針對光纖彎曲法的光纖反竊聽技術研究*

吳柳晏芳 王 平 蘇彬彬

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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針對光纖彎曲法的光纖反竊聽技術研究*

吳柳晏芳 王 平 蘇彬彬

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

為應對以光纖彎曲法為代表的光纖竊聽技術的威脅，需要采用相應的反竊聽手段進行應對。通過對布里淵光時域反射技術(BOTDR)和偏振光時域反射技術(POTDR)的基本原理進行分析，分別設計出了基于BOTDR和POTDR的光纖反竊聽監(jiān)測模型，該方法在理論上可以取得較好的反竊聽效果。

光纖彎曲法; BOTDR; POTDR; 光纖反竊聽

Class Number TN918.1

1 引言

一直以來光纖通信技術都被認為是安全可靠的，具有天然的保密性，但隨著偵察手段和竊聽技術的發(fā)展，以光纖彎曲法為代表的光纖竊聽技術應運而生。由于該技術引入的光纖損耗功率很小，竊聽時很難被察覺[1～2]。因此，研究有效的光纖反竊聽技術，保證光纖通信信息的安全，具有重要意義。BOTDR/POTDR技術可識別連續(xù)的損耗，檢測光纖彎曲、斷裂或其他竊聽引起的光纖信號波動，因此本設計采用BOTDR/POTDR的光纖反竊聽技術。

2 BOTDR反竊聽技術

2.1 檢測原理

光纖彎曲法通過控制光纖彎曲半徑，從通信光纖中取出1%的光功率實現(xiàn)對光信號的還原和竊聽[3]。由于1%的光功率損耗對原始光信號的傳輸質(zhì)量幾乎沒有影響，故具有較強的隱蔽性[4]。但光纖開剝和彎曲的過程中會造成機械特性的變化，據(jù)此可以找到監(jiān)測是否被竊聽的方法。

BOTDR技術是基于竊聽時光纖應變的變化設計的，它是由激光器發(fā)送一定頻率和功率的光脈沖，通過Y型耦合器注入待測光纖后，向布里淵散射光通過Y型耦合器輸入接收器，與激光器發(fā)送的光脈沖作信號處理，取出兩光信號的差頻信號即為布里淵散射頻移ΔvB。鑒于篇幅，給出光纖上某處的應變與布里淵頻移差的推導結果為[5]

(1)

式中ε(l)為離光纖入射段l處的應變，ΔvB(l,ε)為離光纖入射段l處應變?yōu)棣艜r的布里淵頻移差，ΔvB(l,0)為離光纖入射段l處應變?yōu)?時的布里淵頻移差，通常ΔvB(l,0)在光纖上是均勻的，取常數(shù)。故式(1)可改寫為

ε(l)=kΔvB(l,ε)

(2)

其中常數(shù)k=3.83ΔvB(l,0)。光纖入射距離與時間的關系為

(3)

c為光速，n代表光纖纖芯折射率，t代表注入被測光纖光脈沖的后向布里淵散射光返回入射端的時間。結合式(2)和式(3)可知，只要知道布里淵頻移ΔvB與時間t的關系，就可以得到應變ε(l)和l的關系。根據(jù)ΔvB-ε(l)曲線圖的變化就可及時發(fā)現(xiàn)竊聽者的存在，實施反竊聽措施。

2.2 基于BOTDR的監(jiān)測模型

建立基于BOTDR的監(jiān)測模型如圖1所示[6]。監(jiān)測模型的整體設計思路為：激光器發(fā)送一定功率和周期的連續(xù)光脈沖，功率和頻率視具體情況而定。連續(xù)光脈沖通過光纖耦合器進行光功率分配，一路光作為本地參考光，另一路光作為泵浦光。泵浦光首先通過光纖偏振控制器(PC)調(diào)制以滿足脈沖調(diào)制器對輸入光偏振的要求，然后進行脈沖調(diào)制，經(jīng)過摻鉺光纖放大器(EDFA)光放大后送入待測光纖。返回的布里淵散射光和本地參考光一起送入外差接收器作差頻處理，得到布里淵散射頻移ΔvB，布里淵散射頻移經(jīng)過數(shù)字信號處理，在計算機上得到待測光纖的應變和布里淵散射頻移(ΔvB-ε(l))曲線圖，判斷是否存在竊聽。若存在竊聽，則根據(jù)布里淵頻移ΔvB與時間t的關系，并由式(3)確定竊聽點位置。

圖1 基于BOTDR的監(jiān)測模型

3 POTDR反竊聽技術

3.1 檢測原理

POTDR技術是測量光纖中距輸入端不同距離點光信號偏振態(tài)的變化，從光信號偏振態(tài)的變化規(guī)律來判斷是否存在竊聽現(xiàn)象。在光纖輸入端發(fā)送周期性的功率光脈沖，光脈沖信號進入傳感光纖，產(chǎn)生的背向瑞利散射光信號由光纖經(jīng)檢偏器返回到輸入端，得到隨時間和光纖距離變化的背向瑞利散射光信號。由于背向瑞利散射光會保持散射點的偏振態(tài)不變，從測得的信號變化可得到光纖中偏振態(tài)的變化規(guī)律?；赑OTDR的光纖反竊聽技術就是依據(jù)當存在竊聽時，光纖會產(chǎn)生應力變化，導致背向瑞利散射光信號的偏振態(tài)的改變，發(fā)現(xiàn)竊聽并采取一定行動。

