Charakterizácia citlivosti optických káblov na akustické vibrácie

V dnešnej dobe sa optické vlákna čoraz častejšie používajú ako na prenos dát, tak aj na prenos dát. Mnoho výskumných skupín sa zameriava na ochranu infraštruktúr na báze vlákien proti odsluchovaniu dát, ktoré je možné vykonať viacerými technikami. Niektoré dátové prenosy nie sú šifrované a aj keď sú, existuje vysoké riziko, že v blízkej budúcnosti budú tieto údaje dešifrované kvantovými počítačmi. Preto sú dnes horúce témy kvantové šifrovanie a postkvantové šifrovanie. Relatívne neskúmanou oblasťou je optické snímanie pre vibrácie v akustickom, teda zvukovom spektre.

Mechanické vibrácie a akustický hluk pôsobiaci na optické vlákno spôsobujú zmeny namáhania a indexu lomu jadra vlákna. Tieto zmeny môžu následne byť detekované niekoľkými metódami a premenené na elektrický signál nasledovaný akustickým rozmnožovaním. Informácie, ako je zvuková zložka videohovaru, rozhovor medzi ľuďmi v miestnosti alebo telefónny hovor, môžu byť zachytené ešte predtým, ako je prevedená do digitálnej podoby a šifrovaná. Infraštruktúry optických vlákien tak, hlavne vo vnútri budov, môžu byť použité ako citlivé mikrofóny, čo predstavuje značné bezpečnostné riziko. Korene optického akustického snímania siahajú do 70. rokov, kedy sa realizovali prvé počuteľné experimenty na snímanie zvuku. Akustické snímanie je nedávno vysoko skúmaná oblasť kvôli bezpečnosti informačných systémov a sietí založených na optických vlákien. Akustické snímacie techniky možno rozdeliť na základe použitých metód.

Zmeny kmeňa vlákien možno zistiť v rayleigh backscattering. Tento efekt využíva metóda distribuovaného akustického snímania (das), kde sa po optickom vlákne prenáša koherentný laserový impulz. Škvrny rozptylu v vlákne spôsobujú, že vlákno pôsobí ako distribuovaný interferometer. Intenzita odrazeného svetla sa meria ako funkcia čAsu po prenose laserového pulzu. Das detekuje podpisy na úrovni pico-kmeňa v vlákne indukovanej vibroakustickými poruchami spôsobenými udalosťou v blízkosti optického kábla. Tieto perturbácie menia rozptyl v jadre vlákniny v molekulárnom meradle, pochádzajúce z heterogenít subvlnovej dĺžky, ktoré vznikli pri ťahaní vlákniny. Ďalší výskum je zameraný na fázovo citlivú optickú časovo-doménovú reflektometriu (Φ-Otdr) technológie.

Zmeny indexu lomu jadra vlákien spôsobené vonkajšími mechanickými vibráciami a akustickým šumom vedú k dopplerovým posunom svetelných vĺn prechádzajúcich cez optické vlákno. Tento jav sa dá vysvetliť ako dopplerový efekt v pružnom a rozšíriteľnom vlnovom vodisku. Dopplerovo indukovaná frekvencia alebo fázový posun šíriacej sa svetelnej vlny je detekovateľný v schémoch optických interferometrov, kde sa momentálna interferenčná fáza v časovej oblasti prevádza na elektrický signál. Frekvenčný posun je detekovateľný v usporiadaní fabry-perot (fpi), mach-zehnder (mzi) alebo michelson (mi) interferometre tvorené optickými vláknami s potrebnými optickými prvkami zahrnutými do optickej nastavenia.

Fpi sa veľmi často používa na usporiadanie bodových optických mikrofónov. Rôzne fpi založené mikrofónové návrhy sú k dispozícii a závislosť z dĺžky dutiny a použitých materiálov je možné porovnať. Takéto mikrofóny môžu byť tiež použité pre multipoint snímanie, napríklad pomocou rozdeľovača 1:4.

Špeciálne využitie fpi je možné tam, kde sa na detekciu akustických vibrácií používa štruktúra multimode-singlemode-multimode (msm) a priama detekcia merania. Mikroštruktúry vlákno bragg mriežky (fbg) začlenené do senzačného optického vlákna môžu byť použité ako zrkadlá pre fpi, kde je optická dutina vytvorená medzi dvoma alebo viac fbg. Usporiadanie fpi je vhodné aj na použitie ako mikrofóny a hydrofóny. Niekoľko prác založených na usporiadaní fpi bolo venovaných hlAsu snímanie s etylén propylén dién terpolymérovým fóliou a hliníkovým povrchom a založeniu na celulózovej triacetátovej membráne. Existujú aj jedinečné varianty detekčných schém v usporiadaní s fpi. Zahŕňajú experiment s použitím interferometra laserovej spätnej väzby, kde zmeny indexu lomu snímavého vlákna vedú k zmenám optickej frekvencie detekčného lasera. Dôležitou nevýhodou techniky založenej na fpi pre akustické snímanie je obmedzená možnosť merania v jednom alebo veľmi nízkom počte bodov na optickom vlákne. Ďalšou nevýhodou je potreba špeciálne upraveného vlákna, napr. s mikroštruktúrami fbg.

Úpravy používajúce mzi pre akustické snímanie sa používajú napríklad, je možné použiť mikrovlákno mzi, ktoré opäť vyžaduje špeciálne vlákno, alebo použiť konvenčné vlákna pre akustické monitorovanie plynových turbín. Na zvukové snímanie je tiež možné použiť otvorenú dutinu a kolimátory v snímacej ramene mzi.

Usporiadanie mi sa často používa ako hydrofóny snímajúce ultrazvuk, ale aj ako senzory pre zvukové frekvencie. Boli tiež hlásené implementácie pri snímaní seizmických vibrácií, rovnako ako možné použitie pri monitorovaní námorných štruktúr. Stojí za zmienku aj to, že sa vykonáva výskum, ktorý sa zaoberá zlepšením hlukovej stability mi. Hviezdna topológia optickej infraštruktúry vo vnútri budov dáva možnosť vybudovať usporiadanie mi. Jediné optické vlákno zvyčajne prechádza z miestnosti s centrálnym optickým spínačom do miestnosti s kúskom koncového zariadenia. Vlákno tak dokáže vycítiť akustické signály po celej svojej trase a môže byť pripojené ako meracie rameno usporiadania mi.

V tomto článku sme nastavili experimentálny mi, ktorý umožňuje detekciu akustických signálov cez optické vlákno vedené rôznymi typmi chodieb. Zamerali sme sa na meranie citlivosti tohto usporiadania na definované akustické signály v úplne anechoickom laboratóriu. Experimenty skúmali vplyv viacerých faktorov, ako je poloha optických vlákien a typy optických vlákien na kvalitu detekovaného signálu, pokiaľ ide o úroveň zrozumiteľnosti reči. Boli analyzované vlastnosti získaných signálov, porovnávané frekvenčné reakcie jednotlivých meradel a skúmané pomery signálu a hluku. V našej práci tiež meriame a hodnotíme index prenosu reči (sti), ktorý je prevládajúcim spôsobom objektívneho posudzovania očakávanej zrozumiteľnosti rečových signálov po prechode systémom.