ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Полезная модель относится к волоконной оптике, а именно к устройствам охранной сигнализации, и может использоваться в системах защиты периметра территорий и помещений от несанкционированного вторжения.
Известна волоконно-оптическая сенсорная система, содержащая источник оптического излучения, интерферометрический сенсор, волоконно-оптический разветвитель, фотодетектор и усилитель электрического сигнала (RU 2004128514 А). В системе в качестве источника оптического излучения использован лазер.
Недостатками этого устройства являются:
- необходимость в источнике оптического излучения, который нуждается в калибровке и в энергообеспечении;
- конструктивная сложность и хрупкость некоторых деталей, что затрудняет применение такого устройства в системах периметральной охраны, особенно при внутригрунтовом исполнении;
- устройство не имеет возможности установки порогового значения, а значит, не исключаются ложные срабатывания.
Известна волоконно-оптическая система охранной сигнализации, содержащая когерентный источник света, многомодовое оптическое волокно, формирователь светового потока, фотодетектор и формирователь сигнала тревоги (RU 2079888 С1). В этой системе приняты меры по предупреждению ложных срабатываний за счет введения в формирователь сигнала тревоги контура обработки входного сигнала. Недостатки указанной системы:
- необходимость в источнике опорного излучения, который нуждается в калибровке и в энергопотреблении;
- затруднительное использование системы для охраны объектов с достаточно протяженным периметром;
- невозможность определения локализации повреждения волоконно-оптических линий связи охранной системы (места вторжения нарушителя).
Наиболее близким аналогом предполагаемой полезной модели является система охранной сигнализации, позволяющая определить локализацию повреждения линии связи охранной системы (RU 2311687 С2). В систему введены:
- по меньшей мере, один оптоэлектронный канал измерения;
- по меньшей мере, два оптоволоконных чувствительных элемента;
- дешифратор.
Однако и эта система не лишена недостатков:
- для работы системы необходим опорный источник излучения, который увеличивает энергопотребление системы и нуждается в калибровке;
- в системе не исключаются ложные срабатывания, которые при функционировании системы охранной сигнализации могут быть вызваны порывами ветра, птицами, животными и пр.
Указанные недостатки устраняются в предполагаемой полезной модели.
Техническая задача, решаемая с помощью волоконно-оптической системы охранной сигнализации, заключается в повышении эффективности и надежности срабатывания.
Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптической системе сигнализации, содержащей чувствительные элементы, волоконно-оптические каналы связи, блок регистрации и обработки сигнала, чувствительные элементы выполнены в виде механолюминесцентных датчиков, способных вырабатывать оптический сигнал под воздействием механической нагрузки, превышающей заданное пороговое значение.
Предпочтительно, система содержит сеть из продольных и поперечных оптических волокон, в узлах которой размещены механолюминесцентные датчики.
Сеть может быть размещена на охраняемом или заграждающем объекте, например, на ограде или в грунте, а координаты расположения узлов сети на таком объекте вносят в память блока регистрации и обработки сигналов.
Оптические волокна сети связаны волоконно-оптическими каналами связи с блоком регистрации и обработки сигналов с возможностью регистрации сигнала от каждого из волокон сети. При этом блок регистрации и обработки сигналов выполнен с возможностью определения массы нарушителя по амплитуде сигналов от узлов сети и/или скорости перемещения нарушителя по динамике изменения координат узлов, от которых поступают сигналы.
Технический результат достигается за счет использования в системе механолюминесцентных датчиков, преобразующих механическое напряжение (давление) напрямую в оптическое излучение. Использование механолюминесцентных датчиков позволяет исключить из системы источник опорного излучения, который входит в состав всех известных волоконно-оптических систем охранной сигнализации, а значит снизить энергопотребление системы и не применять процедуры по калибровке источника света и проверке его оптической мощности.
Волоконно-оптическая система охранной сигнализации с механолюминесцентным датчиком (далее система сигнализации) состоит из следующих узлов (фиг.1):
- механолюминесцентного датчика 1, состоящего из механолюминесцентного чувствительного элемента 2 (далее «чувствительный элемент»), концентратора механического напряжения 3 (далее «концентратор напряжения»), элемента передачи механического воздействия 4 (далее «элемент передачи») и прозрачной подложки 5;
- волоконно-оптического канала связи 6 (далее «канал связи»);
- блока регистрации и обработки сигналов 7, состоящего из фотоприемного устройства 8 и анализатора сигналов 9.
