Medios de detección de vibraciones de fibra óptica.
Los CO de fibra óptica vibrantes están diseñados para detectar un intruso mediante las vibraciones de la barrera de alarma creada por él en el proceso de penetrar una zona protegida. objeto.
El principio de funcionamiento de los CO vibrantes de fibra óptica se basa en registrar las vibraciones mecánicas o los movimientos de la barrera que se producen cuando un intruso intenta destruir o superar una barrera física.
El elemento sensible de tales sistemas es un cable de fibra óptica especialmente diseñado, que convierte las deformaciones locales del cable que ocurren durante las vibraciones mecánicas en cambios en las características de la radiación láser que pasa a través de la fibra óptica. El cable se fija directamente a la barrera o a una marquesina metálica ligera especial situada encima de ella. Los cambios en las características de la radiación láser son registrados por una unidad de procesamiento de señales que, de acuerdo con un algoritmo determinado, emite una alarma. Además de la unidad de procesamiento de señales, el detector vibratorio de fibra óptica incluye un generador cuántico óptico y un monitor.
El diagrama funcional del detector se muestra en la Fig. 1. En relación a un detector vibratorio de fibra óptica, sus elementos son:
la influencia externa son vibraciones mecánicas o movimiento de la barrera que se produce cuando un intruso intenta destruir o superar una barrera física.
El elemento sensible del detector es un cable de fibra óptica.
La unidad de procesamiento de señales está presente.
El dispositivo de salida generalmente se implementa como un relé de salida.
Además, el detector incluye adicionalmente:
generador cuántico óptico,
monitor
En consecuencia, el diagrama funcional del detector vibratorio de fibra óptica se verá así (Fig. 2.) :
Dispositivo
Elemento sensor
Los cables de fibra óptica, normalmente utilizados para transmitir información, también se pueden utilizar como sensores para sistemas de seguridad perimetral. La deformación de una fibra óptica cambia sus parámetros ópticos y, como consecuencia, las características de la radiación que atraviesa la fibra. Debido a los principios físicos específicos utilizados, los sistemas de fibra óptica se caracterizan por una susceptibilidad muy baja a las interferencias electromagnéticas, lo que permite su uso en entornos electrofísicos desfavorables.
Una fibra óptica es generalmente una guía de luz coaxial. La luz viaja a lo largo de la parte central (núcleo) del cable. Adyacente al núcleo de la fibra hay una cubierta transparente, que tiene un índice de refracción más bajo que el núcleo. La luz que se propaga en ángulo con respecto al eje de la fibra se refleja desde la interfaz entre el núcleo y el revestimiento y se concentra en la parte central de la fibra. El revestimiento opaco exterior sirve para proteger mecánicamente el cable.
Los cables de fibra óptica se dividen en multimodo y monomodo.
El modo es un tipo de trayectoria a lo largo del cual la luz puede propagarse.
El número de modos permitidos por un cable de fibra óptica suele oscilar entre 1 y 100.000. Por lo tanto, la fibra permite que la luz viaje a lo largo de múltiples caminos, cuyo número depende del tamaño y las propiedades de la fibra. .
Diámetro del núcleode fibras multimodonormalmente entre 50 y 100 micrones. Una gran cantidad de tipos de ondas (modos) con diferentes parámetros geométricos se propagan simultáneamente a lo largo de dicha fibra. Estos rayos experimentan múltiples reflexiones desde el límite entre el núcleo y el revestimiento, lo que conduce a una atenuación notable de las señales (Fig. 2.29). Diámetro del núcleo de guías de luz monomodono supera las 10 micras. En dicha fibra solo se puede propagar un tipo de onda (modo), y la atenuación de la luz aquí es significativamente menor que en las fibras multimodo (Fig. 3).
Como fuente de radiación se suelen utilizar láseres semiconductores en miniatura o LED.
A la salida del cable, la radiación es detectada por un fotodetector que convierte la señal óptica en eléctrica. Cuando la fibra se deforma, las condiciones de reflexión interna cambian, como resultado de lo cual cambian las características espaciales y de fase del haz en la salida del cable. Estos cambios son registrados por un fotodetector y procesados por un analizador de señales.
