FR2801401A1 - Systeme de detection - Google Patents
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Abstract
Dans un système de détection d'intrus reposant sur l'interruption d'un faisceau optique, le faisceau optique comprend un signal de photons isolés. Le signal optique peut être détecté au niveau d'un certain nombre d'entrées et être relié à un détecteur optique commun.
Description
La présente invention se rapporte à un système de détection d'intrus, et
en particulier à un système qui utilise un signal optique pour détecter la présence d'un intrus. Il est bien connu de construire un système de détection d'intrus en alignant une source optique et un détecteur optique, puis en enregistrant une interruption quelconque du signal optique lorsqu'un intrus passe entre la source et le détecteur. Une faiblesse significative des systèmes classiques est qu'il est possible qu'un éventuel intrus observe le trajet du signal optique, par exemple à la suite de la diffusion du signal par des particules dans l'atmosphère. Ceci rend possible que l'intrus évite le trajet du signal optique, ou bien emploie des contre-mesures pour éviter la détection. Même si le signal optique est dans le domaine de l'infrarouge, et qu'il n'est donc pas directement visible, il peut encore être observé si l'intrus utilise des aides appropriées telles que des jumelles de
vision nocturne.
Conformément à un premier aspect de la présente invention, il est réalisé un procédé de détection d'intrus comprenant: a) l'émission d'un signal optique, b) la détection du signal optique, et c) le déclenchement d'une indication d'une intrusion en réponse à une variation du signal optique détecté, caractérisé en ce que le signal optique est un signal de
photons isolés.
Le terme "signal optique" tel qu'il est utilisé dans le document n'est pas limité en portée aux signaux dans la partie visible du spectre électromagnétique, mais comprend des signaux à l'extérieur de cette partie, par exemple dans l'infrarouge. Le terme "signal de photons isolés" comprend à la fois des photons isolés, générés par exemple par une transposition paramétrique, et également des impulsions réduites faibles provenant par exemple d'un laser à semiconducteur, qui se rapprochent du comportement d'une
véritable source de photons isolés.
Un signal de photons isolés présente un comportement non classique. L'utilisation de tels signaux dans un système de détection d'intrus assure à la fois que le signal ne puisse pas facilement être observé, du fait que même dans l'obscurité, le flux des photons du signal optique sera significativement inférieur aux niveaux des photons du fond dus à la lumière ambiante, et fait également en sorte qu'une sécurité calculable, c'est-à-dire le risque d'une attaque réussie du système, puisse être calculée avec certitude
d'après des principes de mécanique quantique.
De préférence, l'étape consistant à émettre le signal optique comprend l'émission d'impulsions de photons isolés dans des tranches de temps régulières. De préférence, la source du signal optique est une source à bande étroite et l'étape de détection du signal optique comprend la transmission du signal optique au travers d'un filtre à
bande étroite adapté à la source à bande étroite.
Ces caractéristiques préférées facilitent la distinction du signal optique vis-à-vis du bruit de fond et améliorent donc la sensibilité du système de détection d'intrus. Le bruit de fond provient de deux sources principales: la détection des photons de la lumière ambiante et la détection des porteurs générés thermiquement
(comptages d'obscurité).
De préférence, le procédé comprend en outre l'émission de signaux optiques à partir d'un certain nombre de sorties optiques réparties dans l'espace, et la réception de signaux optiques au niveau d'un certain nombre correspondant d'entrées optiques réparties dans l'espace. De préférence, les signaux provenant d'un certain nombre d'entrées optiques réparties dans l'espace sont dirigés vers un détecteur de
photons isolés commun.
Ces caractéristiques augmentent l'utilité du système de détection en prévoyant une série de faisceaux qui pourraient être disposés, par exemple, de façon à s'entrecroiser dans une région qui doit être protégée. L'invention préférée permet également qu'un détecteur de photons isolés commun
soit utilisé pour plusieurs faisceaux différents.
Des systèmes mettant en oeuvre la présente invention seront maintenant décrits davantage en détail en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est un schéma représentant un premier exemple d'un système de détection mettant en oeuvre l'invention. La figure 2 est un schéma représentant un deuxième exemple d'un système. de détection mettant en oeuvre
l'invention.
La figure 3 est un schéma représentant une source de
photons isolés.
La figure 4 est un schéma représentant un troisième exemple d'un système de détection mettant en oeuvre
l'invention.
