ITTO20080535A1 - Sistema di antintrusione in fibra ottica - Google Patents

Description

Sistema di antintrusione in fibra ottica

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi antintrusione ed in particolare si riferisce ad un sistema di antintrusione in fibra ottica.

Sono noti antifurti per la sorveglianza perimetrale in grado di rilevare la presenza di persone che attraversano delle aree all'esterno o in immediate prossimità di edifici.

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 allorché un elemento sensibile 5 viene stimolato, ad esempio tramite una pressione da parte di un piede di un malintenzionato.

Sono noti sistemi antintrusione impieganti fibre ottiche che vengono impiegate come elementi sensibili 5.

Una fibra ottica à ̈ 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 sarà chiamato con il suo noto nome tecnico, cladding); il core possiede tipicamente un indice di rifrazione più 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 più grosso rispetto a quello delle fibre monomodali.

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 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.

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 5712937 insegna inoltre l'immissione di un fascio luminoso proveniente da una pluralità di fotoemettitori all'interno di una singola fibra ottica.

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.

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 può causare mancati allarmi.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di antintrusione in fibra ottica, il quale sia esente dagli inconvenienti sopra descritti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di antintrusione in fibra ottica come rivendicato nella rivendicazione 1.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- in figura 1 Ã ̈ illustrato uno schema semplificato di un sistema di antintrusione perimetrale per edifici.

- la figura 2 illustra uno schema semplificato del sistema di antintrusione in fibra ottica secondo la presente invenzione;

- la figura 3 illustra un'immagine ottica generata dal sistema di antintrusione di figura 2;

- le figure 4a, 4b illustrano infine due immagini ottenibili con dispositivi antintrusione secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 2, con 10 Ã ̈ indicato nel suo complesso il sistema di antintrusione in fibra ottica secondo la presente invenzione.

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.

In dettaglio la sorgente luminosa 11 à ̈ preferibilmente un laser a singolo modo con feedback distribuito (altresì 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.

Al fine di ridurre al minimo le perdite di segnale entro la fibra ottica 12, la quale può 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 à ̈ proprio nella terza finestra che le fibre presentano un assorbimento minore e, conseguentemente, meno perdite di potenza ottica lungo la loro lunghezza.

L'accoppiamento tra la sorgente luminosa 11 e la fibra ottica 12 multimodale preferibilmente avviene attraverso una fibra ottica monomodale tra di essi frapposta.

Il fascio di fotoni coerente emesso dalla sorgente luminosa 11 si propaga in direzione della fibra ottica 12 ed entro la stessa in più 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:

- dall'indice di rifrazione n1 del core 12.1 della fibra ottica 12;

- dall'indice di rifrazione n2 del cladding 12.2 della fibra ottica 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.

Infatti la fibra ottica 12 à ̈ atta ad essere posizionata nel terreno, opportunamente coperta da uno o più strati di rivestimento 13 atti a impedirne la contaminazione da agenti esterni quali l'umidità, o su recinzioni a maglie sciolte, elettrosaldate e in muratura.

Più 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.

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.

Il fotodiodo 15 misura sostanzialmente l'integrale dell'energia ottica presente sull'immagine 101 e, allorché 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.

Tale variazione può 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.

Più 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

I<=> Sc(x,t ) dxdt

in cui Sc(x,t) rappresenta la superficie delle aree scure che à ̈ funzione oltre che della posizione entro l'immagine 100 anche del tempo.

In dettaglio il filtro spaziale 14 può 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 à ̈ tipicamente di 9µm mentre il diametro del core 12.1 della fibra ottica 12 (multimodale) à ̈ di 50÷62,5µm.

Per ridurre al minimo le perdite tra la fibra ottica a singolo modo e la fibra ottica 12, si può impiegare un giunto a fusione che realizza una connessione stabile e sicura.

La corrente di pilotaggio della sorgente luminosa 11 à ̈ 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 sé da ridotte prestazioni in termini di purezza spettrale del fascio fotonico emesso per la presenza di più modi longitudinali. Tale mancanza di purezza viene controbilanciata dalla modulazione della corrente di pilotaggio.

In questo caso, à ̈ necessaria la presenza di un modulatore di corrente, che può essere interno ( o integrato) nella sorgente luminosa oppure esterno.

Si à ̈ verificato infatti che l'assenza di tale modulazione provoca una notevole incertezza di misurazione del cambiamento sull'immagine 101 allorché 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.

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.

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 cavità della sorgente ottica stessa che sono fonte di ulteriore rumore sul segnale rivelato e quindi di incertezza nella determinazione dell'intrusione.

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.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di antintrusione in fibra ottica (10), comprendente una sorgente luminosa (11); un mezzo conduttore luminoso (12) accoppiato su una sua prima estremità con detta sorgente luminosa (11) ed agente come elemento sensibile ad una pressione e/o movimentazione; detto mezzo conduttore luminoso (12) essendo atto a convogliare un fascio di fotoni emesso da detta sorgente luminosa (11) ad un'estremità opposta alla prima estremità di detto mezzo conduttore luminoso (12) in uno o più modi ottici di propagazione; un fotorivelatore (15) atto a rilevare la presenza di detto fascio di fotoni in uscita da detto mezzo conduttore luminoso (12); detto sistema di antintrusione in fibra ottica (10) comprendendo inoltre mezzi di filtraggio luminoso (14) frapposti tra detta estremità opposta del mezzo conduttore luminoso (12) e detto fotorivelatore (15) ed essendo caratterizzato dal fatto che detta sorgente luminosa (11) à ̈ alimentata con un segnale elettrico di forma d'onda costante o non costante nel tempo.
2. 2. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 1, in cui detto mezzo conduttore luminoso (12) Ã ̈ una fibra ottica avente un nucleo (12.1) ed un mantello (12.2) rivestente il detto nucleo (12.1).
3. 3. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 1, in cui detta sorgente luminosa (11) Ã ̈ alimentata mediante una corrente elettrica avente un valore medio costante al quale si sovrappone un segnale di modulazione variabile nel tempo.
4. 4. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 1, in cui detta sorgente luminosa (11) Ã ̈ un laser a semiconduttore.
5. 5. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 4, in cui detto laser à ̈ di tipo a feedback distribuito.
6. 6. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 4, in cui detto laser à ̈ un laser a cavità di Fabry-Perot.
7. 7. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 4, in cui detto laser à ̈ provvisto di un isolatore ottico atto a ridurre le retroriflessioni in cavità.
8. 8. Sistema di antintrusione secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di filtraggio luminoso (14) sono costituiti da una fibra ottica; detta fibra ottica possedendo un nucleo ed un mantello circondante il detto nucleo; detta fibra ottica essendo atta a far transitare sostanzialmente un solo modo ottico.