ITTO20080535A1

ITTO20080535A1 - ANTI-INTRUSION SYSTEM IN OPTICAL FIBER

Info

Publication number: ITTO20080535A1
Application number: IT000535A
Authority: IT
Inventors: Natale Claudio Pistoni; Paolo Tagliabue
Original assignee: Gps Standard S P A
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-12
Also published as: IT1391026B1; EP2144207A1

Description

Sistema di antintrusione in fibra ottica Optical fiber anti-intrusion system

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi antintrusione ed in particolare si riferisce ad un sistema di antintrusione in fibra ottica. The present invention refers to the field of anti-intrusion systems and in particular it refers to an optical fiber anti-intrusion system.

Sono noti antifurti per la sorveglianza perimetrale in grado di rilevare la presenza di persone che attraversano delle aree all'esterno o in immediate prossimitÃ di edifici. Anti-theft devices are known for perimeter surveillance capable of detecting the presence of people crossing areas outside or in the immediate vicinity of buildings.

Tali antifurti 1, come mostrato in figura 1, sono disposti lungo un perimetro 2 di un edificio 3 e sono collegati con un sistema di elaborazione 4 atto ad attivare tipicamente un segnale d'allarme allorchÃ© un elemento sensibile 5 viene stimolato, ad esempio tramite una pressione da parte di un piede di un malintenzionato. Such anti-theft devices 1, as shown in Figure 1, are arranged along a perimeter 2 of a building 3 and are connected to a processing system 4 capable of typically activating an alarm signal when a sensitive element 5 is stimulated, for example by a pressure from the foot of an attacker.

Sono noti sistemi antintrusione impieganti fibre ottiche che vengono impiegate come elementi sensibili 5. Intrusion detection systems are known which use optical fibers which are used as sensitive elements 5.

Una fibra ottica Ã ̈ tipicamente composta da un materiale vetroso o plastico e comprende almeno uno strato interno denominato nucleo (core della fibra) ed uno strato esterno di rivestimento (che da qui in avanti sarÃ chiamato con il suo noto nome tecnico, cladding); il core possiede tipicamente un indice di rifrazione piÃ¹ elevato rispetto al cladding; in questo modo un fascio ottico, sia esso emesso nello spettro visibile o nell'infrarosso, viene tipicamente confinato all'interno del core tramite riflessioni totali successive. A seconda del numero di modi ottici che possono passare all'interno del core di una fibra ottica si distinguono fibre monomodali (SMF) e fibre multimodali (MMF); queste ultime presentano un core piÃ¹ grosso rispetto a quello delle fibre monomodali. An optical fiber is typically composed of a glassy or plastic material and includes at least an internal layer called the core (core of the fiber) and an external coating layer (which from here on will be called by its well-known technical name, cladding); the core typically has a higher refractive index than cladding; in this way an optical beam, whether it is emitted in the visible or infrared spectrum, is typically confined inside the core by means of successive total reflections. Depending on the number of optical modes that can pass inside the core of an optical fiber, singlemode (SMF) and multimode (MMF) fibers are distinguished; the latter have a larger core than that of singlemode fibers.

Le fibre ottiche, negli ultimi anni sono state efficacemente impiegate, al di fuori del campo strettamente di trasmissione dati (ad esempio nelle reti in fibra ottica) anche come sensori in grado di identificare un intrusione all'interno del perimetro 2 di un edificio 3. In recent years, optical fibers have been effectively used, outside the strictly data transmission field (for example in fiber optic networks), also as sensors capable of identifying an intrusion within the perimeter 2 of a building 3.

In particolare, il documento US42964513 descrive un sistema di antintrusione impiegante fibre ottiche che sfrutta il principio della rivelazione differenziale del segnale presente in un core di una fibra ottica con quello contenuto nel cladding della stessa. I due segnali vengono modulati in ampiezza. In particular, the document US42964513 describes an anti-intrusion system using optical fibers which exploits the principle of the differential detection of the signal present in an optical fiber core with that contained in the cladding of the same. The two signals are modulated in amplitude.

US 4297684 descrive invece un sistema di rivelazione di intrusione in cui si impiega una fibra ottica multimodale quale elemento sensore con rivelazione dei cambiamenti della figura di speckle provocati dalla movimentazione delle fibra stessa a causa della pressione del peso del malintenzionato. La fibra ottica viene posizionata infatti nel terreno e il sistema possiede inoltre un filtro spaziale costituito sostanzialmente da un pin-hole, ossia da un foro molto piccolo praticato su uno schermo opaco alla luce, che permette di rilevare le variazioni assieme ad un fotodiodo. US 4297684, on the other hand, describes an intrusion detection system in which a multimode optical fiber is used as a sensor element with detection of the changes in the speckle shape caused by the movement of the fiber itself due to the pressure of the attacker's weight. The optical fiber is in fact positioned in the ground and the system also has a spatial filter substantially consisting of a pin-hole, that is a very small hole made on a screen opaque to light, which allows to detect the variations together with a photodiode.

