防窃听光纤报警系统的制作方法

本发明涉及光纤防窃听领域，具体涉及一种防窃听光纤报警系统。

背景技术：

光纤通信安全已经成为影响作战指挥和国家安全主要因素。美国在1989年初，美国国家安全局就召集了全美的项尖光纤通信专家进行光纤光缆窃听的研究工作。美国研发的核动力潜艇“吉米卡特”号中具备进行海底光缆窃听的特殊挂舱，可以对海底光缆进行数据盗取，潜艇上有大型计算机可以进行解密计算。最新的情报表明美国新的技术已经可以在1-2秒就可以实现与线路物理连接，这种技术不但可以窃取数据也可以侵入链路发出破坏性指令，如果侵入指挥系统将可以改变战局后果不堪设想；侵入轨道交通系统可以发出错误指令制造火车相撞事故，战时同时发起多条线路侵入可以导致整个铁路系统瘫痪，从而使得部队无法进行铁路调遣，甚至造成社会混乱，达到不战而胜的目的。

陆地线路入侵防护更加困难。我军通信线路上万公里，有大量线路都在老百姓的农田里，入侵者只需要盖个蔬菜大棚就可以很隐蔽的实施窃听。因此保障我军通信线路的安全成为一个紧要的任务。

一般情况下，入侵事件都会引起信道信号衰减和功率波动变化等。有些入侵事件会导致通信突然中断等现象出现；安装窃听装置的过程中将会引起突发误码和突发功率波动，当窃听装置部署完毕后误码和功率波动将在一个新的水平上温和变化。现有光纤窃听检测技术主要是针对这些特性进行防范的。

由于敌人入侵时采用的多种方法是不造成光纤切断的且造成衰减非常小，因此现有技术很难侦测出入侵事件，即使侦测出来事件发生也很难对入侵位置进行准确定位。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的防窃听光纤报警系统，通过在光缆的外护套内加载另一路光纤，并利用分布式传感的方式监测入侵者实施入侵时产生的震动及压力等物理量变化，确认入侵行为，并实现对入侵点准确定位，实现对整个通信光路进行保护保护层内光纤的断点及应力发生，从而对整个通信光路进行保护。通过光路环形感应层设计加强了对中心通讯层的防护，有效提高了入侵侦测的准确率，降低了误报率。

本发明提供的一种防窃听光纤报警系统，包括：激光器、环形器、光缆、光电转换模块、信号处理模块和报警模块；所述光缆包括通信光纤和传感光纤；所述激光器的光输出端通过所述环形器与所述传感光纤的光入射端连接，所述传感光纤的光入射端通过所述环形器与所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述报警模块连接；所述通信光纤用于正常通信；所述传感光纤用于监测侵扰情况；所述激光器用于产生脉冲激光；所述光电转换模块用于接收所述传感光纤内的反射光，并将光信号转换为电信号；所述信号处理模块用于接收所述光电转换模块输出的电信号，对所述电信号进行处理，得到监测结果；所述报警模块用于根据所述监测结果进行报警。

优选地，所述通信光纤外包裹有外护套，所述传感光纤以绞合缠绕的方式嵌在所述外护套中。

优选地，包括多路所述传感光纤，多路所述传感光纤分别以不同的方向绞合缠绕在所述外护套中。

优选地，多路所述传感光纤分别采用不同涂层的光纤。

优选地，所述信号处理模块具体用于：接收所述电信号，进行模数转换得到监测数据；若所述监测数据大于所述阈值，则确定所述监测数据对应的点为入侵点；根据所述监测数据的时间信息，计算得到入侵点坐标。

优选地，所述信号处理模块具体用于：接收所述电信号，进行模数转换得到监测数据；对所述监测数据进行降噪处理；提取降噪处理后的监测数据的特征值；将所述特征值输入预先训练好的分类器，得到分类结果；若所述分类结果为人为侵扰，则标记所述监测数据对应的点为疑似入侵点，根据所述监测数据的时间信息，计算得到疑似入侵点坐标，并输出入侵预警；若所述分类结果为已遭入侵，则根据所述监测数据的时间信息，计算得到入侵点坐标，并输出入侵警报；若所述分类结果为外界侵扰，则不进行坐标计算。

