Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИПЛОМНАЯ РАБОТА, РАЗНОЕ

Охрана периметра с применением оптических систем.

irina_k20 2375 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 95 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 20.06.2020
Пояснительная записка 113 с., ил. 33, табл. 3, список использованных источников 27 наим. Проведен обзор и анализ охраны периметра с использованием оптических систем, обоснованы технические требования к разрабатываемой системе, разработана структурная схема проектируемой охраны периметра с использованием оптических систем и функциональная схема оптической части приемника системы. Проведены расчеты: нагрузки фотодетектора; принципиальной схемы приемного оптического модуля; мощности гетеродина гомодинного приёмника оптического приёмного модуля охраны периметра с использованием оптических систем; чувствительности оптического гомодинного приемника. В первом разделе проведен обзор и сравнительный анализ систем охраны периметра с применением оптических систем. Описаны технологии применяемые при построении охраны периметра с примением опических систем, методы регистрации нарушений и применение квазираспределительных датчиков. Во втором разделе проведено обоснование оборудования и эксплуатационно-технических требований для разрабатываемой охраны периметра. В третьем раздел произведен расчёт параметров охраны периметра с использованием оптических систем. В четвертом разделе охрана труда рассмотрены вопросы обеспечения безопасности труда при обслуживании и эксплуатации систем безопасности на основе оптических датчиков. Ключевые слова: охранная сигнализация, оптическое волокно, поляризация, когерентный рефлектометр, распределенные оптические датчики, интерференционный метод, френелевское отражение, распределенный рефлектометрический сенсор.
Введение

Охрана периметра с использованием оптических систем – комплекс технических средств, который является неотъемлемой частью любого объекта, где требуется в самые кратчайшие сроки выявлять несанкционированное проникновение для его предотвращения. Объектом изучения в рамках выпускной квалификационной работы являются оптические системы охранной сигнализации, которые представляют собой новое поколение средств охраны объектов различного назначения, и используются при развертывании распределенного охраняемого объекта. Датчики, применяемые в этих системах, позволяют определить не только факт нарушения границы объекта, но и его место. Современные оптические датчики позволяют измерять почти все. Например: давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения. Оптическое волокно используется как линия связи, а также является чувствительным элементом. В последнем случае используется чувствительность волокна к электрическому полю (эффекту Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациях (изгибу). Предмет исследования состоит в разработке системы охраны периметра с использованием оптических систем. В общем случае системы из многих датчиков могут быть построены различными способами. Первый способ заключается в том, что множество дискретных датчиков, разработанных для работы в качестве точечных датчиков, объединяются в сеть или массив. Выходы отдельных датчиков мультиплексируются в волоконной системе телеметрии при помощи методов, широко используемых в высокочастотных и микроволновых системах, таких как частотное уплотнение (FDM – Frequency Division Multiplexing) или временное уплотнение (TDM – Time-Division Multiplexing), или при помощи более специализированных схем, разработанных для уплотнения в оптических коммуникационных системах, например уплотнения с разделением по длине волны (WDM) [13]. В качестве другого варианта датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента, по самой своей сути имеющие распределенную структуру, могут использоваться для построения уникальных видов более сложных датчиков, в общем случае не имеющих аналогов среди построенных на основе традиционных технологий. В датчиках с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента осуществляется модуляция, вызванная полем измеряемой величины, в то время как излучение остается заключенным в волоконный волновод. Этим они отличаются от датчиков с чувствительным внешним элементом, в которых, как правило, излучение выходит из волокна в область измерения, проходит через некоторый внешний чувствительный элемент и затем вновь запускается в волокно, которое приводит оптический сигнал к приемнику. В таких датчиках с чувствительным внешним элементом волокно служит просто «световодом», доставляющим