US 5712937 insegna inoltre l'immissione di un fascio luminoso proveniente da una pluralitÃ di fotoemettitori all'interno di una singola fibra ottica. US 5712937 also teaches the introduction of a light beam from a plurality of photo-emitters into a single optical fiber.

Infine US 7092586 illustra un sistema idoneo alla rivelazione della manomissione di un cavo ottico per telecomunicazione contenente fibre multimodali e in cui una sorgente ottica di tipo laser illumina una fibra ottica di immissione di tipo a singolo modo. Finally US 7092586 illustrates a system suitable for detecting the tampering of an optical telecommunication cable containing multimode fibers and in which a laser type optical source illuminates a single mode input optical fiber.

I sistemi antintrusione a fibra ottica di tipo noto sono caratterizzati dallo svantaggio di possedere un elevato rumore ottico in uscita, che quindi non permette di identificare correttamente piccole variazioni o spostamenti della fibra stessa e puÃ² causare mancati allarmi. The known type of optical fiber intrusion detection systems are characterized by the disadvantage of having a high optical noise at the output, which therefore does not allow to correctly identify small variations or displacements of the fiber itself and can cause missed alarms.

Scopo della presente invenzione Ã ̈ quello di realizzare un sistema di antintrusione in fibra ottica, il quale sia esente dagli inconvenienti sopra descritti. The purpose of the present invention is to provide an optical fiber anti-intrusion system which is free from the drawbacks described above.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di antintrusione in fibra ottica come rivendicato nella rivendicazione 1. According to the present invention, an optical fiber anti-intrusion system is realized as claimed in claim 1.

L'invenzione verrÃ ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:

- in figura 1 Ã ̈ illustrato uno schema semplificato di un sistema di antintrusione perimetrale per edifici. - Figure 1 shows a simplified diagram of a perimeter anti-intrusion system for buildings.

- la figura 2 illustra uno schema semplificato del sistema di antintrusione in fibra ottica secondo la presente invenzione; Figure 2 illustrates a simplified diagram of the optical fiber anti-intrusion system according to the present invention;

- la figura 3 illustra un'immagine ottica generata dal sistema di antintrusione di figura 2; Figure 3 illustrates an optical image generated by the anti-intrusion system of Figure 2;

- le figure 4a, 4b illustrano infine due immagini ottenibili con dispositivi antintrusione secondo la presente invenzione. - figures 4a, 4b finally illustrate two images obtainable with anti-intrusion devices according to the present invention.

Con riferimento alla figura 2, con 10 Ã ̈ indicato nel suo complesso il sistema di antintrusione in fibra ottica secondo la presente invenzione. With reference to Figure 2, the number 10 indicates as a whole the optical fiber anti-intrusion system according to the present invention.

Il sistema di antintrusione 10 comprende una sorgente luminosa 11 connessa con una fibra ottica 12 multimodale avente un nucleo (di seguito detto core) 12.1 ed un mantello (di seguito detto cladding 12.2) la quale agisce come elemento sensibile. The anti-intrusion system 10 comprises a light source 11 connected to a multimode optical fiber 12 having a core (hereinafter called core) 12.1 and a jacket (hereinafter called cladding 12.2) which acts as a sensitive element.

In dettaglio la sorgente luminosa 11 Ã ̈ preferibilmente un laser a singolo modo con feedback distribuito (altresÃ¬ detti laser DFB) il quale comprende almeno uno specchio totalmente riflettente 11.1, uno specchio semiriflettente 11.2 rivolto verso la fibra ottica 12, uno strato di semiconduttore attivo 11.3 e un grating ottico 11.4 che realizza il feedback distribuito. In detail, the light source 11 is preferably a single-mode laser with distributed feedback (also called DFB lasers) which comprises at least a fully reflective mirror 11.1, a semi-reflective mirror 11.2 facing the optical fiber 12, an active semiconductor layer 11.3 and an 11.4 optical grating which realizes the distributed feedback.