El índice de refracción del revestimiento óptico es menos del 1% menor que el índice de refracción del núcleo. Los valores característicos de los índices de refracción son N = 1,47 para el núcleo y N = 1,46 para la carcasa óptica. Los fabricantes de fibras controlan estrictamente el diferencial para obtener las características de fibra deseadas.
Métodos para registrar señales de penetración
Método para registrar interferencias entre modos
Un láser semiconductor suele generar varias docenas de modos (líneas espectrales) de frecuencia cercana con una determinada distribución de energía en todo el espectro de emisión. Si un cable de fibra óptica multimodo se somete a tensión mecánica, en su salida el espectro de radiación registrado por el receptor cambia debido a la aparición de pérdidas de energía de radiación debido a la microflexión del cable, lo que permite detectar deformaciones en el cable. Las pérdidas por microflexión son pérdidas de energía óptica causadas por la luz que se escapa de la fibra óptica debido a cambios locales en el perfil de la interfaz núcleo/revestimiento óptico. En la figura. La Figura 4 muestra que estos cambios en la interfaz núcleo/revestimiento pueden dar como resultado la reflexión de modos de alto orden en ángulos que no permiten más reflexiones. En este caso, la luz sale de la fibra.
La ley de Snell establece el ángulo de incidencia crítico a partir de la relación entre los índices de refracción de los dos medios en los que se propaga.
En ángulos de incidencia mayores que el ángulo crítico, la luz se refleja completamente desde la interfaz entre ellos. los dos medios y permanece en la fibra óptica. Pero si, debido a la deformación del cable, el ángulo de incidencia del haz de luz llega a ser menos que crítico, entonces parte del haz superará la interfaz entre los dos medios y saldrá del núcleo de la fibra óptica.
Método de registro de estructura moteada
En la salida de una fibra óptica multimodo, se observa la llamada estructura moteada, que es un sistema irregular de luz y oscuridad. manchas. Cuando la fibra se deforma o vibra, la estructura moteada de la radiación sufre cambios. Para detectar deformaciones en los cables se utilizan fotodetectores espacialmente sensibles.
La eficiencia de recepción, que puede definirse como la relación entre la potencia involucrada en la formación de la señal de detección de speckle y la potencia total de la radiación incidente, está determinada por la coherencia espacial de la radiación. La coherencia espacial del speckle se caracteriza por un radio de coherencia: el radio estadísticamente promedio de los puntos de coherencia: áreas en el frente de onda con un cambio de fase regular. Esto limita la apertura angular de entrada, que se logra utilizando un dispositivo de captación óptica de la lente. La señal de registro se puede aumentar aumentando la potencia en el punto de coherencia y reduciendo el tamaño del punto de luz en la fotocélula. La interpretación gráfica tiene la forma que se muestra en la Fig. 5
Método de interferencia
Este método utiliza el principio de interferometría de dos haces. El rayo láser se divide en dos y se dirige a dos fibras ópticas monomodo idénticas, una de las cuales es una fibra de detección y la otra es una fibra de referencia. En el extremo receptor ambos haces forman un patrón de interferencia. Los impactos mecánicos sobre el cable sensible provocan cambios en el patrón de interferencia, que son registrados por un fotodetector selectivo (Fig. 6).
La interferencia de la luz es la suma de varias ondas de luz, lo que da como resultado la formación de áreas claras y oscuras alternas, es decir, la energía de estas ondas se redistribuye en el espacio (a lo largo del frente de onda).
Dos ondas de luz monocromáticas, superpuestas entre sí, excitan oscilaciones en la misma dirección en un punto determinado del espacio:
, ,
donde — respectivamente, la velocidad de fase de la primera y segunda ondas.
E = E1 + E2
La diferencia de fase de las oscilaciones excitadas por las ondas en el punto M es igual a
,
donde es la diferencia de camino óptico.
