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Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Installieren von faseroptischen Kabeln und ein System und ein Verfahren zum Messen von Bodenschwingungen.
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Hintergrund
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Sensorsysteme unter Verwendung von vergrabenen optischen Fasern sind an Orten zum Überwachen von Eindringen eingesetzt worden. Bei solchen Systemen wird ein vergrabenes faseroptisches Sensorkabel zum Überwachen und Erkennen von akustischen und seismischen Bodenwellen benutzt, die winzige Verschiebungen erzeugen, die durch Fremdeindringen wie Gehen, Kriechen, Laufen, Graben von Menschen sowie örtliche Fahrzeugbewegungen auf der Straße und abseits der Straße erzeugt werden. Der Boden um das Kabel herum kann jedoch solche Schwingungen dämpfen, was zu einer verminderten Leistung führt.
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Aufgrund der äußerst komplexen Struktur von Bodenmasse hängt die Dämpfungseigenschaft erheblich von den Bodentypen ab. Boden besteht aus einer Ansammlung von festen Partikeln unterschiedlicher Größen und Formen, die ein Gerüst bilden, und deren Hohlstellen mit Wasser und Gas oder Luft gefüllt sind. Petrophysikalische und lithologische Eigenschaften wie Porösität, Sättigungsgrad und Tongehalt haben einen deutlichen Einfluss auf die Ausbreitungseigenschaften von akustischen und schwingenden Wellen von Boden und Gestein.
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Es wurde eine Reihe von Techniken zum Verbessern der Empfindlichkeit von vergrabenen Bodensensoren vorgeschlagen, wenn ein Eindringling darüber geht. In einer früheren Technik wird ein faseroptischer Sensor in ein Gitter eingewebt und vergraben, um zu gewährleisten, dass der Eindringling auf den Boden über der Faser tritt. Dieses Verfahren hat eine Reihe von Nachteilen, einschließlich: (1) es ist nicht möglich, beim Verfüllen sicherzustellen, dass Raum vorhanden ist, damit sich die Faser verformen oder entspannen kann, um auf einen Eindringling anzusprechen; (2) wenn sich der Verfüllboden im Laufe der Zeit verfestigt und verdichtet, dann wird dadurch der Porenraum reduziert und demzufolge wird die Ansprechung des Gitters und der Faser reduziert/gestoppt (d.h., das Gitter- und Fasersystem wird im Boden „eingeschlossen“; und (3) die Situation kann sich an Orten mit Tonverfüllung und häufigem Regen verschlechtern, wo nasses Verfüllmaterial härter wird und eine Bewegung oder Verformung des Gitters erschwert und verhindert.
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Es besteht Bedarf an einem alternativen vergrabenen faseroptischen Eindringerkennungssystem.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Installieren eines faseroptischen Kabels zum Messen von Bodenschwingungen zur Verfügung, wobei das Verfahren umfasst:
- Befestigen des faseroptischen Kabels an einer Außenwand eines elastischen Tragelements mit wenigstens einem Hohlraum darin, und
- Vergraben des faseroptischen Kabels und des Tragelements.
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In einer Ausgestaltung kann das elastische Tragelement eine Leitung sein und das Befestigen des faseroptischen Kabels an einer Außenwand der Leitung kann das Festklemmen des faseroptischen Kabels an der elastischen Leitung mittels Klammern umfassen.
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In einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner das Pflocken der elastischen Leitung in den Boden durch in den Klammern ausgebildete Löcher umfassen.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Vergraben des faseroptischen Kabels und des Tragelements, so dass das faseroptische Kabel über dem Tragelement positioniert ist.
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In einer Ausgestaltung kann das Verfahren auch ferner das Schließen der Leitung an beiden Enden umfassen, um das Eindringen von Fluid und/oder feinen Partikeln zu vermeiden.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Vergraben das Verlegen des faseroptischen Kabels und des Tragelements im Boden, um einen gewundenen Pfad zu bilden.
