光纤传感器在全光网络安全管理中的应用

魏访

摘 要：随着科学技术的日益更新，光纤传感技术已被列入高新科技行列，并广泛应用于各行业当中，且备受世界各国重视。全光网络是当前通信网实现信息传输和交换所使用的主要技术，其承载着巨大的信息量，因此，其安全性和可靠性成为人们所关心的重大问题之一。文章简单阐述了光纤传感技术及光纤传感器的概念，分析了全光网络及其所存在的安全隐患，并就光纤传感器在全光网络安全管理中的应用进行了论述和研究。

关键词：光纤传感器；全光网络；安全管理

全光网络（AII Optical Network，AON）是指一种以光信号为用户之间信息传输与交换的网络形式，全光网络具有传输带宽高、处理能力强、可抗电磁干扰等优势而得到广泛应用，且正逐步替代传统网络及光电网络，成为当前通信领域的首选通信技术。全光网络的信息传输量和交换量非常大，其安全性至关重要。伴随全光网络应用范围的拓展，现为用户提供一个安全性和可靠性较高的传输平台，成为业内研究的重点。

1 光纤传感技术与光纤传感器

1.1光纤传感技术的特质和应用

据相关资料表明，自20世纪70年代以来，伴随光纤通信技术的不断发展，基于光纤传感技术而发展起来的网络也不断发生变化，其以光波为主体，以光纤为载体，相互得到感应和传输外界被测量信号的新型传感作用。因此，不管是用于测量信号的主体光波，还是用于传播光波的载体光纤，其都具备特殊的优势，并拥有普通主体和载体独特优点，其融合了信息传输及光子技术，并得到了广泛应用，在实际生产及生活当中作出了巨大贡献，因而广受青睐，并不断向前发展。

多年来的科研成果不断投入使用，促进了光纤传感技术的发展和进步。利用光纤传感技术可完成很多技术难度较高，甚至很多传统技术难以完成的测量任务，如于高压电环境下进行测量、在具强磁场干扰的环境下进行测量等任务。虽然光纤传感技术源于人类，是人类所研究和创造出来的，但其却具有人类无法企及的能力，接收到很多人类无法接收的讯息。相比于传统的传感器，光纤传感器的性能更佳。同时，它还可与计算机相互连接，具有传统科技无法比拟的轻便性和便捷性优势。

1.2光纤传感器

光纤传感器是一种利用光纤中光传导时因受被测对象的影响而导致光发生一系列变化，通过分析光的变化而对被测对象进行检测或控制的传感器。相比于传统传感器，光纤传感器具高灵敏度、良好电绝缘性、防爆、耐腐蚀、光路可弯曲、结构简单、联接方便、体积小、重量轻等优势‘1]。光纤传感器最初应用于军事领域，后逐步发展至各工业领域，如电力、石油、化工、交通、建筑等，同时在国防、公共安全、环保等领域发挥着重要的监测作用。 依传感原理，光纤传感器可分为功能型和非功能型两种；依被调制光波参数不同，光纤传感器可分为强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等各类光纤传感器[2]。伴随科学技术的不断发展，各类新型光纤传感器逐步涌现，如光子晶体光纤传感器、聚合物光纤传感器、长周期光纤光栅传感器等，甚至还研发出了一些可于接收现场进行测试的传感结构，尤其是分布传感技术的应用，实现了动态的分布测试。将其应用于全光网络当中，可迅速“感知”光纤是否被损，使得全光网络的安全性和可靠性得以提高。

2 全光网络及其安全隐患

2.1全光网络概述

全光网络是指以光信号为用户之间传输及交换信息的主要方式的网络形式，全光网络具传输速率快、处理能力强、可抗电磁干扰等优势而广泛应用于各领域当中，并逐步取代传统网络和光电网络，成为当前通信网络的首选技术。因全光网络所承担的信息传输量非常大，所以.其安全性及可靠性显得尤其重要。全光网络是基于光纤传感技术而发展起来的一种新型网络形式，其安全性和可靠性直接影响了全光网络的进一步发展。

2.2全光网络的安全隐患

就全光网络本身而言，其主要由业务层、适配层和光层共同组成，虽各业务层均有相应安全机制以保证信息传输与交换的安全性，但于光层中实现安全机制是当下全光网络发展与应用的研究重点。相比于传统网络，全光网络的安全性较为脆弱，主要体现在以下方面：（1）全光网络的监管系统、光部件及光缆会发生故障或遭到破坏，致系统瘫痪，影响信息传输安全性。（2）未实施保护的光纤会被利用，致系统遭到攻击。（3）光网络当中有多个波长在进行传输，信道间的串扰会影响信息传输的安全性。（4）高速传输速率会加大数据破坏量，有时即使只是短暂的攻击，系统被破坏或解密的数据量也非常大。（5）无重建数据流功能、透明节点无法识别信号调制及编码格式等，都会在一定程度上影响系统的安全性。

