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Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Glasfaserkabeln und -sensoren zur kostengünstigen Überwachung von Einbrüchen über große Entfernungen. Zudem werden die Vorteile dieser nichtelektrischen, funkenfreien Glasfasersensoren erläutert, die ihren Einsatz in Chemieanlagen, unterirdischen Anlagen und anderen Umgebungen mit potenziell explosiven Gasen ermöglichen.
Hintergrund
Die Telekommunikationsbranche kennt seit Langem die Vorteile von Glasfasern für die Datenübertragung über große Entfernungen. Nun bietet sich der Sicherheitsbranche die Möglichkeit, dieselbe Technologie für die Fernüberwachung von Einbrüchen zu nutzen – mit denselben Komponenten wie in Telekommunikationsnetzen.
Es muss anerkannt werden, dass die Verwendung von Glasfasern in Sicherheitsanwendungen keine neue Idee ist. Es gibt bereits Sicherheitssysteme, die spezielle, hochempfindliche Glasfasern mit dotiertem Fasermantel und interferomischen Sensoren nutzen.
Diese hochsensiblen Sicherheitssysteme sind nicht Gegenstand dieses Artikels. Sie eignen sich hervorragend zur Überwachung kleiner Bereiche, werden aber üblicherweise nicht zur Überwachung von Entfernungen über 300 Meter eingesetzt, wie beispielsweise zur Umzäunung eines Flughafens oder eines großen Fabrikgeländes. Für einen so großflächigen Einsatz sind diese Systeme zu teuer und reagieren so empfindlich, dass sie bei der Überwachung großer Gebiete häufig Fehlalarme durch Umwelteinflüsse auslösen können.
Stattdessen konzentriert sich diese Arbeit auf eine neue Technik zur Anwendung handelsüblicher, kostengünstiger Glasfasern zur Überwachung von Großanlagen.
Ein kosteneffektiver Ansatz
Dieses neue Verfahren nutzt die Empfindlichkeit von Glasfasern gegenüber optischen Verlusten, die durch „Makrobiegung“ entstehen, d. h. durch Biegen der Faser mit einem so kleinen Krümmungsradius, dass messbare Lichtverluste auftreten. Da hier Standard-Kommunikationsglasfasern verwendet werden, unterscheiden sich die Werkzeuge, die Installation und die Wartung dieses Sicherheitssystems nicht von denen einer herkömmlichen Glasfaser-Telekommunikationsverbindung.
Tatsächlich wird diese Technologie schon seit Jahren in Kommunikationsverteilern eingesetzt, um einen Alarm auszulösen, wenn ein Glasfaserkabel in einem großen Netzwerk bricht, stark verbogen oder anderweitig beschädigt wird.
Wenn beispielsweise ein Baggerfahrer versehentlich ein vergrabenes Glasfaserkabel beschädigt, wird das Reparaturpersonal alarmiert. Dieses verwendet dann ein Gerät namens optisches Zeitbereichsreflektometer (OTDR), um die Art des Problems zu ermitteln und die genaue Stelle entlang des kilometerlangen Kabels zu lokalisieren.
Um diese Bruchstelle zu identifizieren, ist ein OTDR erforderlich, das Tausende von Reflexionen in regelmäßigen Abständen entlang der Faser mittelt. Dieser Vorgang dauert in der Regel 10 Sekunden oder länger.
Die Fähigkeit der Glasfasertechnologie, die Position eines verbogenen oder gebrochenen Kabels präzise zu bestimmen, macht sie ideal zur Lokalisierung eines Eindringlings. Wenn beispielsweise ein Eindringling eine Glasfaser beschädigt oder verbiegt, die um ein Gebäude herum verlegt ist, lässt sich der Ort seines Einbruchsversuchs mithilfe eines im System integrierten OTDR-Geräts genau lokalisieren.
Ein kleineres Problem bei der Anwendung dieses Verfahrens im Sicherheitsbereich besteht darin, dass ein OTDR nur dann einen messbaren optischen Verlust feststellen kann, wenn die Glasfaser entweder gebrochen oder in einem relativ spitzen Winkel gebogen ist. In den meisten Fällen würde ein Eindringling das Kabel jedoch wahrscheinlich nur geringfügig biegen, um Zugang zu einem geschützten Gebäude zu erhalten; der durch diese leichte Biegung verursachte Lichtverlust wäre für das OTDR nicht messbar.
Glücklicherweise ist die Lösung einfach. Entlang der Kabeltrasse werden einfache, federbelastete Auslösevorrichtungen installiert, die selbst geringfügige Störungen des Außenkabels erfassen und diese durch eine deutlich stärkere Kabelbiegung verstärken. Diese stärkere Biegung erzeugt einen Lichtverlust, der vom OTDR-Gerät detektiert werden kann.
Beispiel Nr. 1 – Perimetersicherheit
In diesem ersten Beispiel wird ein Standard-Glasfaserkabel (mit UV-beständigem Mantel) an der bestehenden Umzäunung eines großen Geländes, beispielsweise eines Militärstützpunkts, befestigt. Die Glasfaser wird durch mehrere Auslösevorrichtungen fixiert, die in regelmäßigen Abständen entlang der Umzäunung angebracht sind.
Ein Laser speist Infrarotlicht in ein Ende des Glasfaserkabels ein. Das Licht wird kontinuierlich mit dem im System integrierten OTDR überwacht, um festzustellen, ob sich die Lichtleistung verändert hat. Bei einem Kabelbruch oder der Aktivierung eines der Auslösevorrichtungen durch eine geringfügige Störung des Kabels löst das System einen Alarm aus.
