چکیده: ضعف عمده فناوری های فعلی مانیتورینگ مرز- نظیر فنس ها و دوربین ها – این است که متجاوزان احتمالی می توانند آنها را از فواصل نسبتا دور ببینند و از آنها اطلاع داشته باشند. این مقاله به منظور یافتن یک سامانه پنهانی حفاظت از مرز، تحقیقات انجام شده در دانشگاه A&M تگزاس در رابطه با ایجاد یک سیستم فیبر نوری خوابانده شده در زیر سطح خاک که از بازتاب سنج دامنه زمانی نوری حساس به فاز نوری استفاده می کند را گزارش و تشریح می کند.
مقاله زیر در فصل نامه دانشکده علوم و فنون مرز، سال پنجم، به شماره ۱، بهار۹۳ توسط نویسندگان( ویلیام تی اسنیدر، کریستی کیمدسن، رابرت ای اتکینسن، جان سی سیمسیک) که به ترجمه آقای حسین زینی اردکانی[۱] رسیده بود چاپ شده است.
چکیده: ضعف عمده فناوری های فعلی مانیتورینگ مرز- نظیر فنس ها و دوربین ها – این است که متجاوزان احتمالی می توانند آنها را از فواصل نسبتا دور ببینند و از آنها اطلاع داشته باشند. این مقاله به منظور یافتن یک سامانه پنهانی حفاظت از مرز، تحقیقات انجام شده در دانشگاه A&M تگزاس در رابطه با ایجاد یک سیستم فیبر نوری خوابانده شده در زیر سطح خاک که از بازتاب سنج دامنه زمانی نوری حساس به فاز نوری استفاده می کند را گزارش و تشریح می کند. پالس های نور حاصل از یک لیزر کاملا منسجم به داخل فیبرنوری دفن شده در زیر خاک وارد و با استفاده از تفاوت بازتاب تابش ها مانتیور بررسی می شوند. متجاوزان واقع در محدوده فیبرنوری موجب ایجاد تغییرات فازی نوری قابل تشخص از طریق بازتاب تابش ها می شوند. سپس از یک آرایه FPG[۲] برای پردازش فوری سیگنال های دریافتی استفاده می شود. این قابلیت، امکان ادامه مانیتورینگ در هنگام تولید و ایجاد هشدار مربوط به یک تجاوز شناسایی شده را میسر می کند. از آنجا که تنها دسترسی به یک سمت از فیبر دفن شده کفایت می کند، قابلیت های شناسایی در تمام فیبر مذکور موجود و ممکن هستند. به کمک تقویت کننده ها می توان ناحیه تحت مراقبت این سیستم را به صدها کیلومتر توسعه داد. این موضوع موجب شده تا این فناوری یکی از اولویت های موجود برای توسعه مانیتورینگ کم هزینه و غیرمحسوس (مخفی ) مرزهای کشور باشد.
کلید واژه ها
مانیتورینگ، فیبرنوری، لیزر و بازتاب سنج.