Система сигнализации может содержать несколько механолюминесцентных датчиков 1, соединенных каналами связи 6, объединенных в волоконно-оптическую сеть 10.
Механолюминесцентный датчик 1 имеет твердотельный чувствительный элемент 2, представляющий собой затвердевшую суспензию кристаллического люминофора (полупроводники А2В6) в прозрачном связующем. Также механолюминесцентный датчик 1 для волоконно-оптической системы сигнализации содержит элемент передачи 4, концентратор напряжения 3 для увеличения порога срабатывания чувствительного элемента 2, прозрачную подложку 5, через которую излучение передается в канал связи 6. Так как способностью к механолюминесценции обладают электролюминесцирующие вещества, то в качестве кристаллического люминофора для чувствительного элемента 2 механолюминесцентного датчика 1 могут использоваться промышленные электролюминофоры ЭЛС-580С, ЭЛС-510, ЭЛС-455. Пленку с кристаллическим люминофором можно непосредственно наносить на торец волоконно-оптического кабеля.
Выяснено, что характеристики люминесценции кристаллофосфоров определяются активаторами, образующими центры свечения. В зависимости от активатора люминесценция может быть внутрицентровой или рекомбинационной, причем внутрицентровая люминесценция характеризуется высоким энергетическим выходом, а рекомбинационная - длительным послесвечением.
2
4
4
Кристаллофосфорами являются: сульфиды (ZnS, CdS), селениды (ZnSe), силикаты (ZnSiO), вольфраматы (CaWO), молибдаты и некоторые другие соединения. Цинксульфидные кристаллофосфоры обладают наибольшей яркостью свечения [Гурвич A.M. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. - М.: Высш. Шк., 1982. - 376 с] и составляют более 80% всех промышленных электролюминофоров [Казанкин О.Н., Марковский Л.Я., Миронов И.А. и др. Неорганические люминофоры. - Л.: Химия, 1975. - 192 с]. Именно по этой причине на ZnS-фосфорах проводится подавляющее большинство исследований механолюминесценции. К тому же спектральные характеристики излучения ZnS-фосфоров, обеспечивают наиболее оптимальное согласование с областью спектральной чувствительности полупроводниковых фотоприемников Примеси (активаторы люминесценции) играют важную роль, так как именно они создают те центры в кристаллической решетке, в которых возникает свечение.
Люминофоры, в которых поглощение и излучение энергии связано с электронными переходами в пределах люминесцентного центра, получили название внутрицентровых (характеристических). Активаторами в таких люминофорах являются ионы переходных и редкоземельных элементов, а также ртутеподобные ионы.
Люминофоры, в которых люминесценция связана с образованием и рекомбинацией разноименных зарядов (электронов и дырок), получили название рекомбинационных. Основой для них служат соединения полупроводникового типа. Введение в основу примесей, образующих электронные ловушки разной глубины, изменяет инерционные свойства люминофоров (время разгорания и свечения люминесценции). Наличие глубоких ловушек позволяет куммулировать энергию. При поглощении энергии в основном веществе происходит ее передача к люминесцентному центру, поэтому вероятность потери энергии в рекомбинационных люминофорах больше, чем во внутрицентровых, а выход люминесценции принципиально ниже. Такие люминофоры способны запасать энергию и высвечивать ее после прекращения возбуждения. Цинксульфидные люминофоры имеют послесвечение, видимое в темноте хорошо адаптированным глазом, через 3-5 часов, а послесвечение сульфидов щелочно-земельных металлов обнаруживается даже через 20-30 часов.
2
Механолюминесцентный датчик 1 в силу физического явления имеет пороговый характер срабатывания. На фиг.2 представлен типовой сигнал механического воздействия на механолюминесцентный датчик 1 (верхний график) и сгенерированный оптический сигнал механолюминесцентного датчика 1 (нижний график). Механическое воздействие - σ, приложенное к механолюминесцентному датчику 1, выражено в мегапаскалях (МПа) и имеет полусинусоидальную форму. Генерация механолюминесцентного излучения возникает в чувствительном элементе 2 при превышении внешним механическим воздействием σ определенного значения (точка А), при котором происходит переход от упругой к пластической деформации в кристаллическом механолюминофоре. На нижнем графике фиг.2 сигнал R энергетической светимости механолюминесцентного датчика 1 выражен в ваттах на квадратный метр (Вт/м). При достижении механическим воздействием порога текучести материала (точка А на верхнем графике фиг.2) механолюминесцентный датчик 1 начинает генерировать излучение, в результате чего увеличивается энергетическая светимость механолюминесцентного датчика 1 (точка Б на нижнем графике фиг.2).
