一種新的光纜竊聽系統研究

摘 要：基于光纖彎曲輻射，提出了四步光纜竊聽法，即“剝光纜，彎光纖，取信號，解信息”。通過推導光纖彎曲損耗公式和考察兩類竊聽影響因素，得出隱蔽竊聽所需的光纖彎曲最佳曲率半徑值。在此理論指導下，設計了竊聽系統框架結構，并搭建了光纖竊聽實驗系統。經理論和實驗證明：四步光纜竊聽法具有可行性，且隱蔽性好、檢測難度大。

關鍵詞：四步光纜竊聽法;光纖彎曲損耗;竊聽;曲率半徑

Research on a Novel Fiber Cable Tapping System

WANG Fang1，2，JING Xiaoning1，ZHAO Feng2

(1.Air Force Engineering University，Xi′an，710051，China;2.Xi′an Communication Institute，Xi′an，710106，China)

Abstract：Based on optical fiber-bending radiation，four steps method for optical cable tapping，bending the optical fiber，collecting optical signals and demodulating information are proposed.By deducing the fiber-bending loss formula and seeing about two types tapping determinants，the optimal value of bending radius for covert tapping is gained.With guidance of the theory，structure of tapping system is designed and experimental platform for tapping is built.Theory and experiment are proved the feasibility of four steps method，and it is very covert and hard to detect.

Keywords：four steps method for optical cable tapping;optical fiber bending loss;tapping;bending radius

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1 引 言

近幾年來發現光纖有很多特性可用于竊聽，包括線性特性和非線性特性，如光纖彎曲輻射特性、受激喇曼散射、受激布里淵散射和四波混頻等。本文重點介紹基于光纖彎曲輻射的新型光纜竊聽原理和技術：在光纜線路上，開剝光纜外護套，輕微彎曲光纖使傳輸的光信號輻射出來^［1］，獲取輻射光信號并利用相關技術解調出傳輸信息，概括地講，就是“剝光纜，彎光纖，取信號，解信息”的“四步光纜竊聽法”。這種竊聽對通信光纖沒有破壞性，而且只要光功率泄漏不大于1%，用戶用現行OTDR無法探測到這種竊聽的存在，因此比較隱蔽，較難檢測。竊聽最重要的一環是彎曲光纖輻射出功率大小合適的光信號：若功率太小，無法還原出原始信號，達不到竊聽的目的；若功率太大，正常通信光功率丟失過多，這樣易被檢測到，同樣達不到竊聽的目的。為實施有效的隱蔽竊聽，首先有必要研究決定光纖彎曲輻射功率大小的各種因素。

2 光纖彎曲與功率損耗

2.1 光纖彎曲的機理

光纖彎曲有兩種形式^［2］：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，稱為彎曲或宏彎，如圖1所示。另一種是光纖受到不均勻應力的作用，如受到側壓力或者套塑光纖受溫度變化影響時，光纖軸產生的微小不規則微米級彎曲，稱為微彎，如圖2所示。現重點探討第一種光纖彎曲，它是光纜竊聽的依據。

2.2 彎曲損耗的計算

平板波導的彎曲損耗問題可用圓柱極坐標系r，φ，z來描述。纖芯以外包層之內的場的解為簡單的漢克爾函數H(2)μ(nkr)(n為纖芯以外的折射率，k為傳播常數)，只需確定階數μ和場的幅度。彎曲波導在近纖芯處的場分布類似于直波導的情況，所以，μ=βR。β為直波導的傳播常數，R為平板波導彎曲半徑。未知的場幅度可以通過將近纖芯處的直平板波導場代入到彎曲平板波導場的一般解中去，以此來解出場的幅度^［3］。彎曲平板波導由于彎曲而引起的功率損耗可以通過計算沿著波導單位長度上的功率泄漏ΔP，并將其代入到損耗公式：α=ΔP/P，P為直波導攜帶的功率。

假定彎曲損耗模型是一個圓形截面的光纖，并作弱導光纖的假設，以簡化公式推導^［3］。鑒于篇幅，這里只給出推導結果，彎曲損耗系數公式如下：

3 光纜竊聽的影響因素

利用光纖彎曲損耗輻射出1%的光功率就可以將原信號恢復出來，對通信系統來說，1%的功率丟失是微不足道的，甚至在系統功率波動范圍內，同時它對原信號的格式和傳輸質量幾乎沒有影響，而且對光纖系統的破壞性小，蔽性強很難被發現。所以，輻射出1%的光功率就能實現隱蔽竊聽。

影響竊聽的直接因素就是彎曲輻射功率值的大小，而后者又由彎曲損耗系數決定。由式(1)知，彎曲損耗系數與彎曲曲率半徑、纖芯折射率、包層折射率、纖芯半徑和通信波長等因素有關。在研究中，將纖芯折射率、包層折射率、纖芯半徑等因素稱為第一類影響因素；把彎曲曲率半徑和通信波長因素稱為第二類影響因素。