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In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen von Bodenschwingungen zur Verfügung, umfassend:
- ein elastisches Tragelement mit wenigstens einem Hohlraum darin;
- ein faseroptisches Kabel, das an einer Außenwand des Tragelements befestigt ist; und
- eine Sensoreinheit zum Ausbreiten von Licht in das faseroptische Kabel, Analysieren des zurückgestreuten Lichts von dem faseroptischen Kabel und Verarbeiten von Variationen in dem zurückgestreuten Licht, um externe Bewegungen zu erkennen.
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In einer Ausgestaltung kann das Tragelement aus weichem PVC gefertigt sein. In einer Ausgestaltung kann das Tragelement eine Leitung sein.
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In einer Ausgestaltung ist die Leitung eine zylindrisch geformte Röhre. In einer Ausgestaltung beträgt der Durchmesser der Röhre zwischen 15 mm und 50 mm.
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In einer Ausgestaltung ist die Leitung eine rechteckig geformte Röhre. In einer Ausgestaltung kann die Höhe der rechteckigen Röhre zwischen 20 mm und 50 mm und die Breite der Röhre zwischen 100 mm und 300 mm betragen.
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In einer Ausgestaltung ist die Leitung eine elliptisch geformte Röhre. In einer Ausgestaltung hat die Nebenachse eines Querschnitts der elliptischen Röhre eine Länge zwischen 20 mm und 50 mm und die Hauptachse des Querschnitts der elliptischen Röhre hat eine Länge zwischen 75 mm und 300 mm.
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In einer Ausgestaltung kann die Sensoreinheit ein phasenempfindliches optisches Zeitbereichsreflektometer (OTDR) für Lichtausbreitung in dem faseroptischen Kabel und zum Analysieren von aus dem faseroptischen Kabel austretendem Licht umfassen.
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In einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Bodenschwingungen zur Verfügung, umfassend:
- Ausbreiten von Licht in ein faseroptisches Kabel, das an einem elastischen Tragelement mit wenigstens einem Hohlraum darin befestigt ist,
- Analysieren des zurückgestreuten Lichts von dem faseroptischen Kabel, und
- Verarbeiten von Variationen in dem zurückgestreuten Licht, um externe Bewegungen zu erkennen.
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Das elastische Tragelement kann eine Leitung sein.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Ausbreiten von Licht das Emittieren von Licht von einer Laserquelle und das Richten des Lichts in das faseroptische Kabel.
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In einer Ausgestaltung kann das Ausbreiten von Licht ferner das Unterteilen der Sensorkabellänge in eine Serie von Bins umfassen, deren Breite durch eine Abtastrate des Steuergeräts bestimmt wird.
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In einer Ausgestaltung kann das Analysieren des zurückgestreuten Lichts das Analysieren des zurückgestreuten Lichts von jedem aus der Serie von Bins umfassen. In einer Ausgestaltung umfasst das Verarbeiten von Variationen in dem zurückgestreuten Licht das Analysieren des zurückgestreuten Lichts, um festzustellen, ob es ein Muster enthält, das das Ergebnis eines Fremdeindringens ist.
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In einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner das Bestimmen des Orts eines Musters entlang dem faseroptischen Kabel beinhalten, das ein Ergebnis eines Fremdeindringens ist.
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Figurenliste
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Um ein klareres Verständnis der Erfindung zu vermitteln, werden Ausgestaltungen nun beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 2A, 2B und 2C ein Beispiel für eine Klammer zum Befestigen des faseroptischen Sensors an der Leitung;
- 3 ein Foto der in 2A, 2B und 2C gezeigten Klammer;
- 4A eine schematische Endansicht der im Boden vergrabenen Vorrichtung von 1;
- 4B eine schematische Seitenansicht entsprechend 4A;
- 5A eine schematische Endansicht eines im Boden vergrabenen faseroptischen Sensorkabels gemäß dem Stand der Technik;
- 5B eine schematische Seitenansicht entsprechend 5A;
- 6A ein schematisches Diagramm einer standardmäßigen „Delphinschwanz“-Musterkonfiguration;
- 6B einen Teil des „Delphinschwanz“-Musters von 6A;
- 7 ein schematisches Diagramm einer optischen Konfiguration für das Prüffeld;
- 8 ein Diagramm der durchschnittlichen Signalintensität anhand der parallelen Distanz von einem flach vergrabenen Sensor mit und ohne die Leitung;
- 9 eine Raum-Zeit-Darstellung von 7 Schritten einer Person, die auf dem über einer Röhre verlegten Sensor mit der Leitung geht; und
- 10 eine Raum-Zeit-Darstellung von 7 Schritten einer Person, die auf dem Sensor ohne die Leitung geht.
