此文不关涉政治,但如果能更好地实施边境控制,为什么要修建围墙或围栏?我们是电子设计师,所以让我们用聪明的电子设计架构来强化边境控制。

以下是我们可以展开的一些可能具有成本效益的想法。

瑞利背向散射(Rayleigh backscattering)

瑞利背向散射是空气或光纤中的分子、波、粒子或信号沿着发射它们的方向原路返回的光散射。通过光纤指标的微小变化,可以借助这种现象检测光纤中的故障。

通过使用一根单模、埋入式光缆,在光缆周围100m的条形区域及该光缆长度超过40km的范围内,通过使用专门开发的软件,我们可以清楚地识别人员走动、车辆移动甚至挖掘行为(如毒贩子所挖地道)等各种独特的背向散射特征,并可在沿光纤几米的范围内实时精确地对这些行为定位。

被称为Hyperbox的瑞利背向散射询问器已经被开发出。借助对这种系统的策略性安装(几十个量级),以具备成本效益的价格进行7天24小时的全时段覆盖,我们可以减少所需的特工人数。美国与墨西哥的边界很长(3,145km),而美国与加拿大的边境更长(8,891km)。

20170623bordercontrol-1 图1:这是一个用于监视120km光纤的Hyperbox询问器的方框图。该系统通过将脉冲分成两个输出来同时监视两条60km光纤支路。

由于瑞利背向散射的特性,我们可以很容易地发现扰动。它对光纤折射率的第8阶敏感,如下面描述瑞利背向散射的方程式所示:

20170623bordercontrol-e1

其中:

αscat是瑞利散射系数(无单位)

λ是光的波长(m)

n是光纤纤芯的折射率(无单位)

p是玻璃的光弹性系数

k是波尔兹曼常数(1.38064852 E-23 m2 kg s-2 K-1

β是等温压缩性(恒定温度下压力变化时光纤体积的分数变化)

Tf是一个虚构温度,表示材料中密度波动“冻结”时的温度(K)这种系统的元器件包括使用一个非常低噪声的光纤耦合1550激光器——一个半导体光放大器(SOA)向光环行器发送激光脉冲(图1中的第一脚),该环行器又将光发送到填埋光纤(图1中的第二脚)。

接收到的信号返回到环行器(第二支路)并从图1中的第三脚出来,被放大并耦合到检测器中。下一级对反射信号滤波,对其进行数字化后存储以进行分析。

20170623bordercontrol-2 图2:Hyperbox系统

我们可以在图3所示的框图中看到一个更详细的系统图。

20170623bordercontrol-3 图3:Hyperbox的更详细的框图

这是可能的第一道安全防线。

能量采集,自主无线传感器

现在我们利用MEMS和能量采集技术来为众多压电振动能量采集器(PEH)的传感电子装置供电。《Powering autonomous wireless sensors with miniaturized piezoelectric based energy harvesting devices for Non-Destructive Testing (NDT) applications(利用基于小型压电式能量采集器对用于无损检测(NDT)应用的自主无线传感器供电)》一文中描述了这样的系统,它能够在0.1G/23.2Hz的加速度下沿重力方向产生60μW的RMS功率输出,封装为4×25mm2。

20170623bordercontrol-4 图4:具有基本要求s(t)的压电振荡器的总体布局

通过使用这种具有直接压电效应的采集技术,我们可以将机械振动转换为电能。通常,在非常低的频率下(例如对脚步或者挖掘),采集的能量不足以驱动在200ms内消耗100μW的传感电子装置。在该文中,作者开发出了一种薄化工艺,可以使用厚度小于20μm的超薄体积压电换能器(PZT)材料实现一种小型PEH。

在0.1G下测得的RMS输出功率密度高达6.6mW/cm3/g2(假设封装为6×30×5mm3)。

实际上,可将数千个这种传感器连接到一个专有网络,如一个无线传感器网络(WSN)——这会是一种低成本技术,可以为复杂场景的连续监控提供智能。线性拓扑的节点可能使用无线电通信以菊花链方式布置。线性WSN(LWSN)拓扑通常具有稀疏的节点部署、长传输距离和虚拟线路上的节点对齐。

LWSN网络的常规部署存在一些局限性,但《A Wireless Sensor Network Border Monitoring System: Deployment Issues and Routing Protocols(一种无线传感器网络边界监控系统:部署问题和路由协议)》一文中提出的跨层通信协议解决了该协议中当前存在的一些问题。这种方法克服了多层系统的缺陷,采用了一种平坦的模块化系统架构——该架构采用基本传感器节点(BSN)设计,可协同进行检测和报告事件。这些BSN被部署在地面上,需要边防警卫介入,但仍可提供大跨度间隔。

通过使用现有的监控塔(MT)网络,雷达和摄像机可以在MT进行融合,从而降低误报警率(图5)。

20170623bordercontrol-5 图5:《A Wireless Sensor Network Border Monitoring System: Deployment Issues and Routing Protocols》一文中提出的系统架构

我们可选择检测概率或正交路径作为测量LWSN的跨境检测质量的适当方法。我相信最近的这项工作对于作为替代“围墙”或“围栏”的一种低成本安全方案是非常有希望的。

美国的Elbit系统公司也有做成集成固定塔的Peregrine解决方案。

无人机

当然,这篇文章的最后一个想法是使用低成本、很常见的无人飞行器(UAV)/无人机。《UAV Exploitation: A New Domain for Cyber Power(利用无人机:网络力量的新领域)》一文中讨论了无人机可能被通过常规或网络技术作为破坏目标这一情况。图6显示了攻击者如何来看无人机。

20170623bordercontrol-6 图6:无人机组件和信息流

因为其他IT领域中缺乏诸如加密通信信道、受保护软件等通常使用的安全措施,对无人机的攻击是可能的。废掉无人机的最直接方法可能就是把它打下来,但部署更小型的无人机可能会使其变得更困难。借助已有的集成雷达检测、电光和红外跟踪以及无线电干扰等技术可以开发出面向小型无人机的反制措施。

如何为这些系统供电和充电?

SKYSENSE、Humavox和Airnest等许多创新公司提供了多种商业解决方案。可以使用太阳能充电平台,有些平台甚至允许无人机悬停在其上方充电。

摄像机

网络摄像机的多功能性与许多可用的应用和视频分析软件相结合,使得相机系统灵活、可扩展并具有成本效益。有兴趣者请参阅Axis Communications公司的白皮书《Drawing the line: network video for flexible and versatile perimeter protection(绘制边界线:面向灵活多功能边界保护的网络视频)》。添加声音到这些摄像机,也就可拥有一款“监听”设备。

激光雷达(LIDAR)和雷达

Quanergy公司有款有用的LIDAR解决方案。而Blighter Surveillance Systems公司提供了一款出色的RADAR方案。RADAR和波束成形具有优点,有兴趣者可参见该公司的宣传视频。

我们可根据自己的想法对上述这些想法和架构进行扩展和改进。我们是电子设计师——可做得更棒。