Порог срабатывания механолюминесцентного датчика 1 определяется порогом текучести применяемого кристаллического люминофора. Он может быть скорректирован при введении в конструкцию механолюминесцентного датчика 1 концентраторов напряжения 3. Концентратор напряжения 3 должен обладать рельефной поверхностью, контактирующей с механолюминесцентным чувствительным элементом.
Система сигнализации предназначена для защиты охраняемого периметра территорий и помещений и может применяться для охраны не только оград, но и неогражденных территорий (закапывается в грунт). На основе механолюминесцентных датчиков 1 могут быть построены мультисенсорные системы, содержащие несколько механолюминесцентных датчиков 1, благодаря которым можно определить локализацию места механического воздействия.
На фиг.3 представлена система сигнализации, содержащая несколько механолюминесцентных датчиков 1. Система сигнализации содержит волоконно-оптическую сеть 10, состоящую из волокон - каналов связи 6, с расположенными в узлах механолюминесцентыми датчиками 1 и удаленным и экранированным блоком регистрации и обработки сигналов 7. Волоконно-оптическая сеть 10 состоит из продольных и поперечных и вертикальных волокон 6, которые соответственно объединяются в два волоконно-оптических кабеля 11 и 12. Волоконно-оптическую сеть 10 с механолюминесцентными датчиками 1 в узлах устанавливают на охраняемом или заграждающем объекте, например ограде или в грунте. При механическом воздействии на механолюминесцентные датчики 1 они начинают генерировать излучение, которое по волокнам 6 и каналам 11 и 12 передается к фотоприемному устройству 8 блока регистрации и обработки сигналов 7. В анализаторе сигналов 9 блока регистрации и обработки сигналов 7 определяется локализация места, в котором произошла деформация.
Схема работы системы сигнализации представлена на фиг.4.
Волоконно-оптическая сеть 10 с механолюминесцентными датчиками 1 располагается вдоль границы охраняемого периметра на решетке или ограде, либо закапывается в грунт и маскируется защитным покрытием. Механолюминесцентные датчики 1 обнаруживают изменение давления, вызываемое идущим или ползущим человеком. Блок регистрации и обработки сигналов 7 устанавливают под землей в специальном колодце, закрытом металлической крышкой. Подземный сигнальный кабель соединяет блок регистрации и обработки сигналов 7 с контрольной панелью, находящейся на контрольном пункте.
При попадании в зону обнаружения нарушитель воздействует на систему сигнализации с механолюминесцентными датчиками 1, при этом деформируется чувствительный элемент 2 и генерируется оптическое излучение, которое по волокнам 6 передается в удаленный блок регистрации и обработки сигнала 7. При превышении заданного порога срабатывания выдается сигнал тревоги. Анализатор сигналов 9 оценивает сигнал тревоги по следующим характеристикам: 1) амплитуде изменения сигнала, пропорциональной массе нарушителя; 2) скорости изменения сигнала в зависимости от скорости движения нарушителя; 3) продолжительности возмущения, определяемой временем нахождения нарушителя в зоне охраны. Сигнал тревоги выдается при одновременном наличии всех указанных факторов, что обеспечивает весьма низкую вероятность ложных срабатываний. Система сигнализации воспринимает только сигналы нарушителя, она нечувствительна к сигналам, вызванным ветром, снегом, мелкими животными, близостью автомобильных дорог, электромагнитными помехами.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет контролировать несанкционированное проникновение нарушителя на охраняемую территорию с низкой вероятностью ложных срабатываний с возможностью определения локализацию вторжения. Система сигнализации отличается энергоэкономичными характеристиками за счет применения генерационных механолюминесцентных датчиков, исключающих использование источников питания и опорных источников излучения. Применение твердотельных чувствительных элементов позволяет исключить использование подвижных элементов в конструкции датчика, что увеличивает его надежность и долговечность.