La figure 5 est un schéma représentant un quatrième exemple d'un système de détection mettant en oeuvre l'invention, et La figure 6 est un schéma représentant un cinquième exemple d'un système de détection mettant en oeuvre l'invention. Un système de détection d'intrus comprend une source de
photons isolés qui, comme on le décrira davantage ci-
dessous, émet un faisceau 2 de courtes impulsions optiques.
Le faisceau passe au travers de l'espace libre dans la région o l'on souhaite détecter un intrus quelconque. Par exemple, le faisceau pourrait passer en travers d'une porte de manière à détecter une personne quelconque franchissant la porte. Le faisceau 2 est reçu par des éléments optiques de recueil 3 et est dirigé par l'intermédiaire d'une fibre optique 4 vers un système de détection optique 5 qui comprend un filtre à bande étroite et un détecteur de photons isolés. Le filtre à bande étroite est adapté à la longueur d'onde du faisceau 2. La sortie du détecteur de photons isolés est traitée par un ordinateur personnel 6. L'ordinateur personnel 6 comporte une liaison électrique avec la source 1 et reçoit des impulsions de synchronisation
provenant de la source 1.
En fonctionnement, le taux de comptage des événements de détection dans le détecteur de photons isolés qui sont synchronisés avec la production des impulsions par la source 1 est mesuré. Dans l'ordinateur 6, le taux de comptage est comparé aux valeurs de seuil supérieure et inférieure prédéterminées. Si ces valeurs de seuil sont dépassées,
alors une alarme d'intrusion est déclenchée.
Les composants utilisés dans le système, ainsi que le fonctionnement du système, seront maintenant décrits
davantage en détail.
Les figures 3a et 3b représentent des exemples de sources de photons isolés destinées à être utilisées dans l'invention. Dans le système de la figure 3a, un laser 31 qui peut être par exemple un laser Ti:saphir fonctionnant à 750 nm est utilisé pour pomper un cristal non linéaire tel qu'un cristal de KDP. Le cristal réalise la transposition paramétrique du signal de pompage et fournit en sortie deux faisceaux corrélés de photons à 1,5 micron. Les photons d'un faisceau sont détectés par un photodétecteur et ceci déclenche une porte qui ouvre un obturateur pour laisser
passer un signal de photons isolés.
Dans le système en variante de la figure 3b, la source optique est un laser à semiconducteur pulsé, tel que le laser PDL 800 (PicoQuant GmbH), attaqué par un générateur d'impulsions. Un atténuateur optique est relié en ligne avec la sortie du laser à semiconducteur afin de réduire l'intensité de l'émission à un niveau tel que le nombre moyen de photons par impulsion, A, soit de 0,1. Pour une source de laser suivant la loi de Poisson avec y << 1, la probabilité d'obtenir une impulsion ayant deux photons ou plus est approximativement de g2/2, ce qui est faible à un point négligeable lorsque y vaut environ 0,1. Le détecteur de photons isolés peut être par exemple une photodiode à avalanche (APD) polarisée au-delà du claquage inverse et fonctionnant dans le mode de Geiger de manière à obtenir une sensibilité sur un seul photon. Les
photodiodes APD au silicium telles que la photodiode SPCM-
-AQ (EG&G Optoelectronics Canada) peuvent être utilisées dans la plage des longueurs d'onde de 400 à 1 060 nm, alors que les dispositifs au germanium ou à InGaAs tels que les dispositifs NDL5131P1 (NEC Corporation) ou C30644JT (EG&G Optoelectronics Canada) peuvent être utilisés dans la plage des longueurs d'onde de 1 000 à 1 550 nm avec un circuit d'amortissement d'avalanche approprié. Les filtres à bande étroite utilisés au niveau du détecteur peuvent être fabriqués en utilisant une technologie de réseau de diffraction de Bragg photosensible ou bien une technologie de filtre diélectrique à couche mince micro-optique (par
exemple TB1300A fabriqué par JDS-Fitel).