مقدمه
مرزهای میان ایالات متحده و مکزیک در حدود ۱۹۵۲ مایل گسترده و در سال ۲۰۰۴ در حدود ۱.۱میلیون مورد بازداشت در طول مرز گزارش شده است. به ازای هر مورد بازداشت در مرز، تعداد زیادی مهاجر غیرقانونی و متجاوز می توانند به ایالات متحده وارد شوند. آمارهای رسمی نیروهای مرزبانی تعداد مهاجران غیرقانونی بازداشت شده در طول مرز را یک پنجم مهاجران غیرقانونی که موفق به عبور مرزها می شوند، برآورده کرده است. با وجود اینکه نرخ ۲۰درصد دستگیری بسیار پایین است، از عوامل انسانی نیروی مرزبانی نمی توان انتظار داشت که به صورت دائمی و مناسب تمام طول مرز را بازید و محافظت کنند. به منظور افزایش نرخ کشف جرم در طول مرز، استفاده از فناورهای نوین ضروری است. سامانه سنسوری تشخیص تجاوز فیبرنوری توزیع شده، یک راهکار کم راهکار کم هزینه برای واپایش تمام طول مرز است. یک سامانه سنسوری تشخیص تجاوز فیبرنوری توزیع شده، امکان مانیتور کردن مسافت بسیار طولانی زمین را با تجزیه و تحلیل سیگنالهای بازگشتی و بازتابی حاصل از پالس های نوری ارسال شده به فیبر نوری دفن شده در زیر خک میسر می کند. یک بازتاب سنج دامنه زمانی نوری حساس به فاز (Ф-OTDR) که در دانشگاه A&M تکزاس طراحی شده، تغییرات حاصل در فاز نوری اشعه های بازتابی را تشخیص می دهد( تیلور، ۱۹۹۳). امواج ارتعاشی و فشاری حاصل از حرکت متجاوزان در محدوده فیبر نوری دفن شده، موجب تغییر در طول مسیر نور شده، که Ф-OTDR نیز نسبت به این تغییرات بسیار حساس است. علاوه بر تشخیص متجاوزان، این سامانه می تواند محل متجاوزان را نیز با مشخص کردن نقطه ای در طول فیبرنوری دفن شده معین کند.
در حال حاضر تعداد زیادی فناوری های مختلف نظیر سنسورهای ارتعاشی، دوربین ها و تشخیص دهنده های حرکت برای مانیتورینگ طول مرز وجود دارد. با این حال این فناوری های برد محدور و اشکالات متعددی دارند. این فناوری های بر روی زمین مستقر می شوند و این موضوع موجب می شود تا متجاوزان فرصت دیدن و اجتناب از شناسایی توسط آنها را در اختیار داشته باشند. همچنین با اضافه شدن اجزا در طول منطقه حفاظتی برای پوشش مسافت بیشتر، پیچیدگی این سامانه ها نیز افزایش می یابد.
سنسور تشخیص تجاوز فیبرنوری همان طور که در شکل (۱) نشان داده شده استف مزایای متعددی نسبت به فناوری های مانیتورینگ محیطی سنتی دارند. از یک کابل میتوان برای مانیتورینگ ده ها کیلومتر از مرز استفاده کرد و با به کارگیری از تقویت کننده های مختص فیبرنوری نیز می توان این مسافت مانیتورینگ را به صدها کیلومتر ارتقا داد. دفنی بودن فیبر موجب می شود که به دلیل نبود نشانه ای مبنی بر حضور سامانه واپایش، امکان آسیب رسیدن به این سامانه به میزان قابل توجهی کاهش یافته و ارتباطات نوری نیز در معرض مداخله فرکانسی مشابه آنچه در مورد امواج الکترومغناطیسی و یا رادیویی سراغ داریم، نباشند (شینمن، ۲۰۰۴). برای جایگزین کردن لیزر و شناساگرها، تنها لازم است به یک سمت از فیبر دسترسی داشته باشیم. برای مسافت های طولانی در طول مرز، پردازش فوری سیگنال ها را میتوان در مکان های پایانه انجام داد و هشدارهای لازم را از طریق کانال های ارتباطی موجود به مرکز فرماندهی راه دور ارسال کرد.
تشخیص متجاوزان و مکان یابی نقطه تجاوز
بازتاب سنج دامنه زمانی نوری OTDR ابتدا به منظور سنسور کردن فیبر نوری در دو دهه گذشته عرضه شد (جوآرز،۲۰۰۵). پالس های نوری حاصل از یک لیزر نیممه رسانا به فیبرنوری وارد می شوند و سپس اشعه بازتاب های متفرق حاصل توسط یک شناسایی کننده تصویر آشکار می گردند. بازتاب سنج Ф-OTDR تغییرات فاز نوری را درعوض تغییرات افت قدرت امواج می سنجد که آن را نسبت به اختلالات طخ داده در طول فیبر نوری بسیار حساس تر می کند. (چوی، ۲۰۰۳ و جوآرز، ۲۰۰۵). بازتاب سنج Ф-OTDR، به لیزر با پهنای نور باریک نیاز دارد( چوی، ۲۰۰۳). اختلال های در طول فیبرنوری از طریق مقایسه پالس های نوری متوالی شناسایی می شوند. تعیین مکان محل تجاوز نیز با در نظر گرفتن تناسب مسافت با وقفه زمانی میسر است.
