Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

тся ослабить интенсивность проходящего по нему света примерно в 10 раз. Что уж говорить о микродеформациях.

Оценим количество отражений луча на отдельной микродеформации оптоволокна. Пусть микродеформация представляет собой смещение порядка a = 1 мм на длине l = 10 см. Обозначим угол поворота за γ, а радиуса поворота – за r. Тогда из геометрических соотношений r × sin(γ/2) = l/2 и r × cos(γ/2) + a = r нетрудно получить выражения γ = 8a/l – 32/3 × (a/l)3 = 0,08 рад и r = l2/8a + a/2 = 1,25 м (рис. 2.5.16а). Предельный угол α, соответствующий ровно одному отражению в оптоволокне диаметром d, изогнутом по окружности радиуса r, найдем из соотношения (r + d) × cos(α/2) = r; он сотавит α = (8d/r)1/2 (рис. 2.5.16б). Ясно, что минимальный радиус изгиба, при котором нарушается условие полного внутреннего отражения, очень мал rПРЕД = 8d / (2 × ЧА)2 = 2×0,000009/0,122 = 1,25 мм. Путь, проходимый лучом между двумя отражениями, равен S = αr = (8dr)1/2. Одна средняя микродеформация добавляет приблизительно n отражений, n = γ/α = (a/d)1/2 = (0,001/0,000009)1/2 = 11. В случае малых деформаций (a << l) число n не зависит от длины l.

Рис. 2.5.16 Изгиб оптоволокна

На пяти оборотах оптоволокна вокруг карандаша луч света испытывает N = 10π/α = 10π/(8×0,009/10)1/2 = 370 отражений, теряя 90% энергии. Следовательно, доля энергии, теряемой на каждом отражении, составляет δ = ln10/N = 0,006 (так как (1 – δ)N = 0,1). На микродеформации будет потеряна доля энергии ε, равная ε = 1 – (1 – δ)n = 0,07 от первоначальной. Подобные изменения невелики, но вполне различимы на фоне естественных флуктуаций излучения лазера, наводок или скачков питания. В технике связи они несущественны, поскольку амплитуда сигнала не несет передаваемой информации. Приведенные соотношения носят качественный характер, так как отражение отражению рознь; доля энергии, теряемой на каждом отражении, зависит от угла α, сокращаясь при его уменьшении.

Более эффективно использование в качестве источника информации такого параметра, как фаза колебаний. Излучаемая лазером длина волны λ = 1550 нм измеряется в вакууме. В кварце она сокращается в n раз (n – коэффициент преломления кварца, n = 1,5) и составляет λКВ = λ/n = 1550/1,5 = 1000 нм. Удлинение оптоволокна на средней микродеформации (рис. 2.5.16а) оценивается величиной Δl = γr – l = 8a2/3l = 27 мкм. В единицах длины волны λКВ удлинение составит Δl/λКВ ≈ 30. Этого более чем достаточно для его фиксации, так как сдвиг фаз всего на половину длины волны λКВ/

2 меняет черное на белое,а белое на черное в интерференционной картине, с помощью которой наблюдается данный сдвиг.

Для измерения разности фаз необходимы два луча, один из которых претерпевает обнаруживаемую задержку, а второй является опорным для получения интерференционной картины. Оба луча могут проходить через чувствительные световоды, лишь бы деформации не были идентичными. Три основных метода обнаружения микродеформаций отличаются способом задания опорного луча. Они носят названия двухлучевой интерференции, межмодовой интерференции и пространственной интерференции.

Метод двухлучевой интерференции (или просто интерференционный) состоит в расщеплении излучения лазера на два идентичных луча (полупрозрачным зеркалом). Оба луча проходят через одинаковые световоды двух кабелей, разнесенных в пространстве. После прохождения световодов лучи направляются на общий фотоприемник, который фиксирует изменение интерференционной картины, связанное с деформацией одного из кабелей относительно другого.

Метод межмодовой интерференции заключается в фиксации изменений интенсивности одних мод излучения относительно других. Все моды генерируются одним лазером и проходят через общий многомодовый оптоволоконный кабель. Метод позволяет отсеивать помехи, проявляющиеся в виде синхронного изменения всех мод, связанные с нестабильностью излучателя или другими факторами общего характера.