оптическую информацию к чувствительному элементу и от него. Примером датчика, в котором оптическое волокно выступает в качестве чувствительного элемента, может служить датчик микроизгибов. В нем происходит модуляция потерь, связанных с передачей во фрагменте волокна, при изменениях давления, приложенного в области механизма микроизгибов [2]. В этих примерах присущая датчикам «распределенность» используется еще не в полной мере. Однако если заимствовать радиолокационные методы обработки сигнала, пространственно разнесенные фрагменты измеряющего волокна могут опрашиваться по отдельности, что позволит датчику обеспечить обработку как пространственных, так и временных изменений распределения измеряемой величины [1]. Использование распределенных датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента особенно привлекательно в тех приложениях, где требуется отслеживание единственной измеряемой величины в большом количестве точек или непрерывно по всей длине волокна. Примерами таких областей применения могут быть (1) мониторинг напряжений в больших структурах, таких как здания, мосты, плотины, резервуары-хранилища, а также морские судна, нефтепромысловые платформы, самолеты, космические корабли; (2) наблюдение за профилем температуры в электрических силовых трансформаторах, генераторах, реакторных системах, печах, системах управления технологическими процессами и просто в системах для обнаружения пожара; (3) определение утечки в трубопроводах, диагностика неисправностей и обнаружение аномалий магнитного/электрического поля в энергораспределительных системах и системах охранной сигнализации; (4) встроенные датчики в композитных материалах, используемые в реальном времени для оценки напряжения, вибрации и температуры в структурах и корпусах, особенно в аэрокосмической промышленности [1]. В данной выпускной квалификационной работе используются методы волоконно-оптической рефлектометрии, основанные на регистрации и анализе сигналов обратного релеевского рассеяния, возникающих при распространении излучения по волокну, находят в настоящее время широкое применение по диагностике волоконно-оптических линий связи, контроле параметров оптических волокон и кабелей, в научных исследованиях. На их основе разработаны и серийно выпускаются приборы – рефлектометры, позволяющие измерять распределение потерь в волоконно-оптических линиях длиной в сотни километров с сантиметровым разрешением и обеспечивающие точность измерений потерь в сотые доли децибел. Дальнейшее развитие методов привело к идее создания и успешной разработке распределенныхоптических датчиков, в которых световод используется в качестве элемента чувствительного к воздействию различных физических величин и полей. Регистрируемой величиной в таких системах является изменение свойств рассеянного излучения (амплитуды, фазы, спектра, поляризации ), происходящие под воздействием этих величин и полей [7]. Основными преимуществами охраны периметра с использованием оптических систем: – полное отсутствие кабельных линий питания; – надежная зашита от электромагнитных помех; – гибкость системы в плане адаптации к нестандартным требованиям; – высокая надежность системы и большая наработка на отказ; – защита от подкопа, перелаза и разрушения конструкций; – ремонтопригодность и универсальность используемых компонентов системы; – надежность и эффективность охранной системы; – широкий диапазон температуры окружающей среды; – невысокая стоимость; – соответствие требованиям международного стандарта ISO 9001-2008. Актуальность темы заключается в том, что существует острая потребность в разработке такого средства охраны, которое могло бы функционировать в неблагоприятной среде, не распознаваться различными средствами разведки, а место установки и принцип работы должен быть не понятен спецконтенгенту, находящемуся на охраняемом объекте. На сегодняшний день единственно возможным вариантом реализации такого средства охраны являются средства, основанные на оптических эффектах в закрытом пространстве, оптическом волокне. Цель данного дипломного проекта разработка системы охранной сигнализации на основе оптических датчиков с применением волокна и когерентных рефлектометров. Задачи данной выпускной квалификационной работы: 1. Анализ существующих разработок в направлении исследования. 2. Обоснование технических требований к разрабатываемой системе. 3. Разработка структурной схемы охраны периметра с использованием оптических систем. 4. Рассмотрение вопросов по охране труда и технике безопасности при ремонте и монтаже систем охраны.
