Systemy ochrony ogrodzeń ze światłowodem jako sensorem

Pierwsze systemy wykrywające forsowanie ogrodzeń, w których wykorzystywany był światłowód jako sensor, powstały już w latach 80. XX wieku.

Urządzenia pierwszej generacji miały stosunkowo prostą konstrukcję i działały dość prymitywnie. Wykrywały jedynie fakt przecięcia lub uszkodzenia sensora. Nitka światłowodu była wplatana w strukturę ogrodzenia lub ukrywana wewnątrz zasieków z drutu ostrzowego. Urządzenia pierwszej generacji w zasadzie zniknęły już z rynku.

Rys. 1. Przykłady zastosowania sensorów światłowodowych drugiej generacji. System nie określa miejsca naruszenia ogrodzenia w obrębie danego odcinka sensora. Każda strefa musi składać się z odrębnej pary włókien światłowodu

Urządzenia drugiej generacji wykrywają wibracje i odkształcenia sensora powstające podczas forsowania ogrodzenia, podobnie jak miało to miejsce w przypadku znanych już wcześniej systemów wykorzystujących tzw. kabel mikrofonowy. Systemy tego typu są dużo skuteczniejsze w działaniu od systemów pierwszej generacji – wykrywa się nie tylko niszczenie ogrodzenia, ale także próby jego unoszenia lub uginania. W zależności od typu systemu pojedynczy moduł elektroniczny może obsługiwać od dwóch do ośmiu odcinków sensora światłowodowego.

Rys. 2. Zasada działania sensorów trzeciej generacji. Wiązka z lasera musi pokonać drogę do końca sensora i z powrotem do odbiornika 

Oprócz zalet, takich jak odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, przepięcia i bliskie wyładowania atmosferyczne, systemy drugiej generacji mają wiele wad. Najbardziej istotne spośród nich są następujące:

• długość strefy ochrony jest równa długości danego odcinka sensora – moduł elektroniczny widzi dany odcinek jako całość i nie określa miejsca, w którym został wygenerowany sygnał alarmowy,
• nie ma możliwości dokładnej kalibracji systemu uwzględniającej różnice w konstrukcji, stabilności i sztywności ogrodzenia, a wszystkie parametry, w tym próg czułości, są jednakowe na całej długości danej sekcji sensora,
• po zainstalowaniu systemu nie ma możliwości zmiany długości i rozmieszczenia stref ochrony, 
• przewody zasilające i magistrale do transmisji danych muszą być rozciągnięte wzdłuż całego ogrodzenia,
• koszty serwisowe i eksploatacyjne są stosunkowo wysokie.

Systemy trzeciej generacji pojawiły się na rynku w 2005 r. Do kontroli stanu sensora wykorzystano nowoczesną i zaawansowaną technicznie metodę interferometrii optycznej.

Interferometria optyczna umożliwia lokalizację miejsca wystąpienia wibracji lub odkształceń sensora z dokładnością dochodzącą do dziesięciu metrów. Dzięki temu za pomocą jednego odcinka sensora można zabezpieczyć obiekt o obwodzie dochodzącym do 30 km i zapewnić podział na wiele dowolnie wytyczonych i niezależnie obsługiwanych stref detekcji. Długość i rozmieszczenie każdej ze stref detekcji można dowolnie zmieniać bez przeinstalowywania sensora. W systemach trzeciej generacji impulsy z lasera przemieszczają się wzdłuż całego sensora, więc jego przecięcie powoduje awarię całego systemu, co stanowi poważny mankament.

Do innych wad systemów trzeciej generacji można zaliczyć:

• brak możliwości określenia miejsca uszkodzenia sensora,
• niejednoznaczną reakcję systemu na próby jednoczesnego forsowania ogrodzenia w odległych od siebie punktach, które umożliwiają łatwe oszukanie systemu.

Najnowsze systemy czwartej generacji pracują z wykorzystaniem sensorów światłowodowych opracowanych przez firmy OptaSens oraz Fotech Solutions. Ich działanie bazuje na zjawisku fizycznym zwanym rozpraszaniem Rayleigha, które polega na tym, że w miejscu odkształcenia lub uszkodzenia sensora wiązka świetlna ulega częściowemu rozproszeniu i odbiciu zwrotnemu w kierunku nadajnika. Dzięki temu do prawidłowego działania systemu nie jest wymagane przejście impulsu laserowego przez całą długość sensora, gdyż analizowana jest jedynie fala zwrotna.