Метод пространственной интерференции также использует в качестве опорных и измерительных лучей различные части излучеия, прошедшего через многомодовый световод. В ходе распространения по оптоволокну луч расщепляется на составляющие, которые приходят на фотоприемник по разным траекториям. На выходе оптоволокна автоматически формируется интерференционная картина, для регистрации которой необходим специальный пространственно-чувс- твительный фотоприемник (наподобие того, который используется в лазерной мыши).

И все же основной источник помех и ложных срабатываний находится не в лазере и не в оптоволокне. Он общий для всех вибрационных СО и связан с естественными источниками колебаний – ветром, животными, птицами. В борьбе с ними полезны хорошо зарекомендовавшие себя общеприменимые методы фильтрации электрических сигналов.

Оптоволоконные СО, как и большинство протяженных вибрационных, допускает четыре варианта установки: на полотне забора в несколько рядов в верхней части; на подвижном козырьке или колючей ленте, располагаемых по верху ограждения; в земле под забором против подкопа; в грунте против наступания на землю. В последнем случае кабель закапывается на небольшой глубине около 10 см параллельными линиями через 0,2…0,4 м общей шириной полосы несколько метров, а повышению чувствительности способствуют металлические или пластиковые решетки или сетки, накладываемые снизу и сверху на чувствительный кабель.

В основе работы сейсмического СО лежит фиксация колебаний грунта, возникающих под действием отдельных шагов человека. Сейсмическое СО может называться также сейсмическим датчиком или геофонным извещателем. Оно является полностью пассивным и внешним, так как устанавливается непосредственно в землю.

Типичный чувствительный элемент СО данного типа – сейсмометрический датчик (геофон). Подобные датчики широко используются в сейсморазведке при зондировании недр земли. Они характеризуются высокой чувствительностью, стабильностью параметров и невысокой ценой. Геофон представляет собой небольшой цилиндр диаметром 20…60 мм и высотой 30…70 мм (рис. 2.6.1). На нижнем основании цилиндрического корпуса жестко закреплен заостренный наконечник

длиной 40…70 мм, обеспечивающий надежный механический контакт с грунтом. Геофон втыкается в дно вырытой ямки и засыпается землей с последующим легким утрамбовыванием. На корпусе сейсмодатчика имеется проволочная петля, позволяющая при необходимости выдернуть его из земли как морковку.

По своему принципу действия геофон подобен динамическому микрофону. Внутри алюминиевого корпуса находится кольцеобразный магнит. В зазоре между полюсами магнита свободно перемещается легкая катушка, которая воспринимает внешние колебания. Пружина удерживает катушку в начальном равновесном положении. Специальный демпфер гасит собственные колебания катушки, препятствуя возникновению колебаний на резонансной частоте датчика. При движении катушки в постоянном магнитном поле в ней наводится ЭДС, прямо пропорциональная скорости перемещения катушки. Таким образом, геофон является датчиком виброскорости. В зависимости от ориентации катушки внутри датчика он может регистрировать вертикальные или горизонтальные колебания. Датчик с тремя взаимно перпендикулярными катушками воспринимает колебания вдоль каждой из трех координатных осей. Соответствующие сейсмодатчики называются вертикальными, горизонтальными или трехкоординатными. Наиболее распространены геофоны вертикального типа.

Сейсмодатчик является точечным ЧЭ. Он устанавливается в грунт на глубину не менее 0,1 м (против слу-

чайного повреждения) и не более 0,4 м (чтобы избежать излишних земляных работ, не обеспечивающих какого-либо выигрыша). Радиус ЗЧ одного геофона в значительной степени зависит от типа грунта и может составлять от нескольких метров в мягком грунте до нескольких сотен метров в жестком скальном. Множество точечных ЧЭ можно превратить в один линейный, соединив их последовательно и устанавив на расстоянии менее диаметра ЗЧ (3…10 м) друг от друга. В одну линию (гирлянду или косу) длиной до 120 метров можно объединить до 40 геофонов.