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Ausführliche Beschreibung
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Vergrabene faseroptische Eindringerkennungssysteme von Ausgestaltungen der Erfindung analysieren Änderungen der Ausbreitung von Licht in einem im Boden vergrabenen faseroptischen Kabel. Das Lichtsignal wird durch externe Bewegungen beeinflusst, die beispielsweise durch menschliche Schritte verursacht werden. Im Laufe der Zeit neigt der Boden um das vergrabene faseroptische Kabel herum sich zu verdichten, was eine Reduzierung der Empfindlichkeit des optischen Sensors für Bodenbewegungen verursacht. So haben Ausgestaltungen der Anmeldung eine besondere, aber nicht ausschließliche, Anwendung in Sicherheitssystemen zum Schützen von Eingrenzungen, Landesgrenzen, Pipelines und Daten-/Kommunikationsnetzen vor Eindringen, Ausgraben, Diebstahl, Terrorismus- oder Spionageaktivitäten.
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Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wenden ein vorteilhaftes Verfahren zum Installieren eines faseroptischen Kabels zum Messen von Bodenschwingungen an. Das Verfahren beinhaltet das Befestigen des faseroptischen Kabels 120 an einer Außenwand eines elastischen Tragelements mit wenigstens einem Hohlraum darin. In einer Ausgestaltung ist das elastische Tragelement eine elastische Leitung 180. Das Verfahren der Ausgestaltung beinhaltet das Vergraben des faseroptischen Kabels 120 und der Leitung 180. Auf diese Weise werden Schwingungen der flexiblen Leitung 180 als Reaktion auf externe Bewegungen auf das Sensorkabel 120 übertragen, was die Empfindlichkeit des Eindringerkennungssystems 100 verbessert.
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In einer Ausgestaltung wird das faseroptische Kabel 120 an der Oberseite der Leitung befestigt, so dass, wenn das faseroptische Kabel 120 und die Leitung 180 vergraben werden, das faseroptische Kabel 120 der Oberfläche des Bodens am nächsten liegt. In anderen Ausgestaltungen könnte sich das faseroptische Kabel jedoch auch an einem anderen Teil der Außenfläche der Leitung 180 befinden.
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Faseroptische Kabelsensoren haben den Vorteil von RF-und EM-Störfestigkeit und benötigen beim Betrieb keinen Strom im Feld. Die faseroptische Eindringerkennungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausgestaltung ist in 1 schematisch dargestellt und beinhaltet ein Steuergerät 110, ein faseroptisches Sensorkabel 120, eine Sensorfaser 140 und einen Endsensor 160.
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Das Steuergerät 110 kann zum Beispiel ein FFT Aura Controller sein, der von Future Fibre Technologies Ltd (www.fftsecurity.com) erhältlich ist. In einer Ausgestaltung nutzt das Steuergerät 110 OTDR-(phasenempfindliches optisches Zeitbereichsreflektometer)-Technologie zum Erkennen von akustischer und seismischer Energie, die eine winzige Verschiebung an dem Sensorkabel 120 bewirkt. Das Steuergerät 110 ist ein phasenempfindliches OTDR und ist sehr empfindlich für niedrige Frequenzen und erfordert lediglich Zugang zu einem Ende einer optischen Einmodenfaser zum Arbeiten. Andere faseroptische Erfassungstechnologien wie Phaseninterferometie können ebenfalls zum Durchführen der Erfassung benutzt werden. Zum Beispiel können in anderen Ausgestaltungen Michelson oder Mach-Zehnder (MZ) Interferometer eingesetzt werden.