L'ordinateur personnel (PC) est un système disponible dans le commerce utilisant, par exemple, un microprocesseur Pentium III. L'ordinateur comprend une carte de comptage de photons telle que la carte TimeHarp 100 (PicoQuant GmbH) qui traite la sortie de la photodiode APD. La carte renvoie une valeur pour le taux de comptage de photons à une application de détection d'intrus s'exécutant sur l'ordinateur personnel. Le taux est comparé aux valeurs de seuil prédéterminées. Celles-ci sont établies de façon à donner un niveau requis de sensibilité à la présence d'un intrus, et pour se protéger contre des "attaques", c'est-à-dire des tentatives pour interférer avec le fonctionnement du système
de façon à empêcher qu'une intrusion soit détectée.
L'attaque la plus simple sur le système consisterait à ce qu'un intrus tente d'effectuer un remplacement par une source simulée dans le trajet du faisceau. On peut se protéger contre ceci comme suit-: premièrement le taux de comptage cp fluctuera du fait que l'arrivée des photons au niveau du détecteur est un processus statistiquement aléatoire et également en raison des perturbations de l'environnement. De ce fait, cp doit être évalué sur une période Tmin qui est suffisamment longue pour que des fluctuations normales n'aient qu'une probabilité extrêmement faible de générer une fausse alarme. La période Tmin sera réglée à une durée minimale pendant laquelle une simulation parfaite pourrait être insérée sans déclencher l'alarme. Tmin est rendue suffisamment courte, c'est-àdire d'une durée inférieure à une seconde, pour rendre ce processus extrêmement difficile. Deuxièmement, le système utilise une source à bande passante étroite (telle qu'un laser à semiconducteur) ayant des filtres à bande étroite adaptés dans le récepteur afin d'éviter une saturation du détecteur provenant du niveau de la lumière ambiante de fond. Par conséquent, le faisceau de simulation doit présenter une longueur d'onde adaptée à la source du système et la même fréquence de répétition (et la même phase du fait que le système est corrélé dans le temps) de manière à éviter le déclenchement d'une alarme. Dans un système classique, ces propriétés pourraient être évaluées en prélevant une faible fraction indétectable du faisceau et en exécutant les mesures appropriées. Dans le cas du système quantique proposé, ceci nécessiterait un principe de détection de photons isolés et serait extrêmement difficile en raison du faible niveau signal sur bruit. Un calcul du pire cas peut alors être fait pour un intrus possédant une technologie parfaite de détecteur de photons isolés. Cette possibilité de sécurité calculable constitue une caractéristique importante qui provient de la nature quantique du système qui permet qu'un intrus exécute une opération quelconque
permise par la mécanique quantique.
La figure 2 illustre un second mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, au lieu du seul faisceau dans l'espace libre 2 du premier exemple, il existe de multiples faisceaux dans l'espace libre 2'. Ceux-ci sont générés en utilisant un réseau optique passif (PON) 8a présentant une topologie arborescente. Le réseau optique passif est relié à son extrémité amont à la source optique pulsée 1 et comporte à ses extrémités aval des éléments optiques de faisceaux qui émettent les faisceaux respectifs. Bien que sur la figure, pour la facilité de l'illustration, les-faisceaux 2' soient représentés comme étant côte à côte et parallèles, en pratique les faisceaux peuvent être déployés suivant des configurations diverses. Les faisceaux pourraient par exemple être disposés de façon à former un treillis en travers d'une région de l'espace du plancher qui doit être protégé, ou bien pourraient être utilisés en travers d'un certain nombre de portes différentes d'une pièce et à des hauteurs différentes en travers d'une porte. Un second réseau optique passif 8b comportant des éléments optiques de commande de faisceau à ses extrémités, prélève les faisceaux et dirige les signaux optiques vers un système de détection optique commun 5. Le système de détection optique 5 est relié à un ordinateur personnel 6. Le système de détection optique 5 et l'ordinateur personnel 6 fonctionnent généralement comme on l'a décrit précédemment en relation avec le premier exemple ci- dessus. Les différentes branches
comprennent les différents retards optiques respectifs.
Celles-ci peuvent être réalisées par des boucles de fibre optique de différentes longueurs. Les différents retards optiques permettent que les signaux provenant de faisceaux différents soient différenciés dans le temps par l'ordinateur personnel. Alors, si un seuil d'alarme est franchi, l'ordinateur peut identifier l'emplacement du
faisceau particulier o un intrus a été détecté.
