针对光纤弯曲法的光纤反窃听技术研究*

吴柳晏芳 王 平 苏彬彬

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



针对光纤弯曲法的光纤反窃听技术研究*

吴柳晏芳 王 平 苏彬彬

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

为应对以光纤弯曲法为代表的光纤窃听技术的威胁，需要采用相应的反窃听手段进行应对。通过对布里渊光时域反射技术(BOTDR)和偏振光时域反射技术(POTDR)的基本原理进行分析，分别设计出了基于BOTDR和POTDR的光纤反窃听监测模型，该方法在理论上可以取得较好的反窃听效果。

光纤弯曲法; BOTDR; POTDR; 光纤反窃听

Class Number TN918.1

1 引言

一直以来光纤通信技术都被认为是安全可靠的，具有天然的保密性，但随着侦察手段和窃听技术的发展，以光纤弯曲法为代表的光纤窃听技术应运而生。由于该技术引入的光纤损耗功率很小，窃听时很难被察觉[1～2]。因此，研究有效的光纤反窃听技术，保证光纤通信信息的安全，具有重要意义。BOTDR/POTDR技术可识别连续的损耗，检测光纤弯曲、断裂或其他窃听引起的光纤信号波动，因此本设计采用BOTDR/POTDR的光纤反窃听技术。

2 BOTDR反窃听技术

2.1 检测原理

光纤弯曲法通过控制光纤弯曲半径，从通信光纤中取出1%的光功率实现对光信号的还原和窃听[3]。由于1%的光功率损耗对原始光信号的传输质量几乎没有影响，故具有较强的隐蔽性[4]。但光纤开剥和弯曲的过程中会造成机械特性的变化，据此可以找到监测是否被窃听的方法。

BOTDR技术是基于窃听时光纤应变的变化设计的，它是由激光器发送一定频率和功率的光脉冲，通过Y型耦合器注入待测光纤后，向布里渊散射光通过Y型耦合器输入接收器，与激光器发送的光脉冲作信号处理，取出两光信号的差频信号即为布里渊散射频移ΔvB。鉴于篇幅，给出光纤上某处的应变与布里渊频移差的推导结果为[5]

(1)

式中ε(l)为离光纤入射段l处的应变，ΔvB(l,ε)为离光纤入射段l处应变为ε时的布里渊频移差，ΔvB(l,0)为离光纤入射段l处应变为0时的布里渊频移差，通常ΔvB(l,0)在光纤上是均匀的，取常数。故式(1)可改写为

ε(l)=kΔvB(l,ε)

(2)

其中常数k=3.83ΔvB(l,0)。光纤入射距离与时间的关系为

(3)

c为光速，n代表光纤纤芯折射率，t代表注入被测光纤光脉冲的后向布里渊散射光返回入射端的时间。结合式(2)和式(3)可知，只要知道布里渊频移ΔvB与时间t的关系，就可以得到应变ε(l)和l的关系。根据ΔvB-ε(l)曲线图的变化就可及时发现窃听者的存在，实施反窃听措施。

2.2 基于BOTDR的监测模型

建立基于BOTDR的监测模型如图1所示[6]。监测模型的整体设计思路为：激光器发送一定功率和周期的连续光脉冲，功率和频率视具体情况而定。连续光脉冲通过光纤耦合器进行光功率分配，一路光作为本地参考光，另一路光作为泵浦光。泵浦光首先通过光纤偏振控制器(PC)调制以满足脉冲调制器对输入光偏振的要求，然后进行脉冲调制，经过掺铒光纤放大器(EDFA)光放大后送入待测光纤。返回的布里渊散射光和本地参考光一起送入外差接收器作差频处理，得到布里渊散射频移ΔvB，布里渊散射频移经过数字信号处理，在计算机上得到待测光纤的应变和布里渊散射频移(ΔvB-ε(l))曲线图，判断是否存在窃听。若存在窃听，则根据布里渊频移ΔvB与时间t的关系，并由式(3)确定窃听点位置。