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In einer Ausgestaltung wird das Sensorkabel an einer flexiblen Leitung 180 aus PVC befestigt. Die Leitung kann auch aus anderen Materialien wie Nylon, Gummi oder einem Polyethylenmaterial gefertigt sein. In einem Beispiel ist die Leitung 180 ein HDPE-(Polyethylen hoher Dichte)-Schlauch. Die Leitung 180 verformt sich, wenn sie direkt oder lokal mit einer Last beaufschlagt wird, wobei durch die Verformung das Faserkabel 120 verschoben wird, wodurch ein Ereignis erzeugt wird. Da die Leitung flexibel genug sein muss, um sich bei geringen Kräften zu verformen, wird bevorzugt eine Leitung 180 mit relativ kleinem Durchmesser verwendet. Die Enden der Leitungen werden mit Endkappen verschlossen, um das Eindringen von Wasser und feinen Bodenpartikeln zu verhindern. In einigen Ausgestaltungen können Verbindungsstücke benutzt werden, um Leitungsabschnitte miteinander zu verbinden, oder Leitungsabschnitte können mit Endkappen verschlossen und an benachbarten Abschnitten befestigt werden.
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Weiches PVC ist aufgrund seiner Materialeigenschaften besonders geeignet, die wie folgt lauten:
- • Das Materialverhalten ist in einem kleinen Beanspruchungsbereich elastisch:
- Die Leitung behält ihre Form bei, wenn sie geringen Belastungen ausgesetzt wurde.
- • Die Bruchfestigkeit ist hoch: Die Möglichkeit für die Entstehung von Rissen bei Verdichtung oder Belastung ist niedrig.
- • Gute Korrosionsbeständigkeit.
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Gummi ist ein anderes geeignetes Material, das die weitere vorteilhafte Eigenschaft besitzt, Elastizität über einen breiten Temperaturbereich beizubehalten. In anderen Ausgestaltungen könnten Materialien mit ähnlichen Eigenschaften für die Leitung 180 benutzt werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Leitung 180 aus weichem PVC mit einem E-Modul zwischen 400 und 1000 MPa gefertigt. In einer Ausgestaltung kann die Leitung 180 aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) oder Polyethylen hoher Dichte (HDPE) gefertigt sein.
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Die Leitung 180 kann zylindrisch geformt sein wie in 2B gezeigt, mit einem Durchmesser von 15 mm bis 50 mm. In einer Ausgestaltung beträgt der Durchmesser etwa 29 mm. In einer anderen Ausgestaltung beträgt der Durchmesser etwa 25mm.
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Es ist zu beachten, dass die Leitung in anderen Ausgestaltungen mit anderen Formen und Abmessungen gebildet sein kann. In einigen Ausgestaltungen hat die Leitung einen elliptischen Querschnitt. Die Nebenachse des Querschnitts der Leitung hat eine Länge zwischen 20 mm und 50 mm, die Hauptachse des Querschnitts der Leitung hat eine Länge zwischen 75 mm und 300 mm.
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In einer Ausgestaltung werden die Leitung 180 und das Sensorkabel 120 mit Klemmmitteln in Form der Klammern 210 befestigt, die ausführlicher in 2A, 2B und 2C und 3 zu sehen sind. Der Abstand zwischen den Klammern wird so gewählt, dass die Kabel fest an der Röhre gehalten werden, während die Flexibilität der Röhre beibehalten bleibt. Wenn der Abstand zu gering ist, dann kann sich das Sensorkabel nicht bewegen, wenn der Abstand zu groß ist, dann kann das Sensorkabel von der Leitung abrutschen. In beiden Fällen wird die Empfindlichkeit des Sensorkabels reduziert. Die Klammern können beispielsweise einen Abstand von einem Meter haben.
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Die Klammern 210 werden an der Leitung 180 befestigt und haben jeweils eine Halterung 225 zum Befestigen des Kabelsensors 120 an der Leitung 180.
