ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИ

Изобретение относится к сигнальным устройствам на основе волоконной оптики и может быть использовано в системах защиты периметра территорий и помещений от несанкционированного доступа.
Известна волоконно-оптическая система охранной сигнализации «Ворон -2» (см. Введенский Б.С. Оборудование для охраны периметров: М., 2002.), содержащая источник излучения, многомодовый световод, расположенный в охраняемой зоне, фотоприемник, подключенный к регистратору и блок обработки сигнала. Такое устройство основано на анализе изменений спекл-структуры на выходе многомодового световода при внешнем воздействии на световод. Изменения в спекл-структуре возникают из-за различных изменений фаз разных мод при внешнем воздействии.
Основным недостатком такого устройства является сложность алгоритмов обработки получаемого сигнала и неоднозначность трактовки результатов обработки, поскольку спекл-структура имеет случайный характер.
Наиболее близок по сущности к заявляемому волоконно-оптический датчик охранной сигнализации (см. заявка на изобретение №96101277 МПК G 08 B 13/00, опубликованная 20.03.1998 г.), содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой: когерентный источник оптического излучения, многомодовое оптическое волокно, расположенное в охраняемой зоне, блок преобразования медового состава излучения и фотоприемник с электронным блоком обработки сигнала. В качестве оптического волокна также предложено использовать маломодовый световод.
Работа такого устройства основана на переходе части энергии из одних мод в другие при внешнем механическом воздействии на оптическое волокно, расположенное в охраняемой зоне. Выявить эти изменения позволяет блок преобразования модового состава излучения. В данном устройстве он
выполнен в виде диафрагмы и отрезка волокна, непосредственно соединенного с приемником излучения, причем диафрагма помещена в воздушном зазоре между торцами оптического волокна, расположенного в охраняемой зоне, и волокна, непосредственно соединенного с приемником излучения.
Основной недостаток такого устройства состоит в том, что описанный блок преобразования модового состава излучения дает возможность лишь пропускать или блокировать прохождение определенных групп мод с близкими постоянными распространения, но не позволяет селектировать отдельные моды. Между тем чувствительность отдельных мод к деформациям выше, чем групп мод. При использовании маломодовых световодов еще в большей степени необходимо выделять именно отдельные моды. Кроме того, как следует из формулы изобретения прототипа, в многомодовом волокне, расположенном в охраняемой зоне, возбуждается множество поперечных мод, и при механическом воздействии на волокно перераспределение энергии между модами может происходить, например, следующим образом: из мод низших порядков энергия переходит в моды более высоких порядков, то есть вначале энергия этих мод растет, а при дальнейшем увеличении деформации уменьшается, поскольку энергия из этих мод при увеличении деформации переходит в моды еще более высоких порядков, в том числе и некана-лируемые моды. Отсюда следует, что энергии отдельных мод в прототипе изобретения могут не монотонно зависеть от величины деформации волокна. Это приводит к усложнению алгоритмов обработки сигнала, поскольку не позволяет однозначно связать величину деформации волокна с сигналом, получаемым с фотоприемника.
В основу изобретения поставлены задачи повышения чувствительности и упрощения алгоритмов обработки сигнала волоконно-оптического датчика охранной сигнализации.
Данная задача решается за счет того, что в устройство, содержащее последовательно расположенные и оптически связанные между собой: когерентный
источник оптического излучения, оптическое волокно, расположенное в охраняемой зоне, блок преобразования медового состава излучения и фотоприемник с электронным блоком обработки сигнала, дополнительно введен блок формирования поперечных мод световода, выполненный в виде дифракционного оптического элемента, расположенный после когерентного источника оптического излучения и оптически связанный с ним, а блок преобразования модового состава выполнен в виде дифракционного оптического элемента, согласованного с модой, формируемой блоком формирования поперечных мод.
Указанные выше блок формирования поперечных мод и блок преобразования модового состава могут быть выполнены в виде дифракционного микрорельефа, нанесенного соответственно на входной и выходной торцы оптического волокна, расположенного в охраняемой зоне.
Поля поперечных мод являются амплитудно-фазовыми и не могут быть точно проанализированы либо сформированы с помощью диафрагмы, расположенной в воздушном зазоре и отрезка световода, как в прототипе изобретения. Решение этих задач возможно лишь с помощью специально рассчитанных ДОЭ. Методы расчета и изготовления соответствующих ДОЭ разработаны к настоящему времени (см., например Голуб М.А., Казанский Н.Л., Сисакян И.Н., Сойфер В.А., Карпеев С.В., Мирзов А.В., Уваров Г.В. Фазовые пространственные фильтры, согласованные с поперечными модами // Квантовая электроника. - 1988. - Т.15, №3, с.617-618). Такие ДОЭ формируют либо селектируют поперечные моды в заданной области пространства на заданном расстоянии от ДОЭ, где их мощность может быть измерена фотоприемником.
На фиг.1 представлена схема устройства. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой: источник оптического излучения 1, блок формирования поперечных мод световода 2, оптическое волокно, расположенное в охраняемой зоне 3, блок преобразования
модового состава излучения 4 и фотоприемник с электронным блоком обработки сигнала 5.
Физической основой построения волоконно-оптического датчика охранной сигнализации является связь мод, возникающая при деформации световода. При этом энергия излучения перераспределяется между модами, часть ее переходит в неканалируемые моды, что приводит к изменению энергии отдельных мод. Для мод более высоких порядков, то есть находящихся ближе к отсечке, энергия света локализована ближе к границам сердечника световода и, следовательно, будет переходить в неканалируемые моды при меньших величинах воздействий, чем для мод более низких порядков. Именно на разной чувствительности разных мод к внешним воздействиям и базируется выигрыш в характеристиках датчика в результате введения в него анализатора и формирователя поперечных мод, реализованных на основе дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Для каждых конкретных условий может быть выбрана мода, наиболее чувствительная к регистрируемым внешним воздействиям. Выигрыш в характеристике чувствительности по сравнению с прототипом достигается за счет формирования на входе волокна и селекции на выходе поперечной моды, обладающей наибольшей чувствительностью к регистрируемым внешним воздействиям.
Если в волокне формируется одна мода, то при механическом воздействии на волокно, как показано в литературе (см. например Кривошлыков С.Г., Сисакян И.Н. Функциональные возможности и чувствительность датчиков на основе многомодовых градиентных волноводов // Квантовая электроника, т.14, №3 (1987), с.481-491) энергия из этой моды может перераспределяться только в моды более высоких порядков, в том числе и неканалируемые, и, следовательно, при дальнейшем распространении света в волокне ни при каких условиях не может возвращаться в эту моду. Таким образом, за счет формирования на входе волокна одной моды достигается однозначная связь между величиной деформации волокна и сигналом, получаемым с фотоприемника,
и тем самым упрощается обработки сигнала волоконно-оптического датчика охранной сигнализации по сравнению с прототипом.
Работает устройство следующим образом: источник оптического излучения 1 освещает блок формирования поперечных мод световода 2, который создает на торце волокна распределение комплексной амплитуды, согласованное с выбранной поперечной модой. Таким образом, формируется поперечная мода в волокне. На выходе из волокна 2 выбранная мода выделяется блоком преобразования медового состава 4 и ее мощность измеряется фотоприемником с электронным блоком обработки сигнала 5. При механическом воздействии на волокно 2 в охраняемой зоне мощность из выбранной моды перераспределяется в другие моды, что приводит к ослаблению измеряемого сигнала, и после соответствующей обработки формируется сигнал тревоги.