光纤电缆对声振动的敏感性表征

如今，光纤越来越多地用于数据和非数据传输。许多研究小组专注于保护基于光纤的基础设施免受数据窃听，这可以通过几种技术来完成。一些数据传输没有加密，即使它们是加密的，在不久的将来，这些数据将被量子计算机解密的风险很高。因此，当今的热门话题是量子加密和后量子加密。相对未被探索的区域是用于声学 (因此，可听) 频谱中的振动的光纤感测。

作用在光纤上的机械振动和噪声引起光纤芯的应变和折射率的变化。这些变化随后可以通过几种方法检测，并转换成电信号，然后进行声音再现。视频通话的音频成分、房间里的人之间的对话或电话通话等信息甚至可以在转换成数字形式并加密之前被拦截。因此，主要在建筑物内部的光纤基础设施可以用作敏感的麦克风，造成显著的安全风险。光纤声学传感的根源可以追溯到20世纪70年代，当时实现了第一个可听声音传感实验。由于基于光纤的信息系统和网络的安全性，声学感测最近已成为高度研究的领域。声学传感技术可以根据所使用的方法进行划分。

可以在瑞利背散射中检测光纤应变变化。分布式声学传感技术 (DAS) 使用这种效应，其中相干激光脉冲沿光纤传输。光纤中的散射点使光纤充当分布式干涉仪。在发射激光脉冲之后，作为时间的函数测量反射光的强度。DAS检测由光缆附近的事件引起的声振干扰引起的光纤中的皮应变级特征。这些扰动在分子尺度上改变了纤芯中的散射，这源于拉制光纤时形成的亚波长异质性。进一步的研究集中在相位敏感的光时域反射计 (Φ-OTDR) 技术。

由外部机械振动和声学噪声引起的纤芯折射率的变化导致通过光纤传播的光波的多普勒频移。这种现象可以解释为柔性和可扩展波导中的多普勒效应。在将时域中的瞬时干涉相位转换为电信号的光学干涉仪方案中，可以检测到传播光波的多普勒引起的频率或相移。频移在由具有包括在光学设置中的必要光学元件的光纤形成的布置法布里-珀罗 (FPI) 、马赫-曾德尔 (MZI) 或迈克尔逊 (MI) 干涉仪中是可检测的。

FPI经常用于点光学麦克风的布置。各种基于FPI的麦克风设计是可用的，并且可以比较所使用的腔长度和材料的依赖性。这样的麦克风也可以用于多点感测，例如，使用1:4分离器。

在多模-单模-多模 (MSM) 结构和直接测量检测用于检测声振动的情况下，FPI的特殊用途是可能的。结合在感测光纤中的光纤布拉格光栅 (FBG) 微结构可以用作FPI的反射镜，其中在两个或更多个FBG之间形成光学腔。FPI装置也适合用作麦克风和水听器。基于FPI布置的几项工作致力于使用乙烯丙烯二烯三元共聚物膜和铝表面以及基于三乙酸纤维素隔膜的语音感测。在具有FPI的布置中还存在检测方案的独特变体。它们包括使用激光反馈干涉仪的实验，其中感测光纤的折射率的变化导致检测激光器的光学频率的变化。用于声学感测的基于FPI的技术的重要缺点是在光纤上的仅一个点或非常少数量的点处进行测量的有限可能性。另一个缺点是需要特别改性的纤维，例如具有FBG微结构的纤维。

使用用于声学感测的MZI的布置被使用。例如，可以使用再次需要特殊纤维的微纤维MZI，或者使用用于燃气涡轮机的声学监测的常规纤维。还可以使用MZI的感测臂中的开放腔和准直器来进行声音感测。

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MI的布置通常用作感测超声波的水听器，但也用作可听频率的传感器。还报道了感测地震振动的实施方式以及在监测海洋结构中的可能用途。还值得注意的是，正在进行研究以改善MI的噪声稳定性。建筑物内部的光纤基础设施的星形拓扑结构为构建MI布置提供了机会。单根光纤通常从具有中央光学开关的房间延伸到具有终端设备的房间。因此，光纤可以沿其整个路线感测声学信号，并且可以作为MI装置的测量臂连接。

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在本文中，我们建立了一个实验性MI，该MI允许通过由不同类型的走廊引导的光纤检测声信号。我们专注于在完全无回声的实验室中测量这种布置对定义的声学信号的灵敏度。实验检查了诸如光纤位置和光纤类型之类的几个因素对有关语音清晰度水平的检测信号质量的影响。分析了采集信号的特性，比较了各个测量的频率响应，并研究了信噪比。在我们的工作中，我们还测量和评估语音传输指数 (STI)，这是客观评估语音信号通过系统后的预期可理解性的普遍方法。