优选地，所述提取降噪处理后的监测数据的特征值，包括：将降噪处理后的监测数据转化为频域信号，提取所述频域信号的频谱信息作为特征值。

优选地，在降噪处理和提取特征值之间还包括以下步骤：将降噪处理后的监测数据与标准数据做差值计算，若差值大于预警阈值，则进行降噪处理。

优选地，所述分类器的训练步骤包括：采集大量数据作为样本数据，对样本数据的类型进行标记；对所述样本数据进行降噪处理；提取降噪处理后的样本数据的特征值；将样本数据的特征值输入分类器，得到分类测试结果；若分类测试结果与标记的样本数据的类型不同，则调整所述分类器的参数；获取下一组样本数据进行训练，直到所述分类器的输出结果满足条件。

优选地，所述报警模块具体用于：若监测结果为监测到入侵信号，则将所述监测结果中的入侵点坐标发送给卫星，并接收卫星回传的所述入侵点坐标处的图像信息，进行报警警情确认，若确认发生窃听事件，则发布报警信息。

附图说明

图1为本发明实施例提供的防窃听光纤报警系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的带有传感光纤的光缆的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的带有传感光纤的光缆的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的带有传感光纤的光缆的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种防窃听光纤报警系统，包括：激光器1、环形器2、光缆6、光电转换模块3、信号处理模块4和报警模块5。光缆6包括通信光纤8和传感光纤7，其中通信光纤8和传感光纤7的数量不做限定，可以是一路或多路。

其中，通信光纤8用于正常通信。传感光纤7用于监测侵扰情况。激光器1用于产生脉冲激光。光电转换模块3用于接收传感光纤7内的反射光，并将光信号转换为电信号。信号处理模块4用于接收光电转换模块3输出的电信号，基于光时域反射(OTDR)原理对电信号进行处理，得到监测结果，监测结果包括是否发生入侵事件，以及入侵事件发生的地点。报警模块5用于根据监测结果进行报警。

激光器1的光输出端通过环形器2与传感光纤7的光入射端连接，传感光纤7的光入射端通过环形器2与光电转换模块3连接，光电转换模块3与信号处理模块4连接，信号处理模块4与报警模块5连接。激光器1输出的脉冲激光经过输入传感光纤7，脉冲激光在传感光纤7中遇到障碍点后会发生反射，反射回的光被光电转换模块3接收后，由信号处理模块4进行分析计算，得到障碍点对应的坐标。

本实施例提供的防窃听光纤报警系统，通过在光缆6的保护层内加载另一路光纤，并利用分布式传感的方式监测入侵者实施入侵时产生的震动及压力等物理量变化，确认入侵行为，并实现对入侵点准确定位，实现对整个通信光路进行保护保护层内光纤的断点及应力发生，从而对整个通信光路进行保护。通过光路环形感应层设计加强了对中心通讯层的防护，有效提高了入侵侦测的准确率，降低了误报率。

其中，报警模块5若具体用于：监测结果为监测到入侵信号，则将监测结果中的入侵点坐标发送给卫星，并接收卫星回传的入侵点坐标处的图像信息，进行报警警情确认，若确认发生窃听事件，则发布报警信息，报警信息可以通过网络短信等多种形式发布。通过后台大数据平台进行报警设计分析、入侵位置锁定、为警戒车辆、卫星、无人机等提供精准的入侵点坐标，并将相关图像信息回传，进行报警警情确认，大大降低了分布式传感的误报率。

如图2所示，通信光纤8外包裹有外护套，传感光纤7以绞合缠绕的方式嵌在外护套中，缠绕的方向可以是顺时针的，也可以是逆时针的，缠绕的密度可以根据不同的防护需要来设计。通过分层设计能更好保护核心通信线路。目前针对光缆6窃听的方案有个共同特点，都需要剥离通信光纤8的外护套，才能安装窃听装置。因此，入侵者在对外护套进行破坏的过程中，必定会触动传感光纤7，甚至会折断传感光纤7，产生很强的扰动信号，这样机房内的监控主机可以相对容易的采集到特征明显的入侵信号，再通过后台大数据平台计算得到准确位置坐标，发出报警信息。