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Die Klammern haben ferner ein unteres Ende 240 gegenüber der Halterung, das im Allgemeinen breiter ist als die Halterung, um die Leitung 180 aufzunehmen. In der in 2A, 2B und 2C gezeigten Ausgestaltung weist das untere Ende 240 zwei Finger 230 auf, die von der Mittellinie (A-A) der Klammer symmetrisch beabstandet sind.
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In einigen Ausgestaltungen sind die Finger 230 asymmetrisch von der Mittellinie der Klammer beabstandet. In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Klammer nur einen Finger 230 und in noch anderen Ausgestaltungen umfasst die Klammer mehr als zwei Finger.
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Die Klammern 210 umfassen ferner ein Loch 220, durch das ein Pflock eingeführt werden kann, um die Leitung 180 (und somit das Kabel) an den Boden zu pflocken.
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Das Verfahren des Klammerns bietet eine effiziente Kopplung zwischen dem Kabel und den Leitungsflächen, ohne die Flexibilität oder Verformung der Leitung zu stören.
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Zusätzlich lassen sich die Klammern leicht verstellen, so dass der Abstand zwischen Befestigungspunkten leicht je nach den oben erwähnten Anforderungen geändert werden kann.
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In einer alternativen Ausgestaltung können die Leitung 180 und das Kabel 120 mit Kabelbindern wie in der experimentellen Anordnung von 4A und 4B gezeigt befestigt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung kann das elastische Tragelement eine Luftmatratze oder eine größere Luftblase sein, um den Sensorbereich zu vergrößern.
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Es gibt mehrere Vorteile für das Einsetzen eines elastischen Tragelements wie einer Leitung in Kombination mit einem faseroptischen Kabel 120 zum Messen von Bodenbewegungen.
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Zunächst erzeugt die Leitung einen permanent luftgefüllten Raum, der eine Verformung des Fasersensorkabels 120 bei einem Eindringen zulässt.
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Zweitens bleibt der luftgefüllte Raum in der Leitung unabhängig von der Verfüllverdichtung im Laufe der Zeit gleich oder nahezu gleich dem in der Installationsstufe. Dadurch wird die Leistung des Sensorkabels 120 über lange Zeitperioden einheitlich gehalten.
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Drittens unterliegt die Faserleistung keinen Klimaeinflüssen, da die Enden der Leitung mit Endkappen verschlossen werden, um das Eindringen von Wasser zu verhindern und den Raum luftgefüllt zu halten.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Sensorkabel 120, anstatt es in einer geraden Linie zu verlegen, in anderen Konfigurationen wie zum Beispiel in einem gewundenen Pfad wie zum Beispiel einem S-förmigen, einem „Delphinschwanz“- oder Serpentinenpfad verlegt werden.
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Es kann zwar eine Reihe von Kabelmustern zum Erhöhen der Wahrscheinlichkeit der Erkennung eines Fußgängers in einem verdeckten, vergrabenen Sensorsystem benutzt werden, aber ein „Delphinschwanz“-Muster 600 wie in 6 illustriert optimiert die Wahrscheinlichkeit der Erkennung von Schritten gegenüber der Menge an Kabel, die pro Meter Eingrenzung benötigt wird.
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Vorteilhafter Weise ergibt die „Delphinschwanz“-Konfiguration 600 eine größere Länge Erfassungskabel nahe an jedem/r Schritt/Störung, was wiederum die Erkennung von schleichendem Gehen oder kriechendem Eindringen zulässt und die Erkennung in schwierigen Bodenbedingungen (z.B. sandiger und verdichteter Ton) verbessert. In einer Ausgestaltung wird das Sensorsystem zum Erkennen mehrere Schritte modifiziert, bevor ein Eindringen signalisiert wird, um zu viele Fehlalarme zu vermeiden.
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Die Abmessungen des „Delphinschwanz“-Musters sind auf die Charakteristiken des Bodens zugeschnitten, wo das Kabel installiert ist. 6A zeigt die Abmessungen eines standardmäßigen Kabels mit „Delphinschwanz“-Muster, installiert in einem Bodentyp, der Eindringsignale effizient überträgt (d.h. Lehmboden, Kies).