Al fine di ridurre al minimo le perdite di segnale entro la fibra ottica 12, la quale puÃ² essere anche parecchio lunga per coprire il perimetro di un edificio, si impiegano laser con spettro di emissione centrato sostanzialmente sulla terza finestra di assorbimento delle fibre ottiche, avente lunghezza d'onda centrale di 1550nm. Infatti Ã ̈ proprio nella terza finestra che le fibre presentano un assorbimento minore e, conseguentemente, meno perdite di potenza ottica lungo la loro lunghezza. In order to minimize the signal losses within the optical fiber 12, which can also be quite long to cover the perimeter of a building, lasers with an emission spectrum substantially centered on the third absorption window of the optical fibers, having central wavelength of 1550nm. In fact, it is precisely in the third window that the fibers have a lower absorption and, consequently, less losses of optical power along their length.

L'accoppiamento tra la sorgente luminosa 11 e la fibra ottica 12 multimodale preferibilmente avviene attraverso una fibra ottica monomodale tra di essi frapposta. The coupling between the light source 11 and the multimode optical fiber 12 preferably takes place through a singlemode optical fiber interposed between them.

Il fascio di fotoni coerente emesso dalla sorgente luminosa 11 si propaga in direzione della fibra ottica 12 ed entro la stessa in piÃ¹ modi, ovvero seguendo cammini ottici diversi ognuno avente una propria caratteristica di propagazione; il numero di cammini ottici e le rispettive caratteristiche di propagazione di ogni singolo cammino ottico dipende dalle caratteristiche geometriche della fibra stessa, dalla lunghezza d'onda di emissione del fascio di fotoni e: The coherent photon beam emitted by the light source 11 propagates in the direction of the optical fiber 12 and within it in several ways, or following different optical paths each having its own propagation characteristic; the number of optical paths and the respective propagation characteristics of each single optical path depends on the geometric characteristics of the fiber itself, on the emission wavelength of the photon beam and:

- dall'indice di rifrazione n1 del core 12.1 della fibra ottica 12; - by the refractive index n1 of the core 12.1 of the optical fiber 12;

- dall'indice di rifrazione n2 del cladding 12.2 della fibra ottica 12. - from the refractive index n2 of the cladding 12.2 of the optical fiber 12.

Se il fascio di fotoni emesso dalla sorgente luminosa 11 Ã ̈ di tipo monocromatico, in uscita dalla fibra ottica 12 si osserva un'immagine 100 non omogenea (figura 3), ma caratterizzata dalla presenza di un insieme di punti brillanti e punti scuri (immagine di Speckle). L'immagine 100 Ã ̈ il risultato dell'interferenza costruttiva o distruttiva dei vari modi ottici che si propagano entro la fibra ottica 12. La deformazione della fibra 12, ad esempio uno schiacciamento o una sua flessione, provoca una variazione della disposizione dei punti brillanti e dei punti scuri dell'immagine 100 e tale variazione viene utilizzata per permettere la rivelazione di un'intrusione all'interno di un perimetro di un edificio. If the beam of photons emitted by the light source 11 is of a monochromatic type, an image 100 that is not homogeneous is observed at the output from the optical fiber 12 (figure 3), but characterized by the presence of a set of bright and dark points (image by Speckle). The image 100 is the result of the constructive or destructive interference of the various optical modes that propagate within the optical fiber 12. The deformation of the fiber 12, for example a squashing or its bending, causes a variation in the arrangement of the bright points and of the dark points of the image 100 and this variation is used to allow the detection of an intrusion within a perimeter of a building.

Infatti la fibra ottica 12 Ã ̈ atta ad essere posizionata nel terreno, opportunamente coperta da uno o piÃ¹ strati di rivestimento 13 atti a impedirne la contaminazione da agenti esterni quali l'umiditÃ , o su recinzioni a maglie sciolte, elettrosaldate e in muratura. In fact, the optical fiber 12 is suitable for being positioned in the ground, suitably covered by one or more layers of coating 13 designed to prevent its contamination by external agents such as humidity, or on loose mesh, electro-welded and masonry fences.

PiÃ¹ in dettaglio, per effettuare la rilevazione di intrusione una parte terminale 12.3 della fibra ottica 12 viene accoppiata ad un filtro spaziale 14 il quale permette il passaggio di una ristretta parte del fascio luminoso prodotto dall'uscita della fibra ottica 12. More in detail, to carry out the intrusion detection an end part 12.3 of the optical fiber 12 is coupled to a spatial filter 14 which allows the passage of a small part of the light beam produced by the output of the optical fiber 12.