Lorsqu'une protection supplémentaire contre les attaques sur le système de détection est nécessaire, alors les signaux de photons isolés qui constituent le faisceau ou les faisceaux peuvent être modulés par exemple par une séquence de code aléatoire. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la source comprend un modulateur de phase 10 et un circuit d'attaque de modulateur 11, et le système de détection 5 comprend d'une manière similaire un modulateur de phase et un circuit d'attaque 50. Des techniques de cryptographie quantique sont alors utilisées pour détecter une tentative quelconque d'attaque sur le système. Un attaquant quelconque devrait mesurer l'état de phase d'un photon et ensuite émettre un photon modulé suivant le même état de phase. Cependant, en raison du principe d'incertitude, l'attaquant ne peut pas exécuter de façon fiable ce traitement sans modifier les éléments statistiques
des signaux tels qu'ils sont reçus au niveau du détecteur.
Les techniques de cryptographie quantique sont décrites davantage en détail dans la demande de brevet internationale
antérieure du présent demandeur WO 94/15422.
En tant qu'autre mesure de sécurité, il peut être souhaité de cacher les sorties et les entrées optiques pour les faisceaux dans l'espace libre. Dans ce cas, le système peut être disposé de façon à fonctionner dans l'infrarouge, et les entrées ainsi que les sorties (par exemple les terminaisons du réseau optique passif PON et des éléments optiques associés des réseaux de la figure 2) peuvent être incorporées dans des boîtiers qui sont opaques pour le
spectre visible mais transparents dans l'infrarouge.
La figure 5 représente un autre exemple d'un système mettant en oeuvre l'invention. Ce système est d'une façon générale similaire à celui de la figure 2 en ce qu'il 3 5 utilise des capteurs répartis dans l'espace surveillés par l'intermédiaire d'un réseau optique passif PON partagé. Il en diffère en ce qu'il utilise des points d'entrée/sortie combinés reliés à la fois à la source de photons isolés 1 et au système de détection 5 par l'intermédiaire d'un circulateur optique 4'. Un circulateur approprié est disponible dans le commerce en tant que modèle 0803-A (New Focus, Inc. ). Dans cet exemple, les faisceaux dans l'espace libre s'étendent entre chaque point d'entrée/sortie et un rétro-réflecteur. Dans les exemples considérés jusqu'à présent, les signaux optiques subissent une perte sur leur trajet au travers du réseau PON de retour. C'est-à-dire que si nous avons 10 capteurs (un séparateur 1:10) il y aura une perte de 10 dB pour chaque photon entrant dans le réseau PON de réception. Avec de grands nombres de capteurs, ceci limiterait le taux de comptage reçu et réduirait de ce fait l'efficacité du système. Cependant, si le recueil de la lumière ambiante n'est pas un facteur limitatif du système, une source à bande passante plus large (et un filtre adapté) peut être utilisée en même temps que des techniques de multiplexage WDM (multiplexage par répartition en longueur d'onde) afin de réduire la perte sur la voie pour les capteurs individuels. Par exemple, si nous utilisons une source ayant une longueur d'onde centrale L et une large bande passante dL, le séparateur peut être remplacé par un multiplexeur à guide d'onde en réseau (AWG) qui divise la lumière sur la seule fibre d'entrée sur par exemple fibres de sortie, chacune transportant une longueur d'onde distincte de bande passante -dL/10 (c'est-à-dire que chaque capteur fonctionne maintenant à une longueur d'onde différente dispersée sur la plage L-dL/2 à L+dL/2). Le réseau PON récepteur contiendra maintenant un autre multiplexeur AWG à la place d'un séparateur, qui recombine les 10 longueurs d'onde sur une seule fibre de sortie qui est connectée au détecteur. En principe, la perte dans chaque voie de retour peut être réduite à zéro en utilisant cette technique, bien qu'en pratique l'amélioration dépendra de la perte du multiplexeur AWG (il s'agit de composants largement disponibles couramment utilisés pour le multiplexage et le démultiplexage dans des systèmes de communications denses à multiplexage WDM). De courtes impulsions sont encore utilisées dans cette réalisation pour préserver la résolution dans le temps, mais les impulsions sont maintenant fortement modulées en fréquence pour fournir
la bande passante plus large requise par cette réalisation.