Содержание

Введение 7 1 Обзор и сравнительный анализ систем охраны периметра с применением оптических систем 12 1.1 Технологии, применяемые при построении охраны периметра с применением оптических систем 12 1.2 Методы регистрации нарушения прохождения сигналов в распределённых оптических датчиках 22 1.3 Применение квазираспределенных датчиков 36 2 Обоснование оборудования для разрабатываемой системы охраны периметра с использованием оптических систем 40 2.1 Обоснование эксплуатационно-технических требований к разрабатываемой системе 40 2.2 Разработка структурной схемы проектируемой охраны периметра с использованием оптических систем 46 2.3 Разработка функциональной схемы оптической части приёмника охраны периметра с использованием оптических систем 59 3 Расчёт основных параметров охраны периметра с использованием оптических систем 65 3.1 Расчёт нагрузки фотодетектора 65 3.2 Расчет принципиальной схемы приемного оптического модуля 68 3.3 Расчёт необходимой мощности гетеродина гомодинного приёмника оптического приёмного модуля охраны периметра с использование оптических систем 77 3.4 Расчёт чувствительности оптического гомодинного приемника 80 4 Раздел по охране труда. Техника безопасности при ремонте и монтаже систем охраны 84 4.1 Техника безопасности при работе с паяльным оборудованием 84 4.2 Электробезопасность 85 4.2.1 Негативное воздействие электрического тока 85 4.2.2 Защита от поражения электрическим током 86 4.3 Охранная безопасность 87 Заключение 89 Список использованной литературы 91
Список литературы

1. Удд, Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Э. Удд. – М. : Техносфера, 2008. – 520 с. 2. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси. [и др.]. – Л. : Энергоатомиздат, 1990. – 256 с. 3. Магауенов, Р. Г. Системы охранной сигнализации : основы теории и принципы построения / Р. Г. Магауенов. – М. : Горячая линия – Телеком, 2004. – 272 с. 4. Лаврус В. Охранные системы / В. Лаврус. – М. : Информационное Издание, 2010. – 268 с. 5. Синило, В. Г. Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной. сигнализации: учебник для нач. проф. образования / В. Г. Синилов. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 512 с. 6. Тсанга, У. Техника оптической связи. Фотоприемники / У. Тсанга. – М. : Мир, 1998. – 526 с. 7. Кульчин, Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы / Ю.Н. Кульчин. – М. : Физматлит, 2001 – 272 с. 8. Алишев, Я.В. Эффективность адаптивной компенсации переходных помех в ВОСП с поляризационным разделением каналов / Я.В. Алишев [и др.]. – М. : Радиотехника и электроника, 1991. – C.20-23 9. Окамато, К. Основы оптоэлектроники / К. Окамато [и др.]. – М. : Мир, 1998. – 288 с. 10. Макаров, Т. В. Когерентные волоконно-оптические системы передачи / Т. В. Макаров. – Одесса : ОНАС, 2009. – 220 с. 11. Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. – М. : Техносфера, 2004. – 496 с. 12. Моргана, Д. В. Хауэс, М. Волоконно-оптическая связь: Приборы, схемы и системы / М. Хауэса, Д. В. Моргана. – М. : Радиосвязь,2004. – 272 с. 13. Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. – Мн. : Радио и связь, 2000г. – 468с. 14. Унгер, Г. Г. Оптическая связь / Г. Г. Унгер, Н. А. Семенова. – М. : Связь, 1999г. – 264 с. 15. Рекомендация G. 692 МСЭ-Т. Оптические интерфейсы многоканальных систем с оптическими усилителями. – Введ. 2006-03-01 – Международный союз электросвязи, 2006. 16. Рекомендация G. 652 МСЭ-Т Характеристики одномодовых волоконно-оптических кабелей. – Введ. 2005-06-01 – Международный союз электросвязи, 2005. 17. Урядов, В. Н. Оптические системы передачи / В. Н. Урядов, Я. В. Алишев – Мн. : БГУИР, 1998. – 64 с. 18. Синкевич, В. И. Проектирование оптических систем передачи / В. И. Синкевич, Я. В. Алишев, В. Н. Урядов. – Мн. : БГУИР,1991. – 74 с. 19. Алишев, Я. В. Потенциальные возможности дуплексных волоконно-оптических систем / Я. В. Алишев [и др.]. – М. : Радиотехника, 1990. – №6. – C.80-83. 20. Скляров, O. K. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы / O. K. Скляров. – М. : Солон-Р, 2008г. – 236 с. 21. Бутусов, М. М. Волоконно-оптические системы передачи: учебник для вузов / М. М. Бутусов [и др.]. – М. : Радио и связь, 2002. – 416 с. 22. Урядов, В. Н. Оптические системы передачи / Я. В. Алишев, В. Н. Урядов. – Мн.: БГУИР, 1996. – 142 с. 23. Величко, М. А. Новые форматы модуляции в оптических системах связи / М.А. Величко, О. Е. Наний, А. А. Сусьян. // Light Wavе. – 2014. – №24. – C. 21-30. 24. Введенский, Б. Ф. Подземные датчики для охраны периметров. / Б. Ф. Введенский // Алгоритм Безопасности. – 2012. – №1. – C. 7– 14. 25. Иванов, А. Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения / А. Б. Иванов – М. : Эко-Трендз, 2007. – 153 с. 26. Михнюк, Т.Ф. Охрана труда: учебное пособие / Т.Ф. Михнюк. – Мн.: ИВЦ Минфина, 2007. – 324 c. 27. Общие требования к текстовым документам. ГОСТ 2.105–95 ЕСКД. – Введ. 1996-07-01 – М. : Изд-во стандартов,1996.
