CN110855373A - 一种光纤通信系统防窃听装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤通信系统防窃听装置与方法，其中装置包括发射端、传输光纤和接收端，所述发射端发射包括光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中，所述光纤通信信号以及监控信号在传输光纤中传输，被接收端接收，所述发射端还能接收监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号，感知窃听行为和定位窃听位置。通过在现有光纤通信系统中，增加一个新的波长作为光纤信道的监控通道，在该波长通道上采用基于相位敏感光时域反射技术，在窃听者对光纤通信系统实施窃听前，对其可能引起的光纤振动或扰动进行提前感知，并通过后向散射信号光，准确定位窃听者的窃听位置，事前感知并定位窃听者，保障光纤通信系统的信道安全。

Description

一种光纤通信系统防窃听装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，更具体地，涉及一种光纤通信系统防窃听装置和方法。
背景技术
大容量、高速率的光纤通信系统是目前通信网络的基石。为了应对不断快速增长的网络流量，以波分复用、偏振复用和空分复用为代表的技术不断涌现，进而挖掘光纤通信系统传输容量的潜力，逼近甚至突破非线性香农极限。随着海量信息传输对光纤通信系统容量需求的不断增强，光纤通信系统的安全性也日益受到人们的高度重视。但目前光纤通信系统只具备传输信息的功能，不具备感知光纤通信系统周边态势变化的能力，也不能有效防止光纤信道被非法窃听。
现有针对光纤通信系统的窃听技术日趋成熟和多样，光纤通信的所谓“天然”保密性已难以保证。常见的光纤通信系统窃听技术分为侵入式和非侵入式两种。侵入式采取的主要方法是光束分离法，即把光缆直接切断，然后重新接入光耦合器，分离出要窃听的信息数据，这会造成短暂的通信中断；非侵入式主要包括弯曲耦合法、倏逝波耦合法、V型槽法等，主要是在不中断通信的情况下，窃听者入侵光纤通信系统，分离出部分传输光信号，对信息进行窃取，其隐蔽性较强，不容易被发现，威胁大。因此，发展光纤通信系统的防窃听技术变得非常重要。
传统的防窃听技术是在物理层监测窃听可能造成的光信号衰减或变形等。比如利用光测试仪或者光时域反射仪来监测信号功率的瞬态变化、或者丢失等,通过对这些物理量的监测,来分析是否有窃听，但这类方法感知光纤窃听变化能力有限，仅具有对光纤断裂、弯曲等非连续的突变事件的监测能力，且仅局限于光信号被窃听后才能事后感知窃听，对于窃听者在实施窃听前造成的光纤通信系统周边微小振动或扰动等，不能事先感知，并准确定位，无法提前预防光纤信道被非法窃听。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种光纤通信系统防窃听装置，在实施窃听前事先感知光纤周边的态势变化，并进行准确定位，预防光纤信道被窃听，提高光纤通信系统的安全性。
本发明的进一步目的是提供一种光纤通信系统防窃听方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种光纤通信系统防窃听装置，包括发射端、传输光纤和接收端，所述发射端发射包括光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中，所述光纤通信信号以及监控信号在传输光纤中传输，被接收端接收，所述发射端还能接收监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号，感知窃听行为和定位窃听位置。
上述方案中，将监控信号通过波分复用耦合至光纤通信信号传输的同一根光纤中，保持现有光纤通信系统不变，前向传输的监控信号经光纤传输后，由于光纤具有非匀质性，将导致后向的瑞利散射效应，产生后向散射信号被发射端接收，当光纤通信信道周边有窃听行为导致的振动或微小扰动事件发生时，振动或扰动所产生的信号通过机械波传播，引起光纤的振动，该区域的长度、折射率等光纤特性发生改变，进而引起该位置光相位的改变。通过后向散射光的干涉，相位的变化会引起后向散射光功率的变化，从而导致后向散射信号功率的变化，根据后向散射信号功率的变化确定窃听行为和窃听位置，实现光纤通信系统分布式监控和定位，无需反射装置，且对通信波长无限制。
优选地，所述发射端包括若干个发射端光纤通信收发模块和一个相位敏感光时域反射测量模块，所述若干个发射端光纤通信收发模块输出不同通信波长的光纤通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块输出监控信号并接受监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号。
优选地，所述发射端还包括波分复用器，所述若干个发射端光纤通信收发模块的输出端口分别与所述波分复用器对应的波长通道相连接，所述相位敏感光时域反射测量模块的输出端口与波分复用器对应的波长通道相连接，波分复用器的输出端连接传输光纤。通过在常规的光纤通信信道中增加一个波分复用器，就可以将相位敏感光时域反射测量模块的监控信号耦合到传输光纤链路中。