伴随全光网络的不断发展，全光网络的透明性越来越显著，其虽有利于提高网络性能，但造成了一定安全隐患。据相关研究分析表明，全光网络仍存在类似于传统光网络与光电网络当中所存在的问题，尤其是带内干扰和带外干扰，严重影响全光网络的安全性。总体而言，当前全光网络的安全问题主要体现在以下3方面：（1）带内干扰。带内干扰主要是利用单个高能发射机将信号插入链路当中，从而使接收机的解译能力降低。带内干扰不仅会影响该链路上的信号，而且还会使得连接于此链路或此链路上节点的其他链路信号强度减弱。（2）带外干扰。带外干扰主要是利用外来干扰影响全光系统，与此同时利用所引发的光学器杂乱对系统进行攻击，主在利用泄漏组件或交叉调制以减弱通信信号能量。若光纤放大器含交叉增益调制作用，带外干扰就更易产生。（3）非法探测。非法探测是攻击者利用合法用户的共享资源对邻近信道所泄漏的道间串扰进行监听，以干扰或窃听邻近信号信息。非法探测的主要目的在于盗取用户信息，是一种严重侵犯合法用户权益的行为。

3 光纤传感器在全光网络安全管理中的应用

针对全光网络所受到的攻击，系统通常会进行自动诊断及检测，当前所采取的方法主要有两种：一种是统计分析通信数据，另一种是测量相关信号。统计分析通信数据主要利用宽波带能量检测和光谱分析两种方式；测量相关信号主要利用导频音和光时域反射仪两种方式，这两种方式的工作原理都是通过分布式光纤传感技术来实现的[3]。分布式光纤传感器是一种良好的结构应变分布监测器，其可在不对结构产生损害的前提下利用光导纤维的传感运输双重性，對检测场地沿光纤分布的多个节点或是连续节点进行测量，取代了传统的利用多台独立的点传感器进行测量的方法，有效提高了测量效率。

当前在全光网络安全管理当中应用较为广泛的光纤传感器主要有光时域反射仪和光频域反射仪，其中光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）主要是利用光脉注入光纤及返回入射端之间的时间差来实现位置信息的提取。基于OTDR的光纤传感技术包括基于布里渊散射光时域反射仪（Brillouin Optical Time DomainReflectometer，BOTDR）、基于布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis， BOTDA）及基于喇曼散射光时域反射仪3种分布式光纤传感器。这同种光纤传感器于全光网络安全管理中的应用主要体现为以下几方面。

（1）基于OTDR。基于OTDR的分布式光纤传感器主用于检测光纤的损耗点，可对整条光纤线路距离方面的损耗变化情况进行连续性显示，其具强非迫害性，方便使用且具较多功能。但其在使用过程当中始终存在一段盲区，导致光纤两端的衰减值存在较大差异。因此，在计算光纤衰减值通常取两者的平均值。

（2）基于BOTDR。基于BOTDR的分布式光纤传感器主用于监测应力及温度。针对单一分布参数的测量具较高精度和空间分辨率，但布里渊的频移较小，且其线宽较窄，对于激光器频率的稳定性及光滤波器的要求较高，致其使用范围受限。

（3）基于BOTDA。基于BOTDA主应用于监测应力及温度变化。其精度及空间分辨率较高，动态范围非常广且具较高检测精度。但其系统相对复杂，在实际应用当中，通常需于被检测对象两端分别旋转泵浦激光器和探测激光器，使用条件受限，且无法检测断点。

（4）基于ROTDR。基于ROTDR主要应用于监测温度变化，有助于提高系统的相对灵敏度及温度测量精度，有效拓展了系统功能。但其要求良好光源，且返回信号较弱。

光频域反射仪也叫相干光频域反射仪（Optical FrequencyDomain Reflectiometry，OFDR），是一种于频率轴上将位置信息进行提取的方法，其是先对检测对象进行连续线性扫描，然后利用反射光和参考光的拍频谱来计算反射光的分布。OFDR在全光网络安全管理中的应用主要体现在利用OFDR对光纤上所受到的攻击进行在线测试，以对被攻击的光纤进行迅速定位，并将位置信息报告于上层管理系统，使系统能及时采取相应保护措施，以免受到破坏性攻击。

4结语

总而言之，伴随通信技术的不断发展和成熟，全光网络将逐步取代传统普通网络传输信息，全光网络所传送的信息量极大，一旦出现安全管理问题，将会带来不可预估的损失。为加强信息传输的可靠性和安全性，全光网络通常会带有一定保护措施。实践证明，光纤传感器可有效防范全光网络的安全问题，为进一步发挥光纤传感器对于全光网络的安全防范作用，还需进行深入研究与探讨。

[参考文献]

[1]唐军.光纤传感器在全光网络安全及防范中的应用[J]数字通信世界，2016 （2）：141，220

[2]朱强，马迎辉光网络攻击检测的光纤传感器[J].激光杂志，2017 （8）：36-39.

[3]曹铭.志光纤传感器应用于全光网絡安全防范探析[J].信息通信，2012 （2）：247-248