Отрывок из работы

1 Обзор и сравнительный анализ систем охраны периметра с применением оптических систем 1.1 Технологии, применяемые при построении охраны периметра с применением оптических систем В большей мере профессиональные решения в построении периметральных систем востребованы для охраны объектов государственного и стратегического значения: пункты пропуска на границе, крупные режимные предприятия и объекты, тюрьмы, колонии, военные склады, подстанции, объекты нефтеперерабатывающей промышленности (нефтебазы, нефтехранилища) [3]. Продиктованопэтопобъективными причинами: потенциальные угрозы, требования дляпобеспечения безопасностипобъектов государственного значения. Для построения защиты периметра на таких объектах в основном используютсяптрибоэлектрические, радиоволновые и проводные извещатели, а так же пассивные и активные инфракрасные извещатели. Сегодня технологии построения периметральных систем позволяют использовать оптоволоконо, в том числе промышленно выпускаемые волоконно-оптические кабели. Оптическоепволокно – основа любогопволоконно-оптического кабеля. Состоит оно из внутреннего слоя с высоким показателем преломления (сердечника), наружного слоя с низким показателем преломления и защитной оболочки. Свет распространяется вопвнутреннем слое, претерпевая полное внутреннее отражение на границе слоев. В одномодовыхпволокнах с тонким (7…9 мкм) сердечником реализуется режим распространения одной моды (одного типа световой волны) [16]. Многомодовыепволокна с сердечником большего размера (50 и 62,5 мкм) дают возможность использовать многиептипы световых волн, поскольку возможныпразличные оптические пути . Волоконно-оптические системыппригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределенных измерительных датчиков [7]. Физические величины измерения, например, температура или давление а также сила растяжения могутпвоздействовать на оптоволокно и менять свойства световодовпв определенном месте. Вследствиепгашения света в кварцевых стеклянных волокнах, за счет рассеивания может быть точно определено место внешнего физического воздействия, благодаря чему, возможно применение световодапв качестве линейного датчика. Первая технология основана на методе регистрации межмодовой интерференции. Полупроводниковый лазер генерируетпнесколько десятков близкихппо частоте модпс определенным распределением энергии по спектру излучения. При перемещенияхпили вибрацияхпмногомодового оптического волокна изменяется распределение энергии между отдельными модами. Эти изменения регистрируютсяпоптическим фотоприемником и обрабатываются анализатором. Сенсорныйпкабель (рисунок 1) подключается к начальному и оконечному модулям. Анализаторпсвязан с начальнымпмодулем через пассивныйпоптический кабель. Излучениепот полупроводникового лазера подается в чувствительный элемент и система регистрирует отраженный от концевого модуля сигнал [2]. Рисунок 1 – Структура системы основанной на регистрации межмодовой интерференции Системапна базепмногомодового волокнаппозволяет организовывать зоны охраны протяженностью до 6 км и используется главным образом на эластичных (деформируемых) поградах. Втораяптехнология использует принцип двухлучевой интерферометрии и построена наппринципе обнаруженияпмикронапряжений в оптическом волокне [2]. Лучплазера расщепляется на два и направляется в два идентичных одномодовых оптическихпволокна, одно из которых является детектирующим, а другое – опорным. На приемном конце оба луча образуют интерференционную картину. Механическиепвоздействия на чувствительныйпкабель приводят к изменениям интерференционной картины, которые и регистрируютсяпфотоприемником. Наприсунке 2 показана структурапсистемы. В состав протяженного датчика входятптри отдельных волокна многожильного оптического кабеля. Два верхних волокна впкабеле выполняютпфункцию чувствительных элементов: в этипоптические волокна подаетсяпизлучение от полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме. Третье (выходное) волокно служитпдля передачи сигналов на анализатор системы. Источник излучения расположен в блокепанализатора, от негопизлучение лазера по входному пассивному кабелю подается на начальный модуль. Рисунок 2 – Структура системы основанной на методе двухлучевой интерферометрии Особенностьпсистемы состоит вптом, что в качествепчувствительных элементов могутписпользоваться одномодовыепжилы стандартного многожильногопволоконно-оптического кабеля, предназначенного для передачи сигналов. На рисунке 3 показана структураптакого кабеля, где две одномодовыхпжилы являются плечамипчувствительного интерферометра. Жилы должны быть расположены на диаметрально противоположных