复数根数的传感光纤7可以以相同或不同的方向缠绕于通信光纤8的外护套中，增加传感光纤7缠绕的密度，使窃听者剥离外护套的过程中不可避免的会破坏传感光纤7。

多根传感光纤7可以采用不同涂层，不同的涂层能够增加光纤对不同物理量的感应能力，如温度、应力等，以满足不同检测设备的需求，使得本实施例的防窃听光缆6能够同时采用多种监测手段，有助于提高监测灵敏度和准确率。如采用双层涂层工艺，优选地内层涂层为镀镍层，外层涂层为SiO2/EA/PUA(二氧化硅/环氧丙稀酸酯/聚氨酯丙烯酸酯)杂化材料。这种双涂层，使得传感光纤温度灵敏度系数高，对温度具有较好的稳定性，应力灵敏度系数高，提高了温度的测量精度和准确度。

如图3所示，可以通过两路分布式传感光纤7进行监测，两路传感光纤7分别以不同的方向绞合缠绕在外护套中，在信号距离不长的情况下，可以把两路传感光纤7远离激光器1的端部相连，仅用一台分布式传感进行监测从而节约成本。

进一步地，可以在通信层增加一路或多路传感光纤7，将传感光纤7和通信光纤8绞合缠绕，重新定义线序使入侵者很难分辨哪条是传感光纤哪条是通信光纤8，增加入侵者安装窃听装置时间为安全部门争取更多处置时间，大大降低了入侵者入侵有效性。

如图4所示，给出了光缆6更为具体的结构图，由内到外依次是磷化钢丝、通信层、铝塑复合带、聚乙烯内护套、感应层、聚乙烯外护套。感应层和通信层均由多路光纤组成，一路光纤包括套在松套管内多根光纤，光纤之间的空隙用纤膏填充，通信层和感应层中的空隙处填充有缆膏。通信层中的光纤可以全部用来通信，或者一部分光纤作为传感光纤7。感应层仅仅需要1-3根光纤用来检测，其余光纤可用于一些非涉密通信。光缆6中心的磷化钢丝有助于增加光缆6的强度。

其中，信号处理模块4中的处理步骤包括：

步骤S1，接收电信号，进行模数转换得到监测数据。

步骤S2，若监测数据大于阈值，则确定监测数据对应的点为入侵点；否则不计算入侵点坐标，对下一监测数据进行判断。

步骤S3，根据监测数据的时间信息，计算得到入侵点坐标，并发送给报警模块5。

接着，报警模块5接收信号处理模块4输出的入侵点坐标，将入侵点坐标发送给卫星，并接收卫星回传的入侵点坐标处的图像信息，进行报警警情确认，若确认发生窃听事件，则发布报警信息。

其中，信号处理模块4中的另一优选处理步骤包括：

步骤S10，接收电信号，进行模数转换得到监测数据。

步骤S20，记录同一监测点的多次监测数据，若发现多次监测数据的强度呈现递增趋势，则确定该监测点为入侵点。

步骤S30，根据监测数据的时间信息，计算得到入侵点坐标，并发送给报警模块5。

接着，报警模块5接收信号处理模块4输出的入侵点坐标，将入侵点坐标发送给卫星，并接收卫星回传的入侵点坐标处的图像信息，进行报警警情确认，若确认发生窃听事件，则发布报警信息。

该优选方法通过对同一监测点进行多次数据统计，提高了抗干扰能力，降低了误报警的概率。在实时窃听的过程中，窃听者需要先挖开地面，然后破坏光缆进行窃听，这个过程中返回的信号会也来越强，利用这种特性，进行入侵能量累计统计(即同一地点的多次监测数据呈现递增趋势)，可以有效排除其它非入侵事件的干扰，达到准确判断窃听事件的目的，提高了报警的准确率。

激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，有：

2L＝V·t

其中，V为光在光纤中传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。因此，根据监测数据对应的的时间信息即可得到入侵点坐标。

由于，采用本实施例中的光缆6，在破坏光缆6外护套的过程中一定会破坏传感光纤，因此，信号处理模块4可以相对容易地采集到特征明显的入侵信号，进行报警。因此，本实施例的防窃听光纤报警系统，实现方式简单、成本低，入侵信号明显，能够大大提高检测效率和准确率。

自然环境中存在各种各样的信号干扰，从慢变型的温度变化导致的应力变化，到广泛存在车辆震动，都使得分布式传感监视的真正窃听信号淹没在众多的背景噪声之中。这使得各种分布式传感在真实环境应用的过程中，往往误报严重甚至无法使用。基于上述缺陷，本实施例构建了一个基于机器学习和神经网络的分类器，对不同的应力信号的产生与特征进行分析，并利用目前计算机高速数据处理的优势，进行大数据的学习比对，通过不断地更新数据的自学习过程使误报率控制在一个合理的范围内。