λо – longitud de onda
ancho del espectro de frecuencia de la radiación monocromática.
Condiciones de interferencia:
máximo, las oscilaciones ocurren en la misma fase (donde m = 0, 1, 2, …);
mínimo, las oscilaciones ocurren en antifase (donde m=0, 1, 2, …).
El patrón de interferencia se produce únicamente por ondas coherentes (adaptadas), ondas de la misma longitud de onda (o frecuencia), que llegan a un punto determinado con una diferencia de fase constante en el tiempo. Esta condición la cumplen las ondas monocromáticas, ondas que son ilimitadas en el espacio y tienen una frecuencia específica y estrictamente constante. Hay coherencia temporal y espacial. Cualquier luz no monocromática se puede representar como un conjunto de trenes armónicos independientes que se reemplazan entre sí. Un tren de ondas es una emisión intermitente de luz por parte de átomos en forma de pulsos cortos individuales. La duración media de un tren se denomina tiempo de coherencia y no puede exceder el tiempo de radiación t. Durante este tiempo, la onda se propaga en el vacío a lo largo de una distancia llamada longitud de coherencia (longitud del tren).
Dos fuentes, cuyo tamaño y posición relativa permiten (con el grado requerido de monocromaticidad de la luz) observar interferencias, se denominan espacialmente coherentes.
El radio de coherencia (o longitud de coherencia espacial) es la distancia máxima a la que puede ocurrir interferencia.
donde: r – radio de coherencia,
λ – longitud de onda de la luz,
φ – tamaño angular de la fuente.
La interferencia de la luz se puede lograr utilizando un biprisma de Fresnel. Un biprisma de Fresnel consta de dos prismas conectados por bases con ángulos de refracción idénticos y muy pequeños (del orden de fracciones de grado).
Si dicho biprisma se coloca de modo que la dirección de la luz sea paralela al borde del biprisma AB, entonces se puede obtener un patrón de interferencia de luz en el fotodetector.
Las ondas de luz monocromáticas provenientes de las fuentes S1 y S2 en la región DAE crean un patrón de interferencia. La Figura 7 muestra una vista superior, los rayos 1 y 2 resaltados dan una imagen de la suma de los rayos en el punto M. Dependiendo de la diferencia de trayectoria, tenemos una franja oscura (amortiguación de ondas) o una franja clara (amplificación de ondas).
Bloque de procesamiento de señal
Para separar las señales generadas por un intruso del ruido y las interferencias, se utiliza un analizador de señales basado en el principio de una red neuronal. El uso de una red neuronal garantiza una alta fiabilidad de detección con un bajo nivel de falsos positivos. En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques ampliado de la unidad de procesamiento de señales. 8.
En la entrada del procesador hay un filtro adaptativo que optimiza el funcionamiento del dispositivo.
La señal a la entrada del analizador de redes neuronales se suministra después de pasar por un procesador DSP (procesamiento de señales digitales), cuyo principio de funcionamiento se basa en algoritmos de transformada rápida de Fourier.
El procesamiento principal de la señal se produce en un analizador lógico construido sobre la base de redes neuronales.
Una red neuronal o neurocomputadora es un sistema informático en el que un algoritmo de resolución de problemas se presenta en forma de una red de elementos de umbral con coeficientes sintonizables dinámicamente y algoritmos de sintonización que son independientes de la dimensión de la red de elementos de umbral y su espacio de entrada. .
Para describir las redes neuronales, se ha desarrollado un circuito especial en el que dispositivos elementales (sumadores, sinapsis, neuronas, etc.) se combinan en redes neuronales diseñadas para resolver problemas.
El elemento básico de una red neuronal es una neurona. Una neurona formal estándar (Fig. 9) se compone de un sumador de entrada, un convertidor no lineal y un punto de ramificación de salida. Uno de los elementos principales de la neurona es el sumador de entrada adaptativo (Fig. 10), que calcula el producto escalar del vector de señales de entrada.
