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，據此可以找到監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處應變為ε時的布里淵頻移差，ΔvB(l,0)為離光纖入射段l處應變為0時的布里淵頻移差，通常ΔvB(l,0)在光纖上是均勻的，取常數。故式(1)可改寫為

ε(l)=kΔvB(l,ε)

(2)

其中常數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ΔvB-ε(l)曲線圖的變化就可及時發現竊聽者的存在，實施反竊聽措施。

2.2 基于BOTDR的監測模型

建立基于BOTDR的監測模型如圖1所示[6]。監測模型的整體設計思路為：激光器發送一定功率和周期的連續光脈沖，功率和頻率視具體情況而定。連續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)調制以滿足脈沖調制器對輸入光偏振的要求，然后進行脈沖調制，經過摻鉺光纖放大器(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，布里淵散射頻移經過數字信號處理，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的變化，從光信號偏振態的變化規律來判斷是否存在竊聽現象。在光纖輸入端發送周期性的功率光脈沖，光脈沖信號進入傳感光纖，產生的背向瑞利散射光信號由光纖經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不變，從測得的信號變化可得到光纖中偏振態的變化規律。基于POTDR的光纖反竊聽技術就是依據當存在竊聽時，光纖會產生應力變化，導致背向瑞利散射光信號的偏振態的改變，發現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代表纖芯介質的折射率，σ代表泊松比，p11和p12是光纖中的彈光系數。

由公式可看出，在特定的溫度條件下，偏振態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的演變規律，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的監測模型

建立基于POTDR的監測模型如圖2所示。該監測模型的整體設計思路如下：激光器發出的一定波長的光功率脈沖信號經過摻鉺光纖(EDFA1)放大后，再經過環形器、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。光纖產生的背向瑞利散射光返回輸入端經過起(檢)偏器時，起(檢)偏器作為檢偏器，根據散射點偏振態的差異轉化為強度變化的微弱光。微弱光信號經過摻鉺光纖(EDFA2)放大后通過耦合器分為兩路：一路作為觸發信號來觸發數據采集卡；另一路進入光探測器進行探測判斷，當觸發信號與數據采集卡的觸發方式相吻合時，將光探測器的探測信號緩存入數據采集卡，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據取平均值的方法，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統歸結于竊聽引起。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。

[1] 吳俊,趙四新.海底光纜竊聽與反竊聽技術分析[J].信息安全與通信保密,2006(1):89-91.

[2] 陳暉,祝世雄.光纖通信竊聽及其檢測技術探討[J].信息安全與通信保密,2012(1):61-63.

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

[4] MARQUIS D,MEDARD M,BARRY R A,et al.Physical Security Considerations in All-Optical Networks[C]//SPIE Proceedings,1997(3228):260-271.

[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:電子工業出版社,2011(8).

[8] 李建中,饒云江,冉曾令.POTDR分布式光纖傳感及其在安防監測中的應用[J].光子學報,2009(11):2789-2794.

[9] 董賢子,吳重慶,付松年,等.基于P-OTDR分布式光纖傳感中信息提取的研究[J].北方交通大學學報,2003(6):106-110.

[10] 羅青松,陽華,劉志強,等.光網絡安全現狀及關鍵技術研究[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