Описание физической модели обнаружения сейсмического СО необходимо начать с анализа сейсмических волн и типов грунтов. Сейсмические волны представляют собой упругие колебания, распространяющиеся в земле от точек ударов, взрывов, землетрясений и тому подобных воздействий. Они характеризуются амплитудой колебаний и скоростью распространения. Сейсмические волны делятся на объемные и поверхностные. Объемные волны распространяются равномерно во все стороны, поверхностные – вдоль границы земли с воздухом. Интенсивность объемных волн убывает пропорционально квадрату расстояния от источника; интенсивность поверхностных – пропорционально первой степени расстояния. Объемные волны, в свою очередь, делятся на продольные (P) и поперечные (S), а поверхностные – на волны Рэлея (R)

иЛява (L).

Впродольных волнах частички грунта совершают колеблания вдоль направления распространения вол-

ны. Скорость волн данного типа составляет vP = (E/ ρ)1/2, где E – модуль упругости среды, ρ – ее плотность. В поперечных волнах частички грунта совершают колеблания перпендикулярно направлению распростра-

нения волны. Скорость поперечных волн равна vS = (G/ρ)1/2, где G – модуль сдвига. Она всегда меньше скорости vP. Отношение vP / vS составляет в среднем 2 и может меняться от 1,5 для плотных скальных пород до 3 для рыхлых песчаных. Объемные волны распространяются от очагов землетрясений или взрывов.

От мест воздействия различных объектов на грунт распространяются поверхностные волны – Рэлея и

Лява. Волна Лява – поперечная горизонтальная; ее скорость vL меньше, чем скорость объемных продольных и поперечных. В волнах Рэлея частицы грунта совершают колебания в вертикальной плоскости, проходящей вдоль направления распространения волны. Траектория колебания представляет собой эллипс, большая полуось которого вертикальна, а малая – горизонтальна. Скорость волны Рэлея vR меньше скоростей волн всех других типов: продольных, поперечных и Лява. Она составляет vR = 0,92vL. Амплитуда поверхностных волн весьма быстро убывает с глубиной, поэтому они и распространяются вдоль границы земли и воздуха. Глубина их проникновения составляет l = (0,3…0,5)λ, где λ – длина волны. Таким образом, значительная часть энергии колебаний, производимых идущим человеком, сосредоточена в узком поверхностном слое земли. Реальные сейсмические волны обычно представляют собой сложную комбинацию элементарных объемных и поверхностных волн, с трудом выделяемых в чистом виде, поэтому далее возможен чисто качественный анализ ситуации.

Основные сейсмические свойства грунтов представлены в таблице 2.6.1. Здесь же для сравнения приведены свойства других сред – воздуха, воды и льда. Грунты характеризуются широким разбросом плотностей и скоростей распространения сейсмических волн.

Амплитуда колебаний по мере распространения поверхностной волны убывает пропорционально корню квадратному из расстояния, в связи с распределением энергии волны по окружности возрастающего радиуса. Однако, кроме этого, часть энергии необратимо рассеивается на деформацию грунта, что учитывается коэффициентом поглощения γ. При этом амплитуда колебаний при прохождении расстояния x пропорциональна exp(–γx). Коэффициент поглощения возрастает с ростом пористости и влажности грунтов. Плотные скальные породы обладают γ = (10–5…10–3) 1/ м, рыхлые осадочные – γ = (10–3…0,5) 1/м. Это означает, что амплитуда колебаний в болотистой почве может уменьшаться в e = 2,7 раз при прохождении всего двух метров.