图1 基于BOTDR的监测模型

3 POTDR反窃听技术

3.1 检测原理

POTDR技术是测量光纤中距输入端不同距离点光信号偏振态的变化，从光信号偏振态的变化规律来判断是否存在窃听现象。在光纤输入端发送周期性的功率光脉冲，光脉冲信号进入传感光纤，产生的背向瑞利散射光信号由光纤经检偏器返回到输入端，得到随时间和光纤距离变化的背向瑞利散射光信号。由于背向瑞利散射光会保持散射点的偏振态不变，从测得的信号变化可得到光纤中偏振态的变化规律。基于POTDR的光纤反窃听技术就是依据当存在窃听时，光纤会产生应力变化，导致背向瑞利散射光信号的偏振态的改变，发现窃听并采取一定行动。

Δβ=βx-βy

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，λ代表自由空间波长，M是材料的杨氏模量，vg代表光在光纤中的传输速度，n代表纤芯介质的折射率，σ代表泊松比，p11和p12是光纤中的弹光系数。

由公式可看出，在特定的温度条件下，偏振态的变化包含了光纤受到外界应力F(l)的变化。从微弱的背向瑞利散射信号中提取出有用信息，得到光纤各距离点的偏振态的演变规律，从而推导出外界应力的变化特点，判断是否存在窃听。

3.2 基于POTDR的监测模型

建立基于POTDR的监测模型如图2所示。该监测模型的整体设计思路如下：激光器发出的一定波长的光功率脉冲信号经过掺铒光纤(EDFA1)放大后，再经过环形器、偏振控制器和起(检)偏器进入到待测光纤。其中，起(检)偏器在光脉冲入射到待测光纤时作为起偏器，控制偏振控制器，使入射光的偏振方向与起偏器的偏振方向保持一致，提高入射光的传输效率。光纤产生的背向瑞利散射光返回输入端经过起(检)偏器时，起(检)偏器作为检偏器，根据散射点偏振态的差异转化为强度变化的微弱光。微弱光信号经过掺铒光纤(EDFA2)放大后通过耦合器分为两路：一路作为触发信号来触发数据采集卡；另一路进入光探测器进行探测判断，当触发信号与数据采集卡的触发方式相吻合时，将光探测器的探测信号缓存入数据采集卡，并将信息保存入计算机。

由于淹没在噪声中的背向瑞利散射信号很微弱，采用对多次存储于计算机的采集数据取平均值的方法，从噪声中提取出有用的信号[9]。

图2 基于POTDR的监测模型

4 结语

基于BOTDR/POTDR的光纤反窃听技术可以得到在特定的温度条件下，当光纤收到外界应力的突然变化时，光纤某些特性和参数的改变，以此来判定窃听的存在。但可以看到的是，外界应力的变化是由窃听引起还是由自然原因造成的，无法进行具体判断分析。只是由于自然因素的影响概率很小，将外界应力的变化统统归结于窃听引起。因此这种技术具有很大的局限性，只能粗略的进行判断窃听[10]，更精确地光纤反窃听技术还需要进一步研究。

[1] 吴俊,赵四新.海底光缆窃听与反窃听技术分析[J].信息安全与通信保密,2006(1):89-91.

[2] 陈晖,祝世雄.光纤通信窃听及其检测技术探讨[J].信息安全与通信保密,2012(1):61-63.

[3] 王芳,景小宁,赵峰.一种新的光缆窃听系统研究[J].现代电子技术,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] 邓大鹏,王晶,李洪顺,等.BOTDR在光缆线路防窃听监测的应用[C]//中国通信学会.中国通信学会第五届学术年会论文集,2008.

[7] 刘宇,朱继华,胡章芳,等.光纤传感原理及检测技术[M].北京:电子工业出版社,2011(8).

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[9] 董贤子,吴重庆,付松年,等.基于P-OTDR分布式光纤传感中信息提取的研究[J].北方交通大学学报,2003(6):106-110.

[10] 罗青松,阳华,刘志强,等.光网络安全现状及关键技术研究[J].中国电子科学研究院学报,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

吴柳晏芳，女，硕士研究生，研究方向：水下通信。王平，男，副教授，研究方向：信息对抗。苏彬彬，男，博士研究生，研究方向：海光缆通信。

TN918.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.006