优选地，所述相位敏感光时域反射测量模块包括窄线宽激光器、光调制器、光环形器、光电探测模块、信号采集模块和信号处理模块，其中：
所述窄线宽激光器的输出端与光调制器的输入端连接；
光调制器的输出端与光环形器的第一端口连接；
光环形器的第二端口输出监控信号，与所述波分复用器对应的波长通道相连接，光环形器的第三端口与光电探测模块的输入端连接；
光电探测模块的输出端与信号采集模块的输入端连接；
信号采集模块的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置。
窄线宽激光器(～GHz量级)首先产生窃听监控波长λp，然后该连续光信号经过脉冲调制器产生脉冲探测光信号，随后该脉冲探测光信号输入光环形器的第一端口中，并从光环形器的第二端口中输出。输出的监控信号与光纤通信信号λ1、λ2…λN合波，耦合到传输光纤链路中，散射回返的后向散射信号会反向传回光环形器的第二端口中，并从光环形器的第三端口中输出，进入到光电探测模块中进行光电变换，将探测到的后向散射信号转化为电信号，并经过信号采集模块进行数据采集，后向散射信号随着传感距离呈现衰减，振动信号一般淹没在散射曲线里，所以信号采集模块需要事先采集无任何扰动时的参考散射曲线，并将每次采集的后向散射信号输入到信号处理模块中，信号处理模块根据测量到的后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位，从而可在事前对窃听行为进行感知并定位，有效防止窃听的发生，提高光纤通信系统的安全性。
优选地，所述光纤通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm，以降低波分复用器的成本。
优选地，所述接收端包括若干个接收端光纤通信收发模块，其中：
波分复用解复用器的输入端与传输光纤连接，波分复用解复用器的各个波长输出端分别与对应波长的接收端光纤通信收发模块相连。
一种光纤通信系统防窃听方法，所述方法应用于权利要求1至6所述的光纤通信系统防窃听装置，包括以下步骤：
S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；
S2：通信时，发射端发射不同波长的光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中进行传输；
S3：监控信号在传输光纤传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；
S4：后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过在现有光纤通信系统中，增加一个新的波长作为光纤信道的监控通道，在该波长通道上采用基于相位敏感光时域反射技术，在窃听者对光纤通信系统实施窃听前，对其可能引起的光纤振动或扰动进行提前感知，并通过后向散射信号光，准确定位窃听者的窃听位置，事前感知并定位窃听者，保障光纤通信系统的信道安全。同时，通过快速感知和定位窃听者，可以及时防止窃听者实施窃听行为，有效避免保密信息的泄露，极大地提高光纤通信信号的安全性。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为相位敏感光时域反射测量后向散射信号曲线图。
图中，1为相位敏感光时域反射测量模块，101为窄线宽激光器，102为光调制器，103为光环形器，104为光电探测器，105为信号采集模块，106为信号处理模块，201至20N为发射端光纤通信收发模块，3为波分复用器，4为传输光纤，5为波分复用解复用器，601至60N为接收端光纤通信收发模块。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种光纤通信系统防窃听装置，如图1，包括发射端、传输光纤和接收端，所述发射端发射包括光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中，所述光纤通信信号以及监控信号在传输光纤中传输，被接收端接收，所述发射端还能接收监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号，感知窃听行为和定位窃听位置。
所述发射端包括若干个发射端光纤通信收发模块和一个相位敏感光时域反射测量模块，所述若干个发射端光纤通信收发模块输出不同通信波长的光纤通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块输出监控信号并接受监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号。
所述发射端还包括波分复用器，所述若干个发射端光纤通信收发模块的输出端口分别与所述波分复用器对应的波长通道相连接，所述相位敏感光时域反射测量模块的输出端口与波分复用器对应的波长通道相连接，波分复用器的输出端连接传输光纤。
所述相位敏感光时域反射测量模块包括窄线宽激光器、光调制器、光环形器、光电探测模块、信号采集模块和信号处理模块，其中：