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Dieses Standardmuster hat eine Breite von 1,3 m. Ein Zyklus, d.h. die Distanz zwischen zwei äquivalenten Punkten 840,860 in zwei benachbarten Delphinschwänzen beträgt 4,70 m, während die Distanz zwischen zwei benachbarten Schwänzen 840,850 und/oder die Distanz zwischen zwei benachbarten spiegelbildlichen gefalteten Abschnitten 740,750 des Kabels 0,43 m beträgt.
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In Bereichen, in denen der native Bodentyp Eindringsignale dämpft (d.h. fester harter Ton), wird ein breiteres Muster von beispielsweise 1,7 m Breite bevorzugt. Die anderen Abmessungen des Kabelmusters sind dieselben wie die des Standardmusters. In einigen Ausgestaltungen wird auch die Zykluslänge und/oder die Distanz zwischen zwei benachbarten spiegelbildlichen gefalteten Abschnitten 740,750 variiert, um die Signalübertragungseffizienz des Bodens zu berücksichtigen.
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Wie in 6B in der standardmäßigen „Delphinschwanz“-Konfiguration 600 (wie oben beschrieben) gezeigt, wird die Sensorröhre im Boden auf eine solche Weise vergraben, dass, wenn ein Eindringling lotrecht über den gesicherten Bereich geht, jeder Schritt innerhalb von 400 mm von der Sensorröhrenkabelkonfiguration liegt. Der Delphinschwanz ist aus einem linksseitigen S-förmigen Kabelmuster gebildet, das sich in einem spiegelbildlichen Kabelmuster 710 auf der rechten Seite von 6B fortsetzt.
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Die linke Seite von 6B zeigt ein Beispiel für einen Eindringling, der lotrecht über eines und auf einem der beiden Kabelmuster 700,710 geht. Die Distanz zwischen zwei Schritten 610, 620, 630 und dem nächstliegenden Teil des vergrabenen Kabels beträgt jeweils 350 mm, 390 mm und 98 mm.
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Der mittlere Teil von 6B zeigt ein Beispiel für einen Eindringling, der auf dem Raum zwischen den beiden gefalteten Abschnitten 740,750 und auf dem Segment 720 geht, wo das S-förmige Kabelmuster in das spiegelbildliche S-förmige Kabelmuster 710 wechselt. Nach dem Eintritt in den gesicherten Bereich beträgt die Distanz zwischen dem ersten Schritt 650 und den beiden gefalteten Abschnitten 740,750 des Kabels 400 mm bzw. 365 mm. Wenn der Eindringling weiter über den zweiten Abschnitt 660 geht, dann beträgt die Distanz zwischen dem Schritt und den beiden gefalteten Abschnitten 740,750 des Kabels 270 mm bzw. 220 mm, während die Distanz zu dem Segment 720, wo das S-förmige Kabelmuster in das umgekehrte S-förmige Kabelmuster wechselt, 440 mm beträgt. Schließlich beträgt, wenn der Eindringling in die dritte Position 670 außerhalb der „Delphinschwanz“-Konfiguration 600 tritt, die Distanz zwischen dem Schritt und dem nächstliegenden Abschnitt des vergrabenen Kabels 310 mm.
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Daher ist jeder Schritt innerhalb von 400 mm von der Sensorröhrenkabelkonfiguration.
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In einigen Ausgestaltungen sind die S-förmigen Konfigurationen 700,710 anders proportioniert und nicht symmetrisch beanstandet.
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Mit Bezug auf 1 umfasst ein von der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestelltes Verfahren zum Messen von Bodenschwingungen das Ausbreiten von Licht in das an der elastischen Leitung 180 befestigte vergrabene faseroptische Kabel 120, das Analysieren des zurückgestreuten Lichts von dem faseroptischen Kabel und das Verarbeiten von Variationen in dem zurückgestreuten Licht, um externe Bewegungen zu erkennen. Das Ausbreiten und Steuern des Lichts in dem Kabelsensor 120 erfolgt mit einer Sensoreinheit, die ein Steuergerät 110 beinhaltet. Wie oben angedeutet, kann das Steuergerät ein phasenempfindliches OTDR benutzen.