الف) سیستم بازتاب سنج Ф-OTDR: در شکل(۲) می توانید دیاگرام کلی مربوط به سیستم Ф-OTDR را مشاهده کنید. یک لیزر بسیار منسجم برای انتشار نور در فیبرنوری به کار برده شده است. دوره زمانی پالس طوری انتخاب می شود که از زمان لازم برای انتشار پالس نوری در تمام طول فیبر نوری و شناسایی کامل بازتاب های آن بزرگتر بوده و ناهم پوشانی داده ها تضمین شود. در آزمایشی که ما به انجام رساندیم، از یک فیبر۱۲ کیلومتری که به ۱۲۰ میکرو ثانیه برای شناسایی کامل نفوذ نیاز داشت استفاده کردیم؛ بنابراین از یک دوره زمانی پالس ۱۵۰میکرو ثانیه ای استفاده کردیم. از آنجا که پالس از یک سمت فیبر وارد آن شده و از همان سمت نیز مانیتورینگ ان صورت می پذیرد؛ یک منشر کننده برای اطمینان از جداسازی سیگنال ها به کار گرفته شده است. در سمت گیرنده از جداسازی قطبی به منظور شناسایی بر روی دو کانال بهره گرفته شده است (جوآرز، ۲۰۰۵). جمع آوری و پردازش داده ها توسط یک کارت Natioal Instruments PCI-7831RFPGA» صورت می پذیرد.
ب) تعیین مکان متجاوز:
همان طور که در شکل (۳) می بینید، با دانستن مدت زمانی که اختلاف در پالس های متوالی معین می شود، می توان مکان تجاوز را معین کرد.
با دانستن سرعت نور در فیبر و مدت زمانی که تفاوت در پالس های متوالی معین می شود، می توان طبق معادله شماره (۱) مسافت مورد نظر را به دست آورد. ضریب ۱ به ۲ نیز به خاطر اینکه ما در حال شناسایی سیگنال بازتابی هستیم، ضرورت دارد. پالس نوری باید در طول فیبر دو مرتبه حرکت کند؛ پالس نوری تا آن مکان و سپس بازتاب آن تا شناساگر.
d = (v.t)/2
همانطور که در شکل(۴) می بینید، در آزمایشی که ما انجام دادیم، یک قطعه ۴۴ متری از فیبر دفن شده میان دو قرقره از فیبر داشتیم. قرقره در سرجلویی فیبر شامل ۲ کیلومتر فیبر بود؛ بنابراین همه تجاوزهای آزمایش ما در مکان ۲ کیلومتری از فیبر رخ می داد. به دلیل محدودیت های حافظه برای آرایه FPGA، ما تنها نقطه ۲ کیلومتری را برای تجاوزها واپایش کردیم.
ج) جمع آوری و پردازش داده ها: برنامه نویسی آرایه FPGA با استفاده از Lab View انجام شد تا جمع آوری و پردازش داده ها تحت واپایش باشد. این آرایه به طور دائمی داده ها را بر روی دو کانال با پهنای باند ۵.۱ مگا سیگنال بر ثانیه (۱.۵ MS/sec) دریافت و به صورت آنی پردازش می کند. به محض اینکه داده ها برای زدودن نویز فیلتر شدند، آنها با یک معیار تجاوز از پیش تعیین شده مقایسه می شوند. در صورتی که با این معیار مطابقت نکنند، نقطه داده در یک حافظه میانجی (بافر) قرار داده می شود. FPGA برای نگهداری بافر ۱۰ ثانیه ای از داده ها برنامه نویسی شده است و در صورتی که داده ها با معیار تجاوز از پیش تعیین شده مطابقت کنند، یک سیگنال اعلام نفوذ ایجاد می شود. یک داده دارای برچسب زمانی تولید شده، بافر داده درآن قرار داده شده و ۲۰ ثانیه اضافه از داده های تازه رسیده به این قابل اضافه می شوند. بعد از ساخت این فایل، نرم افزار خود را به حالت اولیه برمی گرداند و منتظر تجاوز بعدی می ماند. بافر و دفعات ثبت، کاملا قابل تنظیم می باشند.