краях кабеля, чтобы чувствительность сенсора к изгибу была максимальной. Рисунок 3 – Устройство многожильного волоконно-оптического кабеля Использованиеподномодового кабеля и высокаяпмощность излучения позволяют увеличить длину отдельной зоны до 60 км. По чувствительности данная технологияппримерно на три порядкаппревосходит метод регистрации межмодовойпинтерференции. Очевидно, чтопдлина зоны в несколькопдесятков километров неудобна для практического применения. Припотсутствии информации о конкретном месте вторженияпсигнал тревоги будет почти бесполезен. Эту проблему помогла решить модифицированная технология оптическойпрефлектометрии во временном диапазоне (OTDR), применяемая для диагностики повреждений коммуникационных волоконно-оптических кабелей. Принцип работы такой системыпоснован на анализе отражённых оптическихпимпульсов, излучаемых рефлектометром в оптическое волокно. Измерения с помощью оптическогопрефлектометра основано на явлении обратного рассеяния света в волокне и на отражении света от скачков показателя преломления. Импульсы света, распространяясь по линии, испытывают отражения и затухания на неоднородностях линии и вследствие поглощения в среде [7]. В такойпсистеме достаточно одногопактивного сенсорного волокна, но для повышения вероятности обнаружения могут использоватьсяптри волокна, конструктивнопобъединенных в многожильномпоптическом кабеле. Два верхнихпволокна (рисунок 4) используютсяпдля обнаружения вторжения интерферометрическимпспособом, а в третье волокно подается зондирующий сигнал, определяющий расстояние от начала кабеля до точки возникновения микродеформаций. Начальныйпи оконечный модули здесь используются для обработки сигналов от всех трех волокон. Рисунок 4 – Структура волоконно-оптической охранной системы фирмы FFT с функцией обнаружения места вторжения Ещёподна технологияппостроения периметральных систем основана на методе регистрациипспекл-структуры [9]. Напвыходе многомодового оптоволокнапнаблюдается «спекл-структура», представляющая собой нерегулярную системупсветлых иптемных пятен. При деформациях или вибрациях волокна спекл-структура излучения претерпевает изменения. Для детектирования деформацийпкабеля здесьпприменяют пространственно-чувствительныепфотоприемники. Датчикомптаких периметральных систем является сеть, спаянная из одножильного многомодовогопоптического волокна, защищенного пластиковойпоболочкой. В зависимостипот выбора порогапсрабатывания, система выдает сигнал тревоги при натяжении или при обрыве волокна в любой из ячеек сети. Волоконно-оптическая сеть 1 (рисунок 5) разделена на две части: пнижняя часть высотой 2…3 м крепится к ограде 2, а верхняя часть сети выполняется в видепкозырька, прикрепленного к эластичным стойкам 3. Нижняяпчасть сигнального барьера образует отдельную зону охраны, которая настраивается напсрабатывание только в случае разрыва ячеек сети, что позволяет исключить срабатыванияпотпслучайных факторов (животные, проходящие рядом люди, транспорт) при использовании системы в густонаселенныхпрегионах. Верхняя часть сигнального барьера образует отдельную зону охраны. Вдольпверхнего торцапкозырька в качестве натяжного элементапсмонтирован волоконно-оптический кабель 5. Кабель оптически соединен с чувствительной сетью с помощьюппреобразователей 6. Важно, что при разрыве отдельных ячеек не требуется менять всю сеть. Восстановление сенсораппроизводитсяпс помощьюпотрезков кабеля и специальныхпоптическихпперемычек. Рисунок 5 – Сигнальный барьер охранной системы фирмы TSS: 1 – сеть из волоконно-оптического кабеля; 2 – существующая ограда; 3 –эластичные стойки; 4 – натяжные металлические трубки; 5 – волоконно-оптический кабель в упрочненной оплетке; 6 – оптические преобразователи. Эта системапможет также встраиватьсяпв стенып (защита зданий и помещений) или монтироваться под землей (противоподкопные барьеры). Израильскаяпфирма Magal выпустила волоконно-оптический сигнальный барьер FiberMESH, пустанавливаемый на сетчатых оградах. Волоконно-оптический датчик покрыт защитной оболочкой из полиэстера; внешний диаметр кабеля равен 3,5 мм. пВ качестве источника излучения используетсяпимпульсный полупроводниковый инфракрасный лазер. Двумернаяпсенсорная сеткапимеет ячейки размером 15х15 см; в каждом узле сетки производитсяпсварка волоконныхпкабелей. Нижняя кромка сетки прикреплена к горизонтальной трубе, препятствующейппопыткам приподнять сетку. Верхняя часть сетки, высотой около 1 м, выполнена в виде козырька над основной оградой. Верхним элементом сигнального козырька являетсяппроводно-натяжной датчик, к которому прикреплена чувствительная волоконно-оптическая сетка. пПри попыткепразрезать