La entrada del sumador, a través de un sistema de conexiones-sinapsis lineales paralelas, recibe una señal de entrada, que en cada momento se caracteriza por un conjunto de valores de parámetros xn. El número de parámetros xn y su naturaleza física pueden ser diferentes, por ejemplo, amplitud de la señal, derivada, energía, etc. Los valores de los parámetros se calculan en la etapa de procesamiento preliminar de la señal real a analizar.
La sinapsis recibe el valor de entrada de un determinado parámetro xn y lo multiplica por un coeficiente personalizable n.
El convertidor de señal no lineal toma la señal de salida escalar Y y la convierte en (Y). El punto de ramificación se utiliza para distribuir una señal de salida escalar (Y) a varias direcciones. Las funciones transformadoras de neuronas no lineales más utilizadas son las funciones de umbral, umbral de tres valores y sigmoidea.
Arquitectura de redes neuronales
Entre toda la variedad de arquitecturas de redes neuronales, se puede distinguir una arquitectura básica: las redes en capas (Fig. 11).
Redes en capas: las neuronas están dispuestas en varias capas (fig. 2.38). Las neuronas de la primera capa reciben señales de entrada, las convierten y las transmiten a través de puntos de ramificación a las neuronas de la segunda capa. A continuación, se activa la segunda capa, y así sucesivamente hasta la k-ésima capa, que produce señales de salida. A menos que se indique lo contrario, cada señal de salida de la i-ésima capa se envía a la entrada de todas las i+1.ª neuronas. El número de neuronas en cada capa puede ser cualquiera y de ninguna manera está relacionado de antemano con el número de neuronas en otras capas. Forma estándar de suministrar señales de entrada: cada neurona de la primera capa recibe todas las señales de entrada. Se han generalizado especialmente las redes de tres capas, en las que cada capa tiene su propio nombre: la primera es entrada, la segunda está oculta y la tercera es salida.
Funcionamiento neuronal
El funcionamiento de una neurona en una red neuronal se produce de la siguiente manera. En el momento actual, la neurona recibe señales del exterior en forma de valores de los parámetros seleccionados xn. Estas señales se llaman entrada. La señal de cada entrada en la sinapsis se multiplica por el coeficiente de peso n de esta entrada (los coeficientes de peso de las entradas pueden ser diferentes) y se suma en el sumador con otras señales, también multiplicada por los coeficientes de peso de las entradas correspondientes.
En la neurona, el valor de la señal cambia según la función de transformación de la neurona . Después de la conversión, se genera una señal de salida en la neurona y se transmite a otras neuronas. Una red neuronal que recibe una determinada señal como entrada es capaz de, tras pasarla por las neuronas, producir una respuesta específica en la salida, que depende de los coeficientes de ponderación de todas las neuronas.
Para que la red produzca el resultado requerido, es necesario entrenarla.
El algoritmo de entrenamiento de redes neuronales (el llamado algoritmo de retropropagación) consiste en que la salida de la última capa de neuronas se compara con la muestra de entrenamiento y, a partir de la diferencia entre lo deseado y lo real, se llega a una conclusión sobre cuáles son las conexiones de deben estar las neuronas de la última capa con la anterior. Luego se realiza una operación similar con las neuronas de la penúltima capa. Como resultado, una ola de cambios en los pesos de las conexiones recorre la red neuronal desde la salida hasta la entrada. Una red neuronal en general tiene dos propiedades notables: la capacidad de aprender de un determinado conjunto de ejemplos y de reconocer (predecir) consistentemente nuevas situaciones con un alto grado de precisión, además, en condiciones de fuerte interferencia externa, como la aparición de valores contradictorios o incompletos. El entrenamiento del sistema se reduce al funcionamiento del algoritmo de selección de coeficientes de ponderación, que funciona sin la participación directa del operador.
El artículo utiliza materiales del libro “Sistemas de protección perimetral”.
Autores: G. F. Shanaev, A. V. Leus, bajo la dirección general de S. I. Korchagin.
El libro fue publicado por la editorial Security Focus (Moscú).
Información detallada secnews.ru/articles/16357.htm