Die entlang des Umfangs installierten Auslösevorrichtungen können mechanische Einstellmöglichkeiten zur Steuerung ihrer Empfindlichkeit aufweisen. Die Systemempfindlichkeit lässt sich auch durch Variieren der Wellenlänge des eingekoppelten Infrarotlichts anpassen.
Beispiel Nr. 2 – Sicherheit für unterirdische Anlagen
In einem ähnlichen Beispiel ist das Glasfaserkabel unter mehreren Schachtdeckeln befestigt, um unbefugten Zugriff auf unterirdische Versorgungsleitungen zu verhindern.
Unter jedem Schachtdeckel ist ein optomagnetischer Auslöser installiert. Sobald dieser Auslöser erkennt, dass ein Schachtdeckel entfernt wurde, aktiviert er einen internen Mechanismus, der die Glasfaser stark knickt. Wie im ersten Beispiel erfasst das OTDR am Systemkopf den daraus resultierenden Lichtverlust, löst einen Alarm aus und lokalisiert den genauen Ort des Ereignisses.
Probleme gelöst
Dieser neue Ansatz bietet Lösungen für einige der klassischen Herausforderungen, mit denen sich Entwickler von Sicherheitssystemen konfrontiert sehen, wie zum Beispiel:
Wie lassen sich sehr große Entfernungen kostengünstig überwachen?
Glasfaser überträgt Signale über deutlich größere Entfernungen als Kupferkabel, ohne dass eine erneute Signalverstärkung erforderlich ist. Für die Sensoren wird keine elektrische Stromversorgung benötigt. Dadurch ist Glasfasertechnik eine kostengünstige Sicherheitslösung zur Überwachung sehr großer Bereiche, beispielsweise um Militärbasen, große Fabrikanlagen usw.
Wie lässt sich die höhere Anzahl von Fehlalarmen reduzieren, die bei der Überwachung großer Bereiche auftreten?
Das hier beschriebene Verfahren zur Perimeterüberwachung nutzt optomechanische Sensoren mit Mechanismen zur Spannungsanpassung des faseroptischen Sensorkabels. Die Sensoren lassen sich so einstellen, dass sie Wind, Schnee und anderen Umwelteinflüssen standhalten und dadurch Fehlalarme reduzieren oder sogar ganz vermeiden. Auch die Empfindlichkeit des Systems kann durch Variation der Wellenlänge des in das Kabel eingekoppelten Lichts angepasst werden.
Wie kann man sich davor schützen, dass jemand das Sicherheitssystem überwindet?
Ein besonderes Merkmal eines Glasfaser-Sicherheitssystems ist, dass Glasfasern im Gegensatz zu Kupferdrähten nicht durchtrennt, gespleißt oder überbrückt werden können, ohne entdeckt zu werden.
Wie lassen sich Umgebungen überwachen, die explosionsgefährdeten Gasen ausgesetzt sind?
Glasfasern nutzen Infrarotlicht statt Elektrizität zur Signalübertragung. Im Gegensatz zu Kupferdrähten können Glasfasern keine Lichtbögen oder Funken erzeugen, die eine Explosion auslösen könnten. Daher eignen sich Glasfasersensoren ideal zur Überwachung von Chemieanlagen, unterirdischen Anlagen, Lagertanks und vielen anderen Bereichen, in denen brennbare Gase vorhanden sein können.
Wie lassen sich Umgebungen überwachen, in denen leitfähige oder korrosive Flüssigkeiten oder Gase vorhanden sind?
Optische Fasern bestehen aus Glas, das inert ist. Im Gegensatz zu metallischen Drähten korrodieren optische Fasern nicht bei Kontakt mit Chemikalien und können auch bei Wasserkontakt keinen Kurzschluss verursachen.
Wie entwirft man ein System, das Gewitter übersteht?
Ein Sicherheitssystem, das ein großes Gebiet abdeckt, ist anfälliger für Schäden oder Zerstörungen durch Gewitter. Glasfasern, die aus Glas bestehen, leiten weder Strom noch Blitze. Wird ein Sensor durch einen Blitzeinschlag zerstört, kann der Blitz nicht über das Glasfaserkabel andere Sensoren und Systemkomponenten beschädigen.
Installationshinweise
Wie man schließen kann, erfordern Sicherheitssysteme, die Licht (Photonen) anstelle von Elektrizität (Elektronen) nutzen, andere Fachkenntnisse von den Installateuren. Die Handhabung von Glasfasern ist nicht unbedingt schwieriger, erfordert aber neues Wissen und Werkzeuge.
Die oben beschriebenen Glasfaser-Sicherheitssysteme benötigen zudem eine benutzerfreundliche Software, die das OTDR-Messgerät des Systems mit einem Monitor verbindet, um ausgelöste Sensoren entlang der Kabelstrecke anzuzeigen. Sorgfältig beschriftete Karten, die die Dämpfungspunkte darstellen, ermöglichen es dem Sicherheitspersonal, einen Einbruchsversuch schnell zu lokalisieren und umgehend zu reagieren.
Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Arten von Glasfaser-Sicherheitssystemen. Installateure müssen sowohl mit dem vom Endkunden spezifizierten Systemtyp als auch mit den Installationsvorgaben des Herstellers vertraut sein. Die Installation von Glasfaser-Sicherheitssystemen sollte ausschließlich von werkseitig geschulten und autorisierten Installateuren durchgeführt werden.
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