или деформироватьпсетку сигналптревоги даетпволоконно-оптический датчик. При попытке перелезтьпчерезпограждение активируется проводно-натяжной (электромеханический) пдатчик, имеющий регулируемый порог срабатывания (натяжение от 15 до 40 кг). Дляпзащиты жестких стенпи барьеров фирма Remsdaq выпускает системупOptimesh, где волоконно-оптические кабели образуют сеть с квадратными ячейками, которуюпмонтируют внутри стен или перегородок. Системапсрабатывает толькоппри обрыве кабеля, ппоэтому она регистрирует толькопжесткие «силовые» воздействия (например, пролом стены). Правда, при таком критериипдетектированияпвероятность ложных срабатываний получается достаточно низкой. Несколькопподобных волоконно-оптических периметральных систем выпускаетпамериканская компания Fiber SenSys Inc., и канадская компания Senstar-Stellar. СистемапFiber Defender американской Fiber SenSys Inc. предназначена как для охраны оград и стен, птак и для подземной установки. Максимальная протяженность одной зоны охраны составляет 2000 м. Система использует цифровую обработку сигналов сенсоров; процессор системы автоматически регулируетппараметры системы в зависимости от шумов, создаваемых ветром. Для регулировкиппроцессора можетпбыть использован подключаемый к нему анемометр, регистрирующий скорость ветра. Волоконно-оптическаяпохраннаяпсистемапкомпании Senstar-Stellar, предназначенапдля защиты сетчатых периметральных оград. Сенсорный кабель содержит двепволоконно-оптических жилыпв защитной оболочке; сенсор крепитсяпнепосредственно к ограде. Оптические жилы подключаются с помощьюпстандартных оптическихпразъемов типа ST к выходу полупроводникового лазера и входу фотоприемника на плате электронного блока (анализатора). Электронныйпблок регистрируетпизменения оптических параметров кабеля, вызванныепдеформациями ограды при попытках вторжения. Процессорпнастраивается напобнаружение двух основных типовпвторжения – перелезание через ограду или разрушение ее. По каждомупиз каналовпв процессоре задаютсяппороги чувствительности, минимальнаяппродолжительность вторжения и временное окно счетчика событий. Сппомощью автономногоппрограмматора задаются параметры чувствительностиппроцессора и режимы компенсацииппогодных условий. Максимальная протяженностьподной зоныпохраны с волоконно-оптическим сенсоромпсоставляет 2 км. Cистема SabreLine фирмы Remsdaq (рисунок 6) 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. Разработчик утверждает, что при правильной подготовке периметральной траншеи подземная охранная система эффективно работает в пустынях, на травяных и гравийных грунтах, а также под асфальтовыми дорогами [24]. Рисунок 6 – Структура подземной волоконно-оптической системы SabreLine фирмы Remsdaq Система F-7000-FOBS компании TSS также предназначена для подземной установки и регистрирует давление почвы, создаваемое нарушителем. 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. 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. 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 (рисунок 8), 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 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. Рисунок 8 – Расположение сенсорных кабелей подземной системы Secure Fence BGS На выбор типа периметральной сигнализации в первую очередь влияет её устойчивость к воздействию внешних климатических факторов, которые могут присутствовать на охраняемом объекте. В условиях ФСИН применение активных инфракрасных извещателей связано со многими трудностями, поскольку снежные заносы, растительность, туман вызывают или ложные срабатывания, или отказ системы. Дальность действия пассивных оптико-электронных инфракрасных извещателей в условиях тумана или сильного снегопада уменьшается на 25-30%, поэтому при блокировке их протяжённых периметров на местности, где возможно появление туманов, расстояние между извещателями нужно уменьшать, а в местах поворота периметра либо направлять встречно друг на друга, либо изготавливать преграды, чтобы компенсировать излишнюю дальность действия извещателей в ясную погоду. Использование вибрационных или емкостных систем для охраны протяжённых периметров экономически менее выгодно или невозможно, что делает использование оптоволоконных систем наиболее целесообразным, а иногда и единственным возможным вариантом в силу некоторых отличительных свойств указанных ранее (невосприимчивость к электромагнитным излучениям электробезопасность и др.). В силу специфики используемых физических принципов волоконно-оптические технологии не имеют равной альтернативы на объектах с большой протяженностью, в условиях агрессивных сред, сложной электромагнитной обстановкой, высокой