетов) составляет , где m - целое положительное число.

Для одномерного преобразования используется следующая функция:

· fft(X) возвращает для вектора Х дискретное преобразование Фурье, по возможности используя алгоритм быстрого преобразования Фурье. Если Х- матрица, функция fft возвращает преобразование Фурье для каждого столбца матрицы;

· fft(X,n) возвращает n-точечное преобразование Фурье. Если длина вектора X меньше n, то недостающие элементы заполняются нулями. Если длина X больше n, то лишние элементы удаляются. Когда X - матрица, длина столбцов корректируется аналогично.

1.4.3 ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ

Цифровой фильтр в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Виды цифровых фильтров

...