Таблица 2.6.1 Сейсмические свойства грунтов

Приведенные данные позволяют провести оценку амплитуды колебаний, производимых в грунте от шагов человека. На каждом шаге центр тяжести поднимается на высоту h = 0,05…0,15 м (в среднем – на 0,1 м). Энергия, передаваемая на каждом шаге в грунт, составляет WШ = mgh, где m – масса человека (m = 50…200 кг), g – ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с2). Средняя плотность энергии волны равна w = 0,5ρ(AV)2, где AV – амплитуда скорости колебаний. Полная энергия волны на расстоянии R от места наступания без учета поглощения энергии грунтом составит W(R) = 2πRlvT×0,5ρ(AV)2, где T – продолжительность активного контакта ноги с грунтом (T = 0,1…1,3 с). Приравнивая оба выражения с учетом КПД η (η = 0,02…0,5 – в зависимости от типа грунта, обуви, наличия травы и т. п.), а также учитывая коэффициент поглощения γ, получим выражение для амплитуды скорости колебаний AV = (ηmgh / (πRlvTρ))1/2 × exp(–γR). Степень убывания амплитуды от R не слишком сильная, что определяет широкую ЗО сейсмического СО и высокий уровень помех от удаленных источников. Полезный сигнал на расстоянии R = 3 м имеет среднее значение AV = (0,1×70×9,8×0,1 / (3,14×3×3×200×0,4×1700))1/2 × exp(–0,05×3) = 1,1 мм/с. Оно вполне может быть измерено доступными средствами. Однако, диапазон изменения полезных сигналов (на том же расстоянии R = 3 м) велик; амплитуда может меняться в мягком влажном грунте от AV = (0,02×50×9,8×0,05 / (3,14×3×3×100 ×1×1700))1/2 × exp(–0,5×3) = 0,07 мм/с до AV = (0,1×200×9,8×0,15 / (3,14×3×1×50×0,1×1500))1/2 × exp(–0,01×3) = 20 мм/с, а в плотном скальном грунте от AV = (0,02×50×9,8×0,05 / (3,14×3×50×2000×1×2300) )1/2 × exp(–0,001×3) = 0,014 мм/с до AV = (0,5×200×9,8×0,15 / (3,14×3×10×1000×0,1×2100))1/2 × exp(–0,00001×3) =2,7 мм/с.

Столь же велик и диапазон изменения помеховых воздействий. Наиболее точное представление о нем дают сейсмограммы – графические записи колебаний земли, получаемые в ходе контроля за землетрясениями. Подобные записи ведутся в течение длительного времени во многих местах; по ним накоплен большой

опыт. Помеховые колебания земли называются микросейсмами. Их спектр (5…100 Гц) лежит в полосе полезных сигналов. В таблице 2.6.2 представлены типичные данные для максимальных значений шума в течение нескольких минут, взятые из записей, проведенных в Москве. Землетрясение в 4 балла отчетливо выделяется на сейсмограмме, хотя многие люди его даже не заметили. Записи проводятся с целью обнаружения землетрясений, поэтому для них выбираются тихие места, удаленные от транспортных потоков и других источников сейсмических помех. Близкие значения будут характерны и для других городов. Сравнение оценок амплитуд колебаний от полезных и помеховых воздействий показывает, что удовлетворительные значения отношения сигнал/шум могут быть достигнуты только вне города.

Датчики вибрации весьма разнообразны. Они применяются для изучения и прогнозирования землетрясений, сейсморазведки, контроля сотрясений мостов, зданий, плотин, измерения вибрации различных механизмов. Из всего их многообразия можно подобрать те, которые наиболее подходят для использования в составе сейсмического СО. Такие ЧЭ должны обладать чувствительностью, достаточной для измерения колебаний в диапазонах амплитуды A = 0,01…10 мм или скорости AV = 0,02…20 мм/с или ускорения AW = 0,2…200 мм/с2. Параметры некоторых близких по характеристикам датчиков приведены в таблицах 2.6.3 (пьезоэлектрические) и 2.6.4 (электродинамические). Пьезоэлектрические датчики по сравнению с электродинамическими работают в более широком диапазоне частот (0,15…10000 Гц),но они менее чувствительны (без усилителя – 0,1…1 мВ/(м/с2)) и обладают большим уровнем собственных шумов. Наиболее подходящие ЧЭ – электродинамичесие СВ-5 или СВ10. При сравнительно небольшой цене (около 600 рублей) они обладают удовлетворительными характеристиками. Коэффициент затухания 0,5…0,6 обеспечивает гранично апериодическое затухание собственных колебаний, то есть выходной сигнал геофона не имеет «хвостов» на резонансной частоте датчика.