грозовой активностью. К тому же в системе не может быть короткого замыкания, случайного или умышленного вывода из строя оборудования. Так же неоспоримыми достоинствами являются отсутствие излучения в пространство, высокая надежность, большой срок службы (оптическое волокно не окисляется) и неприхотливость в эксплуатации (диапазон рабочих температур от -40° до +70° С). Особо хотелось бы выделить то, что при использовании для обнаружения вторжения метод оптической рефлектометрии (OTDR), точность определения составляет от нескольких до десятков метров и позволяет в некоторых случаях отказаться от интеграции с СВН. Максимальная длина одной зоны охраны может достигать десятков километров при высоких значениях помехоустойчивости, точности определения места вторжения и низком уровне ложных срабатываний. 1.2 Методы регистрации нарушения прохождения сигналов в распределённых оптических датчиках При распространении света в оптическом волокне возникают потери рэлеевского рассеяния, обусловленного случайными микроскопическими колебаниями показателя преломления сердцевины оптического волокна. Часть излучения, которая рассеивается под углом 180° к направлению распространения излучения (обратное рассеяние), удовлетворяет числовой апертуре волокна и возвращается к источнику. Подавая входной оптический сигнал импульсами в исследуемое оптическое волокно и отслеживая изменения интенсивности возвращаемого обратного рассеяния, можно определить пространственные колебания коэффициента рассеяния волокна: или профиль, или затухание. На этом основана оптическая рефлектометрия временной области (OTDR – Optical Time-Domain Reflectometry), хорошо зарекомендовавший себя метод для определения мест повреждений/дефектов и диагностики в волоконных системах коммуникаций [7]. В измерительных системах оптический рефлектометр может использоваться для обнаружения обусловленных измеряемой величиной локальных изменений потерь или коэффициента рассеяния непрерывного измерительного волокна. На рисунке 9 показана схема, обычно применяемая для анализа в оптическом рефлектометре. Здесь короткий импульс излучения лазера (обычно мощного GaAlAs полупроводникового лазера или твердотельного с модуляцией добротности Nd:Yag лазера) запускается в исследуемое волокно. Блок электронной обработки отслеживает изменения во времени уровня обратного излучения по отношению к входному импульсу. Рисунок 9 – Принцип работы оптического рефлектометра временной области Если волокно однородно и подвергается постоянному воздействию внешней среды, из-за внутренних потерь в волокне интенсивность обратного рассеяния в зависимости от времени угасает по экспоненте. Если пиковая мощность входного импульса длительности ?, введенного в волокно, равна P0, мощность обратного излучения, регистрируемая через промежуток времени t по отношению к началу входного импульса, можно определить как , (1) где1z = ct/2n – положение распространяющегося вперед импульса в момент генерации регистрируемого обратного сигнала Ps(t); ai(z)1– коэффициент затухания в неперах (естественных экспоненциальных единицах: 1 непер = 4,34 дБ); п – групповой показатель преломления сердцевины оптического волокна; с – скорость света; к1– коэффициент разделения мощности разветвителя входного оптического волокна; r(z) – эффективный коэффициент обратного отраженного рассеяния на единицу длины, учитывающий коэффициент рэлеевского обратного рассеяния и числовую апертуру волокна; D = (с?/п) – длина оптического импульса в волокне в любой момент времени. Здесь мы предполагаем, что потери, претерпеваемые входным импульсом и обратным излучением, равны. Наклон логарифма регистрируемого сигнала равен коэффициенту потерь. (2) Область больших потерь ?i характеризуется большим наклоном графика оптического рефлектометра, что можно видеть на рису 1.9. Пространственное разрешение оптического рефлектометра временной области – это наименьшее расстояние между двумя фрагментами рассеяния, которые могут быть разделены. Оно определяется шириной входного импульса и может быть вычислено по формуле (3) При ширине импульса 10 нс получается пространственное разрешение порядка одного метра. Как правило, сигналы, используемые при анализе оптического рефлектометра , слабые, для получения хорошего отношения сигнал/шум требуется существенное усреднение регистрируемых сигналов. Кроме того регистрируется только изменение интенсивности сигнала которая слабо изменяется при воздействиях но оптическое волокно. Базовый метод оптической рефлектометрии – это по существу оптический локатор, и при разработке множества разнообразных методов были обнаружены и использованы прямые аналогии между традиционными