Δβ=βx-βy

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，λ代表自由空間波長，M是材料的楊氏模量，vg代表光在光纖中的傳輸速度，n代表纖芯介質(zhì)的折射率，σ代表泊松比，p11和p12是光纖中的彈光系數(shù)。

由公式可看出，在特定的溫度條件下，偏振態(tài)的變化包含了光纖受到外界應力F(l)的變化。從微弱的背向瑞利散射信號中提取出有用信息，得到光纖各距離點的偏振態(tài)的演變規(guī)律，從而推導出外界應力的變化特點，判斷是否存在竊聽。

3.2 基于POTDR的監(jiān)測模型

建立基于POTDR的監(jiān)測模型如圖2所示。該監(jiān)測模型的整體設計思路如下：激光器發(fā)出的一定波長的光功率脈沖信號經(jīng)過摻鉺光纖(EDFA1)放大后，再經(jīng)過環(huán)形器、偏振控制器和起(檢)偏器進入到待測光纖。其中，起(檢)偏器在光脈沖入射到待測光纖時作為起偏器，控制偏振控制器，使入射光的偏振方向與起偏器的偏振方向保持一致，提高入射光的傳輸效率。光纖產(chǎn)生的背向瑞利散射光返回輸入端經(jīng)過起(檢)偏器時，起(檢)偏器作為檢偏器，根據(jù)散射點偏振態(tài)的差異轉(zhuǎn)化為強度變化的微弱光。微弱光信號經(jīng)過摻鉺光纖(EDFA2)放大后通過耦合器分為兩路：一路作為觸發(fā)信號來觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡；另一路進入光探測器進行探測判斷，當觸發(fā)信號與數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)方式相吻合時，將光探測器的探測信號緩存入數(shù)據(jù)采集卡，并將信息保存入計算機。

由于淹沒在噪聲中的背向瑞利散射信號很微弱，采用對多次存儲于計算機的采集數(shù)據(jù)取平均值的方法，從噪聲中提取出有用的信號[9]。

圖2 基于POTDR的監(jiān)測模型

4 結語

基于BOTDR/POTDR的光纖反竊聽技術可以得到在特定的溫度條件下，當光纖收到外界應力的突然變化時，光纖某些特性和參數(shù)的改變，以此來判定竊聽的存在。但可以看到的是，外界應力的變化是由竊聽引起還是由自然原因造成的，無法進行具體判斷分析。只是由于自然因素的影響概率很小，將外界應力的變化統(tǒng)統(tǒng)歸結于竊聽引起。因此這種技術具有很大的局限性，只能粗略的進行判斷竊聽[10]，更精確地光纖反竊聽技術還需要進一步研究。

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[3] 王芳,景小寧,趙峰.一種新的光纜竊聽系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術,2008(13):49-51.

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[5] Iguchi N, Tanaka M, Takayama J, et al. Identification of Transmitting Wave form for Deconvolution Process[C]//Proceedings of the 41st SICE Annual Conference, Osaka :SICE 2002,2002(3):1891 -1893.

[6] 鄧大鵬,王晶,李洪順,等.BOTDR在光纜線路防竊聽監(jiān)測的應用[C]//中國通信學會.中國通信學會第五屆學術年會論文集,2008.

[7] 劉宇,朱繼華,胡章芳,等.光纖傳感原理及檢測技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011(8).

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[10] 羅青松,陽華,劉志強,等.光網(wǎng)絡安全現(xiàn)狀及關鍵技術研究[J].中國電子科學研究院學報,2013(4):338-343.

Fiber Anti-Hacking Technology Aimed at Fiber Bending Method

WU Liuyanfang WANG Ping SU Binbin

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In order to ensure the security of the information in fiber-optical communication, techniques of fiber anti-hacking are needed for the developing of fiber hacking. Depending on analyzing the fundamental of the Brillouin optical time domain reflectometer (BOTDR) and polarization sensitive optical time-domain reflectometer (POTDR), this paper proposes two monitoring models for fiber anti-hacking based on BOTDR and POTDR, and they can achieve good results on this matter in theory.

optical fiber bending method, brillouin optical time domain reflectometer, polarization sensitive optical time-domain reflectometer, fiber anti-hacking technology

2016年5月9日,

2016年6月24日

吳柳晏芳，女，碩士研究生，研究方向：水下通信。王平，男，副教授，研究方向：信息對抗。蘇彬彬，男，博士研究生，研究方向：海光纜通信。

TN918.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.006