A seguito della variazione dell'immagine 100 dovuta ad una compressione e/o flessione della fibra ottica 12, si perviene ad una variazione sensibilmente maggiore in una seconda immagine 101 rilevata alle spalle del filtro spaziale 14 ad esempio tramite un fotodiodo 15. Following the variation of the image 100 due to a compression and / or bending of the optical fiber 12, a significantly greater variation is achieved in a second image 101 detected behind the spatial filter 14, for example by means of a photodiode 15.

Il fotodiodo 15 misura sostanzialmente l'integrale dell'energia ottica presente sull'immagine 101 e, allorchÃ© la fibra ottica 12 viene perturbata, esso misura una variazione luminosa che viene trasformata in un segnale d'allarme da un dispositivo visivo e/o acustico. The photodiode 15 substantially measures the integral of the optical energy present on the image 101 and, when the optical fiber 12 is perturbed, it measures a luminous variation which is transformed into an alarm signal by a visual and / or acoustic device .

Tale variazione puÃ² presentare un livello di soglia sia temporale sia in termini di variazione misurata, al di sotto del quale il segnale di allarme non viene attivato. This variation can present a threshold level both in time and in terms of measured variation, below which the alarm signal is not activated.

PiÃ¹ in dettaglio, come mostrato nelle figure 4a e 4b, l'immagine 101 e una sua corrispettiva 101' ottenuta in una condizione di perturbazione hanno un rapporto tra aree scure e aree chiare estremamente diverso. Il fotodiodo 15 calcola sostanzialmente il seguente integrale More in detail, as shown in Figures 4a and 4b, image 101 and a corresponding 101 'obtained in a perturbed condition have an extremely different ratio between dark areas and light areas. The photodiode 15 substantially calculates the following integral

I<=> Sc(x,t ) dxdt I <=> Sc (x, t) dxdt

in cui Sc(x,t) rappresenta la superficie delle aree scure che Ã ̈ funzione oltre che della posizione entro l'immagine 100 anche del tempo. where Sc (x, t) represents the surface of the dark areas which is a function not only of the position within the image 100 but also of time.

In dettaglio il filtro spaziale 14 puÃ² comprendere o un filtro a pin-hole o uno spezzone di fibra ottica a singolo modo. Impiegando una fibra a singolo modo di dimensione standard come filtro spaziale 14, raccordata alla fibra ottica 12, si avrebbe una dimensione del foro pari al core della fibra a singolo modo che Ã ̈ tipicamente di 9µm mentre il diametro del core 12.1 della fibra ottica 12 (multimodale) Ã ̈ di 50Ã·62,5µm. In detail, the spatial filter 14 can comprise either a pin-hole filter or a piece of single-mode optical fiber. By employing a standard size single mode fiber as spatial filter 14, connected to the optical fiber 12, we would have a hole size equal to the core of the single mode fiber which is typically 9µm while the diameter of the core 12.1 of the optical fiber 12 (multimodal) is 50Ã · 62.5µm.

Per ridurre al minimo le perdite tra la fibra ottica a singolo modo e la fibra ottica 12, si puÃ² impiegare un giunto a fusione che realizza una connessione stabile e sicura. To minimize the losses between the single mode optical fiber and the optical fiber 12, a fusion splice can be employed which provides a stable and secure connection.

La corrente di pilotaggio della sorgente luminosa 11 Ã ̈ di tipo costante o non costante, per ridurre il rumore associato alla figura di speckle; in questo caso ad un valore medio costante viene sovrapposta una modulazione di ampiezza a frequenze dell'ordine di 20-50kHz, ad esempio sinusoidale; questa modulazione consente di impiegare anche un secondo tipo di sorgente luminosa consistente in un laser di Fabry-Perot, caratterizzata di per sÃ© da ridotte prestazioni in termini di purezza spettrale del fascio fotonico emesso per la presenza di piÃ¹ modi longitudinali. Tale mancanza di purezza viene controbilanciata dalla modulazione della corrente di pilotaggio. The driving current of the light source 11 is of the constant or non-constant type, to reduce the noise associated with the speckle figure; in this case an amplitude modulation at frequencies of the order of 20-50kHz, for example sinusoidal, is superimposed on a constant average value; this modulation also allows the use of a second type of light source consisting of a Fabry-Perot laser, characterized in itself by reduced performance in terms of spectral purity of the photonic beam emitted due to the presence of several longitudinal modes. This lack of purity is counterbalanced by the modulation of the driving current.

In questo caso, Ã ̈ necessaria la presenza di un modulatore di corrente, che puÃ² essere interno ( o integrato) nella sorgente luminosa oppure esterno. In this case, it is necessary to have a current modulator, which can be internal (or integrated) in the light source or external.