радиолокационными системами и оптической локацией на основе распределенных датчиков. Другие методы оптической дальнометрии, пригодные для использования в измерительных системах, это: ? Когерентная оптическая рефлектометрия [10]. Слабый сигнал обратного рассеяния смешивается с сильным когерентным оптическим сигналом гетеродина, что обеспечивает когерентное усиление. ? Оптическая рефлектометрия частотных характеристик (OFDR) [13]. Измерение дальности достигается на основании частотного распределения в обратном рассеянном сигнале, а не временного спада. Обычно предполагается использование источника с высокочастотной внутриимпульсной линейной частотной модуляцией. ? Когерентная рефлектометрия частотных характеристик [10]. Частота излучения лазерного источника с узкими линиями излучения (большой длиной когерентности) линейно модулируется внутри импульса, и обратное рассеянное излучение когерентно смешивается с опорным оптическим сигналом источника без задержки. ? Псевдослучайное кодирование в оптической рефлектометрии [23]. Применяются методы корреляции в сочетании с псевдослучайной последовательностью входных импульсов. По сравнению с обычной оптической рефлектометрией использование каждого из этих методов обеспечивает некоторое улучшение характеристик, таких как чувствительность, динамический диапазон или пространственное разрешение. Микроскопические неоднородности, «вмороженные» в волокно в процессе вытяжки, приводят к значительному уровню рассеянного сигнала, распространяющегося в направлении, противоположном направлению распространения зондирующего излучения [7]. Сигналы, рассеянные от различных частей волокна, достигают входного торца волокна за время задержки, пропорциональное расстоянию от центра рассеяния до входного торца (рисунок 10). Таким образом, по времени задержки легко различить сигналы, рассеянные от различных участков волокна. Внешнее воздействие на волокно приводит к модуляции фазы света, распространяющегося в нем. Следовательно, волны, рассеянные обратно от участков волокна, находящихся за местом приложения воздействия, будут модулированы по фазе. Подбирая пару рассеянных волн до и после точки воздействия и демодулируя их разность фаз, можно определить место приложения и величину физического воздействия. Для этого можно использовать когерентный частотный рефлектометр (ODFR) Рисунок 10 – Принцип работы распределенного фазового датчика на основе интерференции рэлеевских сигналов Возможностиоптических датчиков приведены на рисунке 11. Рисунок 11 – Возможностиоптических датчиков Распределенные волоконно-оптические датчики на основе метода когерентной частотной рефлектометрии. Рассмотрим оптическую волну, распространяющуюся в одномодовом волокне длины . Для простоты будем считать, что внешнее гармоническое воздействие приложено в точке и вызывает модуляцию оптической фазы . Учитывая набег оптической фазы (где является постоянной распространения) и фазовую модуляцию для рассеянных волн при , рассеянное оптическое поле на переднем торце световода можно выразить как суперпозицию парциальных полей, рассеянных неоднородностями волокна и описываемых коэффициентом рассеяния . Предполагая, что рассеянное поле интерферирует на фотоприемнике с опорным лучём, найдем интерференционный член: (4) где – оптическая частота, – функция Хевисайда: для , и для . Уравнение (4) написано в квазистационарном приближении, в предположении, что время распространения оптического сигнала намного меньше характерного времени внешнего воздействия. Частота источника излучения модулируется по пилообразному закону, ее можно выразить как: (5) где и являются величиной и периодом модуляции соответственно; и обозначает свертку. Анализ уравнения (4) показывает, что, будучи изначально написано для стационарного случая, оно также остается верным и для случая модуляции частоты излучения источника, если пренебречь членами второго порядка малости по времени распространения сигнала, включая дисперсию волокна. В этом приближении постоянная распространения фазы дается (6) где – групповая скорость света в волокне. Наконец, подставляя выражение для и в уравнение (4) и применяя Фурье преобразование, получим спектр фототока в приближении : (7) где (8) – частота модуляции, . Как следует из уравнений (7) и (8), в отсутствии воздействия спектр фототока состоит из дискретных спектральных компонентов, расположенных на расстоянии друг от друга.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Дипломная работа, Разное, 93 страницы
2325 руб.
Дипломная работа, Разное, 86 страниц
2500 руб.
Дипломная работа, Разное, 50 страниц
850 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg