Optikai szálas kábelek érzékenységének jellemzése az akusztikus rezgésekre

Napjainkban egyre gyakrabban használják az optikai szálakat adatátvitel és nem adatátvitel egyaránt. Sok kutatócsoport összpontosít védelme szál alapú infrastruktúrák adathallgatás, hogy lehet tenni több technikával. Néhány adatátvitel nem titkosított, és még ha is van, van egy nagy kockázat, hogy a közeljövőben, ezek az adatok lesz dekódolható kvantumszámítógépek. Ezért a mai forró témák a kvantumtitkosítás és a post-quantum titkosítás. Viszonylag feltáratlan terület az akusztikus, tehát hallható spektrumban lévő rezgések száloptikai érzékelése.

A mechanikai rezgések és az optikai szálakra ható akusztikus zaj a szálamag törésmutatóját és törésmutatóját okozza. Ezeket a változásokat ezt követően több módszerrel is kimutathatjuk, és elektromos jelmé alakíthatjuk át, majd akusztikus reprodukció következik. Olyan információk, mint a videohívás audió komponense, egy szobában lévő emberek közötti beszélgetés vagy egy telefonhívás még azelőtt, hogy digitális formába alakítsuk és titkosítjuk. Így az optikai szálas infrastruktúrák, főként épületek belsejében, érzékeny mikrofonként használhatók, jelentős biztonsági kockázatot jelentenek. A száloptikai akusztikus érzékelés gyökerei az 1970-es évekre nyúlnak vissza, ekkor valósultak meg az első hallható hangérzékelő kísérletek. Az akusztikus érzékelés a közelmúltban erősen tanulmányozott terület volt a száloptikai alapú információs rendszerek és hálózatok biztonsága miatt. Az akusztikus érzékelési technikák az alkalmazott módszerek alapján oszthatók meg.

A száltörzs-változások észlelhetők a rayleigh-féle visszaszorításban. Az elosztott akusztikus érzékelési technika (das) használja ezt a hatást, ahol egy koherens lézerimpulzus továbbul egy optikai szál mentén. A rostban található szórópontok hatására a szál elosztott interferométerként működik. A visszavert fény intenzitását a lézerimpulzus továbbítása utáni idő függvényében mérjük. A das az optikai kábel közelében zajló esemény által okozott vibroakusztikus zavarok által kiváltott szálakban észleli a pico-strain szintű aláírásokat. Ezek a perturbációk molekuláris skálán változtatják meg a szálmag szórását, melyek a szál rajzolásakor keletkező alhullámhosszú heterogenitásokból erednek. A további kutatások középpontjában a fázisérzékeny optikai idő-tartomány-reflektometria áll (Φ-Otdr) technológia.

A szálmag törésmutatójának változásai a külső mechanikai rezgések és az akusztikus zaj hatására az optikai szálon keresztül haladó fényhullámok doppler-eltolódásához vezetnek. Ez a jelenség egy rugalmas és bővíthető hullámvezérben doppler-hatásként magyarázható. A szaporodó fényhullám doppler-indukált frekvenciája vagy fáziseltolódása optikai interferométerek sémáiban érzékelhető, ahol az időtartományban a pillanatnyi interferencia fázis az elektromos jelzé alakul. A frekvenciaeltolódás egy elrendezésben kimutatható fabry-perot (fpi), mach-zehnder (mzi) vagy michelson (mi) az optikai szálak által alkotott interferométerek az optikai beállításban szereplő szükséges optikai elemekkel.

Az fpi-t nagyon gyakran használják pont-optikai mikrofonok elrendezésére. Sokféle fpi alapú mikrofon minták állnak rendelkezésre, és függőségek az üreg hossza és az alkalmazott anyagok össze lehet hasonlítani. Az ilyen mikrofonok többpontos érzékelésre is használhatók, például 1:4-es osztó segítségével.

Az fpi speciális felhasználása lehetséges, ahol a multimode-singlemode-multimode (msm) struktúra és a közvetlen mérési érzékelés az akusztikus rezgések kimutatására szolgál. Az érzékelő optikai szálba beépített fiber bragg rács (fbg) mikrostruktúrák az fpi-hez tükörként használhatók, ahol két vagy több fbg között optikai üreg alakul ki. Az fpi elrendezés alkalmas mikrofonként és hidrofonként is. Az fpi elrendezésen alapuló több munka is az etilén-propilén-dién terpolimer fóliával és az alumínium felülettel történő hangérzékelésre, cellulóz-triacetát diafragmán alapul. Az észlelési sémáknak is vannak egyedi változatai az fpi-vel való elrendezésben. Ezek közé tartozik a lézervisszacsatolási interferométer használatával végzett kísérlet, ahol a érzékelő szál törésmutatójának változásai a érzékelő lézer optikai frekvenciájának megváltozásához vezetnek. Az akusztikus érzékelés fpi-alapú technikáinak fontos hátránya az optikai szál egyetlen vagy nagyon alacsony pontszámának mérésének korlátozott lehetősége. A másik hátránya az, hogy szükség van egy speciálisan módosított rost, pl fbg mikrostruktúrák.

Az mzi-t az akusztikus érzékeléshez használó elrendezéseket használják például, lehetőség van olyan mikroszálas mzi használatára, amely ismét speciális szálat igényel, vagy hagyományos szálakat alkalmazni a gázturbinák akusztikus megfigyeléséhez. Az mzi érzékelő karjában a nyitott üreget és a kollimatorokat is használhatjuk hangérzékelésre.

A mi elrendezéseit gyakran használják ultrahangot érzékelő hidrofonokként, de hallható frekvenciák érzékelőjeként is. A szeizmikus rezgés érzékelésének megvalósításairól is számoltak be, valamint a tengeri struktúrák megfigyelésénél lehetséges felhasználási lehetőségekről. Érdemes megjegyezni azt is, hogy kutatásokat végeznek, amelyek a mi zajstabilitásának javításával foglalkoznak. Az épületek belsejében található száloptikai infrastruktúra csillagtopológiája lehetőséget ad a mi elrendezés megépítésére. Egyetlen optikai szál általában a szobából fut a központi optikai kapcsolóval a szobába egy darab kapocs berendezéssel. A szál így érzékelheti az akusztikus jeleket az egész útvonalán, és egy mi elrendezés mérőkarjaként csatlakoztatható.

Ebben a cikkben olyan kísérleti mi-t állítottunk fel, amely lehetővé teszi az akusztikus jelek észlelését egy optikai szál segítségével, amelyet különböző típusú folyosók vezetnek. Az elrendezés érzékenységének mérésére összpontosítottunk a definiált akusztikus jelekre egy teljesen anechoikus laboratóriumban. A kísérletek több tényező, például az optikai szál helyzete és az optikai szálak típusai hatását vizsgálták a kimutatott jel minőségére a beszédérthetőség szintje tekintetében. Elemezték a megszerzett jelek tulajdonságait, összehasonlították az egyes fordulatok frekvenciaválaszait, és vizsgálták a jel-zaj arányokat. Munkánk során mérjük és értékeljük a beszédátviteli indexet (sti) is, amely a rendszeren való áthaladás után objektív módon értékeli a beszédjelek várható érthetőségét.