آنالیز تجاوز
فایل های تجاوز توسط نرم افزار ساخته می شوند که یکی از آنها را در شکل (۵) مشاهده می کنید. این فایل هم شامل داده های خام و هم شامل داده های فیلتر شده دریافتی بر روی دو کانال است. با ذخیره داده های خام، درآینده در صورت نیاز می توانیم از الگوریتم های پردازش سیگنال قوی به صورت آفلاین بر روی این داده ها بهره ببریم.
الف) علایم تجاوز، با پردازش فوری سیگنال، ما علایم تجاوز را برای یک انسان پیاده که دقیقا از روی فیبر دفن شده عبور می کند و همچنین یک خودرو کهدر یک جاده هموار با فاصله تقریبا ۲۰ متر از فیبر دفن شده رانندگی می کند، شناسایی کردیم. این علایم در شکل (۶) نشان داده شده اند.
این نوع تجاوز پاسخ متفاوتی می دهند. برای یک انسان متجاوز پیاده در نمودار (a)، توجه داشته باشید که هر قدم مجزا به وضوح قابل تشخیص و شناسایی است. برای یک خودروی متجاوز در نمودار(b)، توجه کنید که یک اختلال و پرازیت ممتد را در زمانی که خودروی در محدوده فیبرنوری دفن شده حرکت می کند، شاهد خواهیم بود. دامنه اختلال نیز با فاصله خودرو از فیبر نوری تناسب دارد. ما بر روی الگوریتم پردازش سییگنال نسل آتی مشغول به کار هستیم تا امکان دسته بندی فوری نفوذها و تجاوزات صورت گرفته را بر مبنای تفاوت علایم آنها میسر کنیم.
نتیجه گیری
این مقاله گزارشی بود از سیستم فوق العاده حساس Ф-OTDR که در دانشگاه A&Mتکزاس ساخته شده و قادر به شناسایی متجاوزان نزدیک به محدوده یک کابل فیبرنوری دفن شده به صورت آنی است. قابلیت پردازش فوری سیگنال بسته به میزان حافظه موجود بر روی واحد FPGA محدود است. یک آزمایش میدانی موفق نشان داد که این سیستم می تواند تجاوزها را به صورت فوری شناسایی کرده و اعلام کند. سیستم تشخیص تجاوزی فیبرنوری ما امکان شناسایی تجاوزها در طول یک فیبرنوری دفن شده را فراهم کرده و افزون بر آن محل تجاوزها را بر حسب یک نقطه معین در طول فیبر مشخص می کند. این ویژگی ها موجب شده تا این سیستم یک کاندیدای بسیار مناسب برای واپایش کردن مرزهای ملی به شمار آید. در مرز ایالات متحده –مکزیک، یک متجاوز غیرقانونی تلاش خواهد کرد از روی فیبرنوری دفن شده در طول مرز عبورکند؛ بنابراین یک سیگنال نفوذ ایجاد و به خوبی اطلاع پیدا کرده و در نتیجه کار دستگیر کردن مضنون بسیار آسان می شود. این فناوری به خاطر تشخیص متجاوزان بدون اطلاع وی و اعلام محل دقیق تجاوز به نیروهای مرزبانی، کمک بسیار زیادی به افزایش نرخ دستگیری مجرمان و پیشگیری از جرایم مرزی خواهد کرد.
[۱] . کارشناس ارشد علوم دریایی، [email protected]
[۲] . field programmable gate array
