本文不牽涉政治,但如果能更好地實施邊境管制(border control),為什麼還要修建圍牆或圍欄?我們是電子設計師,所以讓我們用聰明的電子設計架構來強化邊境管制。

以下是可進行的一些可能具有成本效益的想法。

瑞利反向散射(Rayleigh backscattering)

瑞利反向散射是空氣或光纖中的分子、波、粒子或訊號沿著發射它們的方向原路返回的光散射。透過光纖指標的微小變化,可以借助這種現象檢測光纖中的故障。

透過使用一根單模、埋入式光纜,在光纜周圍100公尺(m)的條形區域及該光纜長度超過40公里(km)的範圍內,透過使用專門開發的軟體,可以清楚地識別人員走動、車輛移動甚至挖掘行為(如毒販所挖的地道)等各種獨特的反向散射特徵,並可在沿光纖幾公尺的範圍內即時精確地定位這些行為。

被稱為Hyperbox的瑞利反向散射詢問器(interrogator)已被開發出來。借助對這種系統的策略性安裝(幾十個量級),以具備成本效益的價格進行7天、24小時的全時段覆蓋,我們可以減少所需的特工人數。美國與墨西哥的邊境很長(3,145km);而美國與加拿大的邊境更長(8,891km)。

由於瑞利反向散射的特性,可以很容易地發現擾動。它對光纖折射率的第八階敏感,如下面描述瑞利反向散射的方程式所示:

20170705NT01P1-1

其中: αscat是瑞利散射係數(無單位); λ是光的波長(m); n是光纖纖芯的折射率(無單位); p是玻璃的光彈性係數; k是波爾茲曼常數(1.38064852 E-23m2 kg s-2 K-1); β是等溫壓縮性(恆定溫度下壓力變化時光纖體積的分數變化); Tf是一個虛構溫度,表示材料中密度波動「凍結」時的溫度(K)。

這種系統的元件包括使用一個非常低雜訊的光纖耦合1550雷射——一個半導體光放大器(SOA)向光環行器發送雷射脈衝(圖1中的第一腳),該環行器又將光發送到填埋光纖(圖1中的第二腳)。

20170705NT01P1 圖1 這是一個用於監視120km光纖Hyperbox詢問器的方塊圖。該系統透過將脈衝分成兩個輸出,以同時監視兩條60km光纖支路。

接收到的訊號返回到環行器(第二支路)並從圖1中的第三腳出來,被放大並耦合到檢測器中。下一級對反射訊號濾波,對其進行數位化後儲存以進行分析。

20170705NT01P2 圖2 Hyperbox系統。

我們可以在圖3所示的方塊圖中看到一個更詳細的系統圖。這是可能的第一道安全防線。

20170705NT01P3 圖3 Hyperbox更詳細的方塊圖。

能量採集、自主無線感測器

現在我們利用微機電系統(MEMS)和能量採集技術來為眾多壓電振動能量採集器(PEH)的感測電子裝置供電。《Powering autonomous wireless sensors with miniaturized piezoelectric based energy harvesting devices for Non-Destructive Testing (NDT)applications(利用基於小型壓電式能量採集器對用於無損檢測(NDT)應用的自主無線感測器供電)》一文中描述了這樣的系統,它能夠在0.1G/23.2Hz的加速度下,沿重力方向產生60μW的RMS功率輸出,封裝為4×25mm2

透過使用這種具有直接壓電效應的採集技術,我們可以將機械振動轉換為電能。通常,在非常低的頻率下(例如腳步或者挖掘),採集的能量不足以驅動在200ms內消耗100μW的感測電子裝置。在該文中,作者開發出了一種薄化製程,可以使用厚度小於20μm的超薄體積壓電換能器(PZT)材料實現一種小型PEH。

在0.1G下測得的RMS輸出功率密度高達6.6mW/cm3/g2(假設封裝為6×30×5mm3)。

實際上,可將數千個這種感測器連接到一個專有網路,如無線感測器網路(WSN)——這會是一種低成本技術,可以為複雜環境的連續監控提供智慧。線性拓撲的節點可能使用無線電通訊以菊輪鍊方式佈置;線性WSN(LWSN)拓撲通常具有稀疏的節點部署、長傳輸距離和虛擬線路上的節點對齊。

LWSN網路的常規部署存在一些侷限性,但《A Wireless Sensor Network Border Monitoring System: Deployment Issues and Routing Protocols(一種無線感測器網路邊境監控系統:部署問題和路由通訊協定)》一文中提出的跨層通訊協定解決了該協定中當前存在的一些問題。這種方法克服了多層系統的缺陷,採用了一種平坦的模組化系統架構——該架構採用基本感測器節點(BSN)設計,可協同進行檢測和報告事件。這些BSN被部署在地面上,需要邊防警衛介入,但仍可提供大跨度間隔。

利用現有的監控塔(MT)網路,雷達和攝影機可以在MT進行融合,從而降低誤報率。

我們可選擇檢測概率或正交路徑作為測量LWSN的跨境檢測品質的適當方法。相信最近的這項工作對於作為替代「圍牆」或「圍欄」的一種低成本安全方案非常有希望。美國的Elbit系統也有做成整合固定塔的Peregrine解決方案。

20170705NT01P4 圖4 具有基本要求s(t)的壓電振盪器的整體佈局。

無人機

當然,這篇文章的最後一個想法是使用低成本、很常見的無人飛行器(UAV)/無人機。《UAV Exploitation: A New Domain for Cyber Power(利用無人機:網路力量的新領域)》一文中討論了無人機可能被透過常規或網路技術作為破壞目標這一情況。圖5顯示了攻擊者如何來看無人機。

20170705NT01P5 圖5 無人機元件和資訊流。

因為其他IT領域中缺乏諸如加密通訊通道、受保護軟體等通常使用的安全措施,對無人機的攻擊是可能的。廢掉無人機的最直接方法可能就是把它從空中打下來,但部署更小型的無人機可能會使其變得更困難。借助已有的整合雷達檢測、電光和紅外線跟蹤,以及無線電干擾等技術可以開發出針對小型無人機的反制措施。

如何為這些系統供電和充電?

SKYSENSE、Humavox和Airnest等許多創新公司提供了多種商業解決方案。可以使用太陽能充電平台,有些平台甚至允許無人機懸停在其上方充電。

攝影機

網路攝影機的多功能性與許多可用的應用和視訊分析軟體結合,使得相機系統變得靈活、可擴展並具有成本效益。有興趣請參閱Axis Communications的白皮書《Drawing the line: network video for flexible and versatile perimeter protection(繪製邊境線:針對靈活多功能邊境保護的網路視訊)》。添加聲音到這些攝影機,也就可擁有一款「監聽」設備。

光達(LiDAR)和雷達

Quanergy有款有用的光達解決方案;而Blighter Surveillance Systems提供了一款出色的雷達方案。雷達和波束成形具有優點,有興趣者可參見該公司的宣傳影片。

可根據自己的想法對上述這些想法和架構進行擴展和改進。我們是電子設計師——可以做得更好。