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Ein phasenempfindliches OTDR nutzt das konventionelle OTDR-Prinzip, indem sich ein Lichtpuls entlang einem faseroptischen Sensor 120 ausbreitet. Die Lichtquelle (nicht gezeigt) ist eine Laserquelle mit einer relativ hohen Kohärenz. Während sich der Puls ausbreitet, wird ein Teil seiner Energie aufgrund von Rayleigh-Rückstreueffekten zurückreflektiert. Dadurch wird effektiv eine sequenzielle Anordnung von Interferometern oder „Mikrofonen“ entlang dem Sensorkabel 120 eingerichtet. Ein Endsensor 160 schließt das distale Ende des Fasersensors ab und ein Fotodetektor im Steuergerät 110 wird zum Messen der zurückgestreuten Intensität benutzt, um die Reaktion jedes Interferometers zu überwachen. Wann immer ein externes Ereignis an dem Sensorkabel 120 auftritt, ändert sich die Rückstreuenergie am Eindringpunkt und kann vom System 100 erkannt werden.
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Das Steuergerät 110 unterteilt die Länge des Sensorkabels 120 in eine Serie von Bins, deren Breite durch ihre Abtastrate bestimmt wird. Software im Steuergerät kann jeden Bin analysieren und nach Mustern suchen, die das Ergebnis eines Fremdeindringens sind, und kann seinen Ort entlang dem Sensorkabel 120 erkennen.
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Versuchsergebnisse
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Um Vorteile des Systems und Verfahrens der Ausgestaltung zu demonstrieren, wurde ein Leistungsvergleich mit Eindringerkennungssystemen mit und ohne eine(r) am faseroptischen Sensor befestigte(n) Leitung durchgeführt.
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Ein Prüffeld 440 wurde für eine experimentelle Beobachtung wie in 4A bis 5B und in 7 gezeigt eingerichtet.
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Ein Feld (5 x 1,8 m) wurde auf eine Tiefe von 175 ⍰ 50 mm ausgekratzt, so dass ein Kratzbett 580 entstand. Zwei Durchläufe von 12-Faser-Bündelader-Einmodenkabel (AFL-Kabel: FQHU1CEW012BK) wurden in einem Abstand 490 von 200 mm getrennt installiert. Der erste Durchlauf 410 wurde in Abständen von jeweils 1 m direkt in den Boden gepflockt, wie in 5A und 5B gezeigt, das zweite Kabel 420 wurde mit Kabelbindern an eine weiche PVC-Röhre mit 19 mm Durchmesser gebunden und ebenfalls in Abständen von jeweils 1 m wie in 4A und 4B gezeigt in den Boden gepflockt. Der Graben wurde mit demselben Material auf eine Tiefe von 100 mm verfüllt, das beim Kratzen entfernt wurde, und leicht verdichtet, um einen Verfüllbereich 560 zu bilden. Der Rest des Verfüllbodens wurde oben verteilt und leicht verdichtet, um das Prüffeld auf dasselbe Niveau zurückzubringen wie der umliegende Boden (175 mm).
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Es wird nun die Implementierung der vorgeschlagenen Konfiguration mit Bezug auf 4A bis 5B und 7 beschrieben.
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Ein FFT Aura Controller 110 wurde an das faseroptische System angeschlossen. Das optische System bestand aus drei Hauptabschnitten, einer empfindlichen Einführung 450 in das Prüffeld 440, dem Sensorkabel 120 innerhalb des Prüffeldes und dem Endsensor 160 am fernen Ende des Sensorkabels.
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Die gesamte faseroptische Länge, über die sich der Puls ausbreitet, ist inhärent für Schwingungen empfindlich, daher ist es zwingend notwendig, dass der genaue Ort jedes Sensorlaufs für die Eindringmessung bekannt ist, und die Faserlänge bis zum Start des Sensorlaufs kann durch Software ignoriert werden.