Rys. 3. Schemat systemu z sensorem światłowodowym trzeciej generacji. Jednym odcinkiem sensora można chronić ogrodzenie o długości kilkudziesięciu kilometrów, zapewniając dokładne zlokalizowanie miejsca jego naruszenia, jednakże przecięcie sensora w dowolnym miejscu dezaktywuje cały system 

W systemach czwartej generacji wyeliminowano wady urządzeń drugiej i trzeciej generacji:

• zachowane są możliwości operacyjne systemu i pełna skuteczność wykrywania w przypadku przecięcia lub uszkodzenia sensora,
• w przypadku dwóch przecięć nieaktywny jest tylko odcinek pomiędzy przecięciami,
• dokładnie wskazywane jest miejsce uszkodzenia lub przecięcia sensora,
• reakcja systemu na próby jednoczesnego forsowania ogrodzenia w odległych od siebie punktach jest prawidłowa i jednoznaczna.

Pozostałe zalety światłowodowych systemów ochrony ogrodzeń czwartej generacji:

• wszystkie urządzenia elektroniczne znajdują się w bezpiecznym miejscu wewnątrz budynku, a na zewnątrz wyprowadzony jest jedynie pasywny sensor światłowodowy, który jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne oraz niewrażliwy na wyładowania atmosferyczne, zmiany temperatury otoczenia itp.,
• jedną nitką sensora światłowodowego można zabezpieczyć obiekt o obwodzie dochodzącym do 24 km, przy czym:
• określanie miejsc naruszenia ogrodzenia odbywa się z dokładnością do 4 m, 
• w obrębie danego odcinka sensora można wydzielać wiele dowolnie rozmieszczonych stref ochrony,
• możliwa jest dokładna kalibracja sensora, w tym kompensacja wpływu zmian w konstrukcji i sztywności ogrodzenia, oraz filtracja zakłóceń powodowanych przez zjawiska atmosferyczne, ruch pojazdów, drgania gruntu itp.,
• wykrywanie prób jednoczesnego forsowania ogrodzenia w różnych miejscach przebiega prawidłowo,
• możliwa jest czasowa lub trwała dezaktywacja dowolnie wybranych odcinków sensora,
• koszty instalacji, konserwacji oraz eksploatacji systemów czwartej generacji są bardzo niskie, zwłaszcza w przypadku dużych obiektów, gdyż:
• instalacja sensora jest łatwa, a do jego budowy wykorzystywany jest zwykły, tani kabel telekomunikacyjny,
• naprawa uszkodzonego sensora jest szybka (przeciętnie trwa około 15 minut), a koszty naprawy są minimalne,
• moc niezbędna do zasilania całego systemu nie przekracza 300 W,
• ze względu na możliwość dezaktywacji dowolnie wybranych odcinków sensora nie ma potrzeby dokonywania „wstawek” z kabla nieczułego, na przykład w celu wyprowadzenia sensora z budynku,
• sterownik elektroniczny ma dużą trwałość – średni czas między awariami wynosi powyżej 100 000 godzin,
• umieszczenie sterownika w bezpiecznym miejscu ogranicza możliwości celowego uszkodzenia systemu,
• programowanie i diagnostyka całego systemu mogą być wykonywane zdalnie, z poziomu centrum nadzoru,
• ułatwiona jest integracja z wizyjnymi systemami  dozorowymi – rozmieszczenie i długości stref detekcji można dokładnie dopasować do stref obserwowanych przez kamery.

Rys. 4. Zasada działania sensora czwartej generacji. Wiązka z lasera ulega częściowemu rozproszeniu i odbiciu zwrotnemu w miejscu odkształcenia. Nie jest konieczne jej przemieszczenie się do końca linii i z powrotem

Mankamenty światłowodowych systemów czwartej generacji:

• wysoki koszt produkcji sterowników elektronicznych – instalacja tego typu systemów jest opłacalna w przypadku 
• dużych obiektów otoczonych ogrodzeniem o długości przekraczającej trzy kilometry,
• brak możliwości łatwego podłączania czujek uzupełniających (np. barier MV lub IR) i bezpośredniego zasilania takich czujek przez kabel światłowodowy.

Rys. 5. Schemat systemu z sensorem światłowodowym czwartej generacji. Uszkodzenie sensora nie powoduje dezaktywacji systemu. System zachowuje pełną funkcjonalność w przypadku przecięcia sensora 

Stosowanie systemów światłowodowych czwartej generacji do ochrony obiektów cywilnych i wojskowych zostało formalnie zaakceptowane w wielu krajach. System Fiber Patrol produkcji Optellios przeszedł kilkumiesięczne testy kwalifikacyjne przeprowadzone przez National Safe Skies Alliance na terenie lotniska McGhee Tyson Airport (TYS) w Knoxville (Tennessee, USA).

Opracował: Tomasz Żmójdzin
Raban
Na podstawie materiałów OptaSens Inc., Senstar Corp., Optellios Inc.