分类器的训练步骤包括：采集大量数据作为样本数据，对样本数据的类型进行标记；对样本数据进行降噪处理；提取降噪处理后的样本数据的特征值；将样本数据的特征值输入分类器，得到分类测试结果；若分类测试结果与标记的样本数据的类型不同，则调整分类器的参数；获取下一组样本数据进行训练，直到分类器的输出结果满足条件。

其中，采用现场测试的手段，将常见的农耕作业、重车辆通过、挖掘、下雨等振动结果通过系统记录下来作为样本数据，各种噪声的振动频谱与强度不同，通过对大量样本数据的进行分析得到各种类干扰类型的基本特征，经过大量样本数据训练后的分类器，能够区分具体的信号是由于环境事件引发还是由于入侵者破坏产生的，降低误报率。

基于上述分类器，信号处理模块4中的处理步骤包括：

步骤S100，接收电信号，进行模数转换得到监测数据。

步骤S200，对监测数据进行降噪处理。

步骤S300，提取降噪处理后的监测数据的特征值。

步骤S400，将特征值输入预先训练好的分类器，得到分类结果。

步骤S500，若分类结果为人为侵扰，则标记监测数据对应的点为疑似入侵点，根据监测数据的时间信息，计算得到疑似入侵点坐标，并输出入侵预警；若分类结果为已遭入侵，则根据监测数据的时间信息，计算得到入侵点坐标，并输出入侵警报；若分类结果为外界侵扰，则不进行坐标计算。

然后，若报警模块5接受到入侵预警或入侵警报，则将疑似入侵点坐标或入侵点坐标发送给卫星，并接收卫星回传的疑似入侵点坐标或入侵点坐标处的图像信息，进行报警警情确认，若确认发生窃听事件，则发布报警信息。这样在入侵者刨开光缆6附近的泥土时，就会触发预警警报，给抓捕人员提供了更充裕的时间，减少甚至避免入侵损失发生。

其中，步骤S300的优选方式为：将降噪处理后的监测数据转化为频域信号，提取频域信号的频谱信息作为特征值。

进一步地，步骤S200和步骤S300之间还包括：将降噪处理后的监测数据与标准数据做差值计算，若差值大于预警阈值，则进行降噪处理，否则不进行后续处理。其中，标准数据可以是取多次无入侵事件时的监测数据的平均值，在进行步骤S300计算前，先对是否存在入侵事件作出预判，决定是否需要进行后续处理，这样可以降低数据处理量。

激光器容易受工作温暖和工作电流的影响，导致功率和输出的波长发生改变。当激光器的中心波长发生变化时，在光纤传播时的衰减也会发生变化，在光纤中自发拉曼散射产生的两路散射光的波长也会发生改变，同时导致光纤中的损耗系数会发生变化，由于波分复用器中滤波器的带宽的影响，会使两路光在波分复用器的损耗也会发生变化，这些因素都会使最终解调的温度产生误差。因此，激光器的输出光的稳定性一定要高。本实施例中的激光器采用高功率的光纤激光器。光纤激光器输出的光束质量好、脉宽窄、能量高、频率稳定，从光源处降低干扰的引入，直接通过光纤输出脉冲激光，减少了输出过程中的光能量的损失。

激光器波长一般选择980nm，1310nm或1550nm，其中，1550nm的激光在光纤的传输距离比较大，传输损耗比较小，本实施例的监测系统中激光器的波长优选为1550nm。

光电探测器在系统主要负责光电信号的转化，其性能的好坏直接与系统信号的信噪比，稳定性有关。本系统中，需要检测反射光的比较微弱，因此需要选用响应度大，增益大的光电探测器。常用的的光电探测器主要是PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。其中，APD雪崩光电二极管具有高灵敏度、噪声等效功率低的特点，适合微弱信号的检测，再通过放大电路对输出的电信号进行放大，其中，放大器也要满足低噪声、高增益、高带宽和高转换速率的特点。为了提高监测系统的灵敏度和监测距离，本实施例中的光电转换模块采用响应度大高增益的APD雪崩光电二极管来检测反射光，并为配有放大电路，用于放大APD雪崩光电二极管采集到的信号，放大电路中的放大器优选具备低噪声、高增益、高带宽和高转换速率的放大器。

综合上述，本实施例提供的防窃听光纤报警系统，监测的分辨率能够达到到10米的量级，探测距离可达到50-90km。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。