所述窄线宽激光器的输出端与光调制器的输入端连接；
光调制器的输出端与光环形器的第一端口连接；
光环形器的第二端口输出监控信号，与所述波分复用器对应的波长通道相连接，光环形器的第三端口与光电探测模块的输入端连接；
光电探测模块的输出端与信号采集模块的输入端连接；
信号采集模块的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置。
所述光纤通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm。
所述接收端包括若干个接收端光纤通信收发模块和波分复用解复用器，其中：
波分复用解复用器的输入端与传输光纤连接，波分复用解复用器的各个波长输出端分别与对应波长的接收端光纤通信收发模块相连。
在具体实施过程中，光纤通信系统防窃听方法，如图2，包括以下步骤：
S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；
S2：通信时，发射端发射不同波长的光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中进行传输；
S3：监控信号在传输光纤传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；
S4：如图3，后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，得到后向散射信号曲线图并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，包括发射端、传输光纤和接收端，所述发射端发射包括光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中，所述光纤通信信号以及监控信号在传输光纤中传输，被接收端接收，所述发射端还能接收监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号，感知窃听行为和定位窃听位置。
2.根据权利要求1所述的光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，所述发射端包括若干个发射端光纤通信收发模块和一个相位敏感光时域反射测量模块，所述若干个发射端光纤通信收发模块输出不同通信波长的光纤通信信号，所述相位敏感光时域反射测量模块输出监控信号并接受监控信号在传输光纤传输过程中返回的后向散射信号。
3.根据权利要求2所述的光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，所述发射端还包括波分复用器，所述若干个发射端光纤通信收发模块的输出端口分别与所述波分复用器对应的波长通道相连接，所述相位敏感光时域反射测量模块的输出端口与波分复用器对应的波长通道相连接，波分复用器的输出端连接传输光纤。
4.根据权利要求3所述的光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，所述相位敏感光时域反射测量模块包括窄线宽激光器、光调制器、光环形器、光电探测模块、信号采集模块和信号处理模块，其中：
所述窄线宽激光器的输出端与光调制器的输入端连接；
光调制器的输出端与光环形器的第一端口连接；
光环形器的第二端口输出监控信号，与所述波分复用器对应的波长通道相连接，光环形器的第三端口与光电探测模块的输入端连接；
光电探测模块的输出端与信号采集模块的输入端连接；
信号采集模块的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块对返回的后向散射信号进行处理，得到是否存在窃听行为以及窃听位置。
5.根据权利要求4所述的光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，所述光纤通信信号和监控信号的波长通道以粗波长复用进行复用，所述粗波长复用的间隔为20nm。
6.根据权利要求5所述的光纤通信系统防窃听装置，其特征在于，所述接收端包括若干个接收端光纤通信收发模块和波分复用解复用器，其中：
波分复用解复用器的输入端与传输光纤连接，波分复用解复用器的各个波长输出端分别与对应波长的接收端光纤通信收发模块相连。
7.一种光纤通信系统防窃听方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至6所述的光纤通信系统防窃听装置，包括以下步骤：
S1：预先获取无任何扰动时的参考后向散射曲线；
S2：通信时，发射端发射不同波长的光纤通信信号以及监控信号至传输光纤中进行传输；
S3：监控信号在传输光纤传输时，由于散射返回的后向散射信号被发射端接收，形成后向散射曲线，所述后向散射曲线和参考后向散射曲线均为以与发射端的距离为横坐标，以信号功率为纵坐标的曲线，并获取不同距离的后向散射信号的往返时间；
S4：后向散射参考信号和参考散射信号进行相减运算，并通过光纤长度和往返时间来对窃听的位置进行定位。
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