Таблица 2.6.3 Пьезоэлектрические датчики вибрации

Зная примерные уровни колебаний земли от различных источников, можно оценить значения сигналов на выходе сейсмодатчика. Возьмем в качестве ЧЭ геофон СВ-10. При чувствительности 18 В/(м/с) на его выходе будут присутствовать электрические сигналы следующей величины: средний сигнал от человека на расстоянии 3 м составит U = 0,0011×18 = 0,02 В; диапазон изменения полезных сигналов на расстоянии 3 м

–(0,00007…0,02)×18 = (0,0013…0,36) В; уровень помех

–до 0,0018 В. Закопав датчик в землю острием вниз, подключим его ко входу осциллографа и сделаем несколько шагов. Будем наблюдать сигналы на выходе геофона. Форма сигнала от отдельного удара по поверхности грунта имеет следующий вид (рис. 2.6.2). Сначала идет резкое нарастание до максимального значения, называемое атакой; затем – медленное колебательное убывание. Период колебаний составляет 0,03…0,05 с. Их наличие связано не с собственными колебаниями датчика (10 Гц), а с фильтрующими свойствами грунта. Собственная частота почвенного слоя составляет 20…30 Гц; в мягкомо влажном болотистом грунте она уменьшается до 5…10 Гц; в жестком плотном скальном – увеличивается до 100…200 Гц. Полная длительность сейсмоимпульса составит 0,1…0,3 с (3…10 периодов). Амплитуда импульсов по мере приближения человека к геофону возрастает, но не монотонно, а хаотически: амплитуда может сначала увеличиваться, затем слегка уменьшаться и далее вновь продолжать расти.

Рис. 2.6.2 Форма сейсмосигнала

Полученные данные позволяют сформировать алгоритм работы сейсмического СО (рис. 2.6.3). Прежде всего, резонансная частота ЧЭ не должна превышать 10…20 Гц. Сигнал с выхода ЧЭ необходимо усилить примерно в 10000 раз (для обнаружения на расстояниях 3…5 м). Этой цели служит усилитель У. Сигнал с его выхода поступает на фильтр Ф с полосой пропускания от 5…10 до 40…100 Гц. Сохранять более высокие частоты нецелесообразно, так как вряд ли удастся закопать геофон в скальный грунт. Находящийся далее детектор огибающей ДО сглаживает колебания, преобразуя за-

тухающие синусоиды в отдельные положительные импульсы. Компаратор К с порогом по амплитуде величиной в несколько вольт и по длительности 0,1 с формирует цифровые импульсы в ответ на каждый шаг. Накопитель Н вырабатывает сигнал тревоги при поступлении от нескольких единиц до нескольких десятков импульсов в течение 20…60 секунд. РТ формирует сигнал срабатывания. Изменение порога компаратора регулирует чувствительность датчика. СО не будет нуждаться в ручной регулировке, если заменить компаратор с набором фиксированных порогов на компаратор с плавающим порогом, величина которого пропорциональна уровню шума.

Рис. 2.6.3 Сейсмическое СО

Блок-схема (рис. 2.6.3) допускает десятки различных вариантов реализации в виде электронных схем. Один из них выполнен на четырех аналоговых и пяти цифровых микросхемах (рис. 2.6.4). Сигнал с геофона СВ-10 поступает по экранированному кабелю на первый каскад усиления на микросхеме DA1.1. Его коэффициент усиления равен K = (1 + R4 / R5) × (R3 / R1) = 100. Одновременно каскад служит фильтром нижних частот с частотой среза f = 1/(2πR3C2) = 70 Гц. Входные элементы C1, R1 отфильтровывают постоянную составляющую сигнала и фликкер-шумы в диапазоне частот до одного герца.

Второй каскад усиления на элементах DA1.2, C3, C4, R6…R11 поднимает уровень сигнала еще в 30 раз (30 = (1 + R10 / R11) × (R9 / R7)). Он же выполняет функцию полосового фильтра от fН = 1/(2πR6C3) = 5 Гц до fВ = 1/(2πR9C4) = 70 Гц.

Коэффициент усиления третьего каскада регулируется переменным резистором R16 в пределах K = (1 + R16 / R17) = 1…10. Регулировка позволяет увеличивать или уменьшать радиус зоны чувствительности датчика и оптимизировать его параметры под тип грунта. Регулировка проводится один раз во время установки СО. Третий каскад проводит окончательную фильтрацию сигналов в полосе от fН = 1/(2πR12C5) = 10 Гц до fВ = 1/(2πR15C6) = 40 Гц.

Усиленные сигналы от каждого шага человека имеют вид двухполярных периодических затухающих импульсов. Чтобы выделить отдельный импульс от каждого шага, необходим детектор огибающей. Он состоит из двухполупериодного выпрямителя, на выходе которого – абсолютная величина (модуль) входного сигна-