Un dispositif de multiplexage AWG approprié est disponible dans le commerce sous la référence AWG-MD-1l32 de Photonic Integration Research Inc. La figure 6 représente un système de détection employant un multiplexage en longueur d'onde comme décrit ci-dessus. Le système de détection est d'une façon générale similaire à celui décrit précédemment en ce qu'il utilise des points de sortie/entrée optiques combinés. Cependant, à la place du séparateur utilisé pour combiner les signaux provenant des branches du réseau optique, un multiplexeur à guide d'onde en réseau (AWG) est utilisé. Pour la facilité de l'illustration, la figure ne représente que quatre des branches du réseau optique et quatre canaux de longueur d'onde correspondants. En pratique, davantage de branches et davantage de canaux peuvent être employés. Par exemple, dix
canaux peuvent être utilisés comme on l'a décrit ci-dessus.
On notera que dans cette réalisation, les capteurs 1 à 10 présentent chacun des longueurs d'onde de sortie distinctes Ll à L10. Un capteur donné quelconque (le numéro 1 par exemple) peut recevoir/recueillir des photons diffusés ayant des longueurs d'onde dans la plage de Ll à L10 du fait que ces photons pourraient avoir pour origine l'une quelconque des sorties des capteurs. Cependant, en raison de l'effet de filtrage de longueur d'onde du multiplexeur AWG, seuls les photons de longueur d'onde Lb reçus par le capteur 1 atteindront le détecteur. C'est-à-dire que chaque capteur ne "verra" que ses propres photons de retour. Ainsi, contrairement au mode de réalisation précédent, aucune diaphonie n'est possible entre les capteurs et donc le nombre des trajets de détection possibles est réduit. Dans le système de la figure 6, une source d'impulsions de photons isolés modulée en fréquence est reliée par l'intermédiaire d'un premier multiplexeur AWG et d'un premier réseau optique passif correspondant 8a afin de produire des faisceaux multiples dans l'espace libre. Les faisceaux sont reçus au niveau de points d'entrée optiques correspondants, sont transmis par l'intermédiaire d'un second réseau optique passif 8b et sont reliés par l'intermédiaire d'un second multiplexeur AWG à une seule fibre optique 4 qui les transmet au système de détection
optique 5.
Claims (13)
1. Procédé de détection d'intrus comprenant: a) l'émission d'un signal optique b) la détection du signal optique, et c) le déclenchement d'une indication d'une intrusion en réponse à une variation du signal optique détecté, caractérisé en ce que le signal optique est un signal
de photons isolés.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'émission du signal optique comprend l'émission d'impulsions de photons isolés dans des tranches de temps régulières.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source du signal optique est une source à bande étroite et l'étape de détection du signal optique comprend la transmission du signal optique au travers d'un filtre à
bande étroite adapté à la source à bande étroite.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, comprenant l'émission de signaux optiques à partir d'un certain nombre de sorties optiques réparties dans l'espace, et la réception de signaux optique au niveau d'un certain nombre correspondant d'entrées optiques
réparties dans l'espace.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel un certain nombre d'entrées optiques réparties dans l'espace
sont dirigées vers un détecteur de photons isolés commun.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les plusieurs sorties optiques réparties dans l'espace sont
reliées à une source optique commune par un réseau optique.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, comprenant en outre la modulation du signal optique émis à l'étape (a), et la détermination de l'état de
modulation du signal optique détecté à l'étape (b).
8. Système de détection d'intrus comprenant: une source optique disposée pour émettre un signal optique, un détecteur agencé pour détecter le signal émis par la source optique, un processeur relié au détecteur et agencé pour déclencher une indication d'une intrusion en réponse à une variation du signal optique détecté, caractérisé en ce que la source optique est une source
de photons isolés.
9. Système selon la revendication 8, dans lequel la source de photons isolés est une source à bande étroite, et le détecteur comprend un filtre à bande étroite adapté à la
source.
10. Système selon la revendication 8 ou 9, comprenant un certain nombre de sorties optiques réparties dans l'espace et un certain nombre correspondant d'entrées
optiques réparties dans l'espace.
11. Système selon la revendication 10, dans lequel un certain nombre d'entrées optiques réparties dans l'espace
sont dirigées vers un détecteur de photons isolés commun.
12. Système selon la revendication 10 ou 11, dans lequel un certain nombre de sorties optiques réparties dans l'espace sont reliées à une source optique commune par un
réseau optique.
13. Système selon l'une quelconque des revendications 8
à 12, dans lequel des signaux à un certain nombre de longueurs d'onde différentes sont reliés à un détecteur commun par l'intermédiaire d'unmultiplexeur en longueur d'onde.
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