3.1 考察第一類影響因素

考察光纖彎曲功率損耗系數與纖芯半徑、纖芯折射率、包層折射率的關系。對于已經敷設的光纜，纖芯半徑、纖芯折射率和包層折射率都已是固定值，是不可變因素，稱之為第一類影響因素，它從根本上決定彎曲竊聽的可能性。實用中敷設的G.652光纖，芯徑一般是9~12 μm，相對折射率差一般都小于1%。現在考察彎曲這類光纖實施竊聽的可能性，設定考察條件1如表1所示，結果如圖3所示。

結論：纖芯半徑越小，相對折射率越小，功率損耗系數越大，并呈指數關系上升。由圖3中的數據可知，對于目前敷設的光纖，彎曲曲率半徑R為5 mm時，輻射出的功率大小已超過1%，能夠滿足竊聽需要。

3.2 考察第二類影響因素

考察光纖彎曲功率損耗系數與入射波長、彎曲曲率半徑的關系。工作波長可能因不同通信需求而改變，為竊聽需要可以改變光纖彎曲曲率半徑以得到最佳輻射功率，這兩個因素是可變因素，稱之為第二類影響因素。目前光通信在1 550 nm窗口，一般工作在1 530~1 565 nm的C波段。現在考察不同通信波長條件下實施竊聽所需的彎曲半徑，設定考察條件2如表2所示。

結論：通信波長越長，光纖彎曲曲率半徑越小，功率損耗系數越大， 曲率半徑小于5 mm左右時功率損耗系數就會發生突變，迅猛增大。對于不同的通信波長采用相應的曲率半徑能獲得最佳竊聽光功率。

4 光纜竊聽系統設計方案

4.1 系統的結構設計

“剝光纜，彎光纖，取信號，解信息”四步光纜竊聽法的難點在于后三步，這也是設計光纜竊聽系統的重點。如圖5中虛線以內部分是竊聽系統的結構框架，分為光信號竊取單元、光電轉換單元和數據再生單元三個部分。

光信號竊取單元的功能是彎曲光纖并取出光信號。主要由夾持耦合器完成，它是一個特殊的無源器件，通過夾持槽使光纖產生一定曲率半徑的彎曲，造成少量的光泄露，然后把泄漏光通過內部光路耦合后經輸出口送到光電轉換單元。在實驗中，我們采用的是美國3M公司研制的光纖夾持器。光功率控制主要負責監控光纖夾持器輸出光功率的值，進而調節光功率值大小以滿足APD檢測器的靈敏度要求。

光電轉換單元主要負責把竊取的光信號轉換成電信號。由于耦合出的光信號非常微弱，所以本單元采用APD光電檢測器。目前使用APD光檢測器的接收機，其典型接收靈敏度是-33 dBm，最大值可到-34 dBm，能基本滿足系統要求^［5］。

數據再生單元主要是對轉換出的電信號進行放大、整形和再生，然后送入相應的終端設備。它主要由前置放大器、限幅放大器及時鐘和判決電路等組成。

4.2 光纖彎曲竊聽實驗

圖6所示為光纖夾持器和光纜竊聽實驗平臺，實驗中重要儀器指標及參數如下：

當功率損耗系數為0.01時，彎曲曲率半徑R=5.8 mm，即在竊聽時，調節光纖夾持器使彎曲半徑至5.8 mm，此值為最佳彎曲半徑值。若彎曲半徑過大，取出的光功率就小，則超出檢測器靈敏度范圍就無法檢測；若彎曲半徑過大，取出的光功率就大，易被發現。

設定彎曲竊聽處光纖中的光功率是10 dBm，考慮到彎曲損耗系數0.01(-20 dB)、光纖夾持器的耦合效率(-15~-18 dB)和插入損耗(-3.5 dB)的影響，那么，進入APD光電檢測器的光功率大小為-28.5~-31.5 dBm，仍然在APD檢測器的靈敏度之內(-33 dBm)。利用這個實驗系統，實現了光纖傳輸的低速信號的還原，包括語音信號竊聽和圖像信號竊取。

5 結 語

與無線通信相比，光纖通信確實具備較強的抗干擾和抗竊聽能力，但這并不意味著光纖通信是絕對安全的。在“四步光纜竊聽法”的指導下，搭建了光纖竊聽實驗系統，通過實驗證明了利用特殊的夾持耦合器進行光纖彎曲竊聽具有可行性。這種竊聽系統具有隱蔽性高、檢測難度大等特點，但由于光纖夾持器耦合效率較低，導致獲取的光信號功率較弱，因而對光電檢測器的靈敏度提出了較高的要求。

參 考 文 獻

［1］Keith Shaneman，Stuart Gray.Optical Network Security:Technical Analysis of Fiber Tapping Mechanisms and Methods for Detection Prevention［C］.MILCOM IEEE，2004.

［2］楊祥林.光通信系統［M］.北京：國防工業出版社，2000.

［3］Marcuse D.Curvature Loss Formula for Optical Fibers ［J］.Optical Society of America，1976，66:216-220.

［4］邢雪寧，張治輝，陳婷.光纖的彎曲損耗和微彎損耗及其利用［J］.中國有線電視，2004(23):24-26.

［5］馬聲全.高速光纖通信ITU-T規范與系統設計［M］.北京：北京郵電大學出版社，2002.

作者簡介 王 芳 女，1973年出生，山東萊蕪人，在讀研究生。主要研究方向為通信與信息處理。