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Der Prüfbereich hat zwei Sensoren 410,420, die optisch in Serie gekoppelt sind, sich aber parallel zu einer 200 mm Trennung 490 wie in 7 gezeigt befinden. Der erste Sensor 410 ist direkt in den Boden gepflockt (siehe 5A und 5B), der zweite Sensor ist mit einem Kabelbinder an einem 19 mm weichen PVC-Schlauch 180 befestigt und auch in den Boden gepflockt (s. 4A und 4B). Ein 20 m Pufferkabel 470 wurde zum Erzielen einer optischen Isolation zwischen diesen zwei Sensorteilen benutzt.
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Ein Endsensor 160 wird benutzt, um zu gewährleisten, dass der Puls effizient vom Sensor abgekoppelt wird, ansonsten kommt es zu einer großen Reflexion, die die letzten 20 m des Sensors verschleiert.
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Sowohl das Pufferkabel als auch der Endsensor befanden sich in vergrabenen Gruben 480.
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Es wurden einige Tests durchgeführt, um die Empfindlichkeit des an einer Leitung 180 gemäß der vorliegenden Erfindung angebrachten Faserkabels 120 gegenüber der Empfindlichkeit desselben, direkt in einem verdichteten Bodenmedium vergrabenen Faserkabels zu messen. Diese Tests wurden mit einem Eindringling von 85 kg Gewicht durchgeführt, der gleichzeitig parallel zu diesen Sensoren an verschiedenen Orten (0mm (oberhalb des Sensors), 100mm, 200mm, 300mm, 400mm, 500mm, 600mm, 700mm und 800mm) von den Sensoren läuft Die durchschnittliche Signalintensität wurde für jeden Sensor an diesen Stellen gemessen und die Ergebnisse sind in 8 bis 10 in eine Kurve eingetragen.
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8 zeigt die erkannte durchschnittliche Signalintensität gegenüber der parallelen Distanz von dem Sensor, verursacht durch einen 85 kg schweren Eindringling, der parallel und über einem flach vergrabenen Sensor mit einer 510 und ohne eine 520 weiche(n) PVC-Röhre geht. Das Ergebnis in 8 zeigt an, dass das Befestigen des Sensors, der über einer Röhre aus weichem PVC verlegt und daran befestigt ist, das Signal eines Eindringlings verstärkt, der entweder direkt über oder innerhalb von 200 mm auf beiden Seiten des Sensors ist.
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9 und 10 zeigen eine Raum-Zeit-Darstellung von sieben Schritten einer Person, die auf dem Sensor geht, der über eine Röhre aus weichem PVC (9) verlegt ist, und dem Sensor ohne die weiche PVC-Röhre (10). Beide Sensoren konnten alle Schritte erkennen, aber der an der weichen PVC-Röhre befestigte Sensor hatte eine Intensität von überlegener Stärke im Vergleich zu dem Sensor, der nicht an der weichen PVC-Röhre befestigt war.
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Schlussfolgernd erhöht/verstärkt das von der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellte System und Verfahren die Kopplung zwischen dem Fremdeindringen und dem vergrabenen Sensorkabel erheblich.
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Es sind andere Modifikationen an den Ausgestaltungen möglich, zum Beispiel könnten in einer Ausgestaltung das elastische Tragelement und die optische Faser bei einem Herstellungsprozess befestigt und als einheitliches Element installiert werden.
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Es versteht sich, dass Bezugnahmen auf Stand der Technik hierin kein Zugeständnis bedeuten, dass solcher Stand der Technik Teil des allgemeinen Fachwissens in Australien oder irgendeinem anderen Land bildet.
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In den nachfolgenden Ansprüchen und der vorangegangenen Beschreibung der Erfindung, ausgenommen dort, wo der Zusammenhang aufgrund von ausdrücklicher Sprache oder notwendiger Implikation etwas anderes erfordert, wird das Wort „umfassen“ oder Variationen wie „umfasst“ oder „umfassend“ im inklusiven Sinne benutzt, d.h. zum Angeben der Anwesenheit der angegebenen Merkmale, aber nicht um die Anwesenheit oder das Hinzufügen weiterer Merkmale in verschiedenen Ausgestaltung der Erfindung auszuschließen.
