Характеристика чувствительности волоконно-оптических кабелей к акустическим вибрациям

Dec 25, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7068 (2023) Цитировать эту статью

756 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптоволоконная инфраструктура необходима для передачи данных всех видов, как на большие расстояния, так и на короткие расстояния в городах. Оптические волокна также предпочтительны для инфраструктуры передачи данных внутри зданий, особенно в организациях с высоким уровнем безопасности и государственных учреждениях. В данной статье основное внимание уделяется эталонным измерениям и анализу чувствительности волоконно-оптических кабелей к акустическим волнам. Измерения проводились в безэховой камере для обеспечения стабильных условий акустического давления в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Частотная характеристика, соотношение сигнал/шум на частоту и индекс передачи речи оцениваются для различных типов волоконно-оптических кабелей и различных потолочных плит с последующим их сравнением. Также изучается влияние средств фиксации кабеля. Результаты доказывают, что инфраструктура на основе оптоволокна в зданиях может использоваться в качестве чувствительного микрофона.

В настоящее время оптические волокна все чаще используются как для передачи данных, так и для передачи неданных. Многие исследовательские группы сосредоточены на защите волоконно-оптических инфраструктур от перехвата данных, что может быть реализовано несколькими методами1. Некоторые передаваемые данные не зашифрованы, а даже если и шифруются, существует высокий риск того, что в ближайшем будущем эти данные будут расшифрованы квантовыми компьютерами. Поэтому актуальными темами сегодня являются квантовое шифрование и постквантовое шифрование. Относительно неисследованной областью является оптоволоконный датчик вибраций в акустическом и, следовательно, слышимом спектре.

Механические вибрации и акустический шум, действующие на оптическое волокно, вызывают изменения деформации и показателя преломления сердцевины волокна. Эти изменения впоследствии можно обнаружить несколькими методами и преобразовать в электрический сигнал с последующим акустическим воспроизведением. Такая информация, как аудиокомпонент видеовызова, разговор между людьми в комнате или телефонный звонок, может быть перехвачена еще до того, как она будет преобразована в цифровую форму и зашифрована. Таким образом, волоконно-оптические инфраструктуры, в основном внутри зданий, могут использоваться в качестве чувствительных микрофонов, что представляет собой серьезную угрозу безопасности. Корни волоконно-оптического акустического зондирования уходят корнями в 1970-е годы, когда были проведены первые эксперименты по звуковому зондированию2,3,4. Акустическое зондирование в последнее время стало хорошо изученной областью5,6,7 из-за безопасности информационных систем и сетей на основе оптоволокна. Методы акустического зондирования можно разделить в зависимости от используемых методов.

Изменения деформации волокна можно обнаружить с помощью обратного рэлеевского рассеяния. Метод распределенного акустического зондирования (DAS) использует этот эффект, при котором когерентный лазерный импульс передается по оптическому волокну8. Пятна рассеяния в волокне заставляют волокно действовать как распределенный интерферометр. Интенсивность отраженного света измеряется как функция времени после передачи лазерного импульса. DAS обнаруживает признаки пико-деформации в волокне, вызванные виброакустическими возмущениями, вызванными событиями вблизи оптического кабеля. Эти возмущения изменяют рассеяние в сердцевине волокна на молекулярном уровне, возникая из-за субволновых неоднородностей, образующихся при вытягивании волокна. Дальнейшие исследования сосредоточены на технологии фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области (\(\Phi\)-OTDR)9.

Изменения показателя преломления сердцевины волокна, вызванные внешними механическими вибрациями и акустическими шумами, приводят к доплеровским смещениям световых волн, распространяющихся по оптическому волокну. Это явление можно объяснить эффектом Доплера в гибком и расширяемом волноводе10. Доплеровско-индуцированный сдвиг частоты или фазы распространяющейся световой волны обнаруживается в схемах оптических интерферометров, где мгновенная интерференционная фаза во временной области преобразуется в электрический сигнал11. Сдвиг частоты обнаруживается в интерферометрах Фабри-Перо (FPI), Маха-Цендера (MZI) или Майкельсона (MI), образованных оптическими волокнами с необходимыми оптическими элементами, включенными в оптическую установку.