Si Ã ̈ verificato infatti che l'assenza di tale modulazione provoca una notevole incertezza di misurazione del cambiamento sull'immagine 101 allorchÃ© la perturbazione della fibra abbia frequenza nell'ordine di 200-300Hz fino ad un massimo di 1500Hz, con il serio rischio di incorrere in falsi allarmi o mancati allarmi. In fact, it has been verified that the absence of this modulation causes a considerable uncertainty of measurement of the change on image 101 when the perturbation of the fiber has a frequency in the order of 200-300Hz up to a maximum of 1500Hz, with the serious risk to incur false alarms or missed alarms.

I vantaggi della presente invenzione sono chiari dalla descrizione che precede. In dettaglio, il sistema di antintrusione a fibre ottiche fin qui descritto permette di garantire un'efficace identificazione del passaggio di malintenzionati entro il perimetro di un'abitazione e un'alta reiezione ai disturbi tipici dei sistemi di questo tipo anche grazie ad una modulazione della corrente iniettata all'interno della sorgente ottica. The advantages of the present invention are clear from the foregoing description. In detail, the optical fiber anti-intrusion system described up to now allows to guarantee an effective identification of the passage of malicious persons within the perimeter of a house and a high rejection to the typical disturbances of this type of systems also thanks to a modulation of the current injected into the optical source.

Al dispositivo fin qui descritto possono essere applicate alcune varianti. In dettaglio tra la sorgente luminosa 11 e la fibra ottica 12 possono essere inoltre frapposti dei dispositivi isolatori ottici, atti a diminuire drasticamente le retroriflessioni rivolte verso la cavitÃ della sorgente ottica stessa che sono fonte di ulteriore rumore sul segnale rivelato e quindi di incertezza nella determinazione dell'intrusione. Some variants can be applied to the device described up to now. In detail, optical isolator devices can be interposed between the light source 11 and the optical fiber 12, designed to drastically reduce the retroreflections facing the cavity of the optical source itself, which are a source of further noise on the detected signal and therefore of uncertainty in the determination. of the intrusion.

Infine le fibre ottiche 12 possono essere accoppiate in direzione sostanzialmente parallela l'una rispetto all'altra in modo tale da garantire in un primo luogo una ridondanza sistemica (ovvero protezione in caso di guasti di una fibra ad esempio in seguito alla rottura del fotorivelatore) sia per una maggiore sicurezza di calpestamento o sfondamento in caso di applicazione su recinzione. In tale caso l'allarme scatterebbe alternativamente o in combinazione, qualora la prima o la seconda fibra ottica vengano sollecitate. Finally, the optical fibers 12 can be coupled in a substantially parallel direction with respect to each other in such a way as to guarantee in the first place a systemic redundancy (i.e. protection in the event of a fiber failure, for example following the breakdown of the photodetector) and for greater safety of trampling or breaking through in case of application on a fence. In this case the alarm would trigger alternately or in combination, if the first or the second optical fiber are stressed.

Claims

CLAIMS 1. Optical fiber anti-intrusion system (10), comprising a light source (11); a light conducting means (12) coupled on a first end thereof with said light source (11) and acting as an element sensitive to pressure and / or movement; said light conducting means (12) being adapted to convey a beam of photons emitted by said light source (11) to an end opposite to the first end of said light conducting means (12) in one or more optical propagation modes; a photodetector (15) adapted to detect the presence of said photon beam at the output of said light conducting means (12); said optical fiber anti-intrusion system (10) further comprising light filtering means (14) placed between said opposite end of the light conducting means (12) and said photodetector (15) and being characterized in that said light source (11) is It is powered with an electrical signal with a waveform that is constant or not constant over time.

2. Intrusion detection system according to claim 1, wherein said light conducting means (12) is an optical fiber having a core (12.1) and a jacket (12.2) covering said core (12.1).

3. Anti-intrusion system according to claim 1, wherein said light source (11) is powered by means of an electric current having a constant average value on which a time-varying modulation signal is superimposed.

4. Anti-intrusion system according to claim 1, wherein said light source (11) is a semiconductor laser.

5. Anti-intrusion system according to claim 4, wherein said laser is of the distributed feedback type.

6. An intrusion detection system according to claim 4, wherein said laser is a Fabry-Perot cavity laser.

7. Anti-intrusion system according to claim 4, in which said laser is provided with an optical isolator adapted to reduce the retroreflections in the cavity.

8. Anti-intrusion system according to claim 1, wherein said light filtering means (14) consist of an optical fiber; said optical fiber having a core and a cladding surrounding said core; said optical fiber being adapted to substantially pass only one optical mode.