摘 要：基于光纖彎曲輻射，提出了四步光纜竊聽(tīng)法，即“剝光纜，彎光纖，取信號(hào)，解信息”。通過(guò)推導(dǎo)光纖彎曲損耗公式和考察兩類(lèi)竊聽(tīng)影響因素，得出隱蔽竊聽(tīng)所需的光纖彎曲最佳曲率半徑值。在此理論指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了竊聽(tīng)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，并搭建了光纖竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)證明：四步光纜竊聽(tīng)法具有可行性，且隱蔽性好、檢測(cè)難度大。

關(guān)鍵詞：四步光纜竊聽(tīng)法;光纖彎曲損耗;竊聽(tīng);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



1 引 言

近幾年來(lái)發(fā)現(xiàn)光纖有很多特性可用于竊聽(tīng)，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(diǎn)介紹基于光纖彎曲輻射的新型光纜竊聽(tīng)原理和技術(shù)：在光纜線路上，開(kāi)剝光纜外護(hù)套，輕微彎曲光纖使傳輸?shù)墓庑盘?hào)輻射出來(lái)^［1］，獲取輻射光信號(hào)并利用相關(guān)技術(shù)解調(diào)出傳輸信息，概括地講，就是“剝光纜，彎光纖，取信號(hào)，解信息”的“四步光纜竊聽(tīng)法”。這種竊聽(tīng)對(duì)通信光纖沒(méi)有破壞性，而且只要光功率泄漏不大于1%，用戶(hù)用現(xiàn)行OTDR無(wú)法探測(cè)到這種竊聽(tīng)的存在，因此比較隱蔽，較難檢測(cè)。竊聽(tīng)最重要的一環(huán)是彎曲光纖輻射出功率大小合適的光信號(hào)：若功率太小，無(wú)法還原出原始信號(hào)，達(dá)不到竊聽(tīng)的目的；若功率太大，正常通信光功率丟失過(guò)多，這樣易被檢測(cè)到，同樣達(dá)不到竊聽(tīng)的目的。為實(shí)施有效的隱蔽竊聽(tīng)，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(jī)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(chēng)為彎曲或宏彎，如圖1所示。另一種是光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，如受到側(cè)壓力或者套塑光纖受溫度變化影響時(shí)，光纖軸產(chǎn)生的微小不規(guī)則微米級(jí)彎曲，稱(chēng)為微彎，如圖2所示?，F(xiàn)重點(diǎn)探討第一種光纖彎曲，它是光纜竊聽(tīng)的依據(jù)。

2.2 彎曲損耗的計(jì)算

平板波導(dǎo)的彎曲損耗問(wèn)題可用圓柱極坐標(biāo)系r，φ，z來(lái)描述。纖芯以外包層之內(nèi)的場(chǎng)的解為簡(jiǎn)單的漢克爾函數(shù)H(2)μ(nkr)(n為纖芯以外的折射率，k為傳播常數(shù))，只需確定階數(shù)μ和場(chǎng)的幅度。彎曲波導(dǎo)在近纖芯處的場(chǎng)分布類(lèi)似于直波導(dǎo)的情況，所以，μ=βR。β為直波導(dǎo)的傳播常數(shù)，R為平板波導(dǎo)彎曲半徑。未知的場(chǎng)幅度可以通過(guò)將近纖芯處的直平板波導(dǎo)場(chǎng)代入到彎曲平板波導(dǎo)場(chǎng)的一般解中去，以此來(lái)解出場(chǎng)的幅度^［3］。彎曲平板波導(dǎo)由于彎曲而引起的功率損耗可以通過(guò)計(jì)算沿著波導(dǎo)單位長(zhǎng)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(dǎo)攜帶的功率。

假定彎曲損耗模型是一個(gè)圓形截面的光纖，并作弱導(dǎo)光纖的假設(shè)，以簡(jiǎn)化公式推導(dǎo)^［3］。鑒于篇幅，這里只給出推導(dǎo)結(jié)果，彎曲損耗系數(shù)公式如下：

3 光纜竊聽(tīng)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(hào)恢復(fù)出來(lái)，對(duì)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，1%的功率丟失是微不足道的，甚至在系統(tǒng)功率波動(dòng)范圍內(nèi)，同時(shí)它對(duì)原信號(hào)的格式和傳輸質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響，而且對(duì)光纖系統(tǒng)的破壞性小，蔽性強(qiáng)很難被發(fā)現(xiàn)。所以，輻射出1%的光功率就能實(shí)現(xiàn)隱蔽竊聽(tīng)。

影響竊聽(tīng)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(shù)決定。由式(1)知，彎曲損耗系數(shù)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(zhǎng)等因素有關(guān)。在研究中，將纖芯折射率、包層折射率、纖芯半徑等因素稱(chēng)為第一類(lèi)影響因素；把彎曲曲率半徑和通信波長(zhǎng)因素稱(chēng)為第二類(lèi)影響因素。

3.1 考察第一類(lèi)影響因素

考察光纖彎曲功率損耗系數(shù)與纖芯半徑、纖芯折射率、包層折射率的關(guān)系。對(duì)于已經(jīng)敷設(shè)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(chēng)之為第一類(lèi)影響因素，它從根本上決定彎曲竊聽(tīng)的可能性。實(shí)用中敷設(shè)的G.652光纖，芯徑一般是9~12 μm，相對(duì)折射率差一般都小于1%?，F(xiàn)在考察彎曲這類(lèi)光纖實(shí)施竊聽(tīng)的可能性，設(shè)定考察條件1如表1所示，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)論：纖芯半徑越小，相對(duì)折射率越小，功率損耗系數(shù)越大，并呈指數(shù)關(guān)系上升。由圖3中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)于目前敷設(shè)的光纖，彎曲曲率半徑R為5 mm時(shí)，輻射出的功率大小已超過(guò)1%，能夠滿(mǎn)足竊聽(tīng)需要。

3.2 考察第二類(lèi)影響因素

考察光纖彎曲功率損耗系數(shù)與入射波長(zhǎng)、彎曲曲率半徑的關(guān)系。工作波長(zhǎng)可能因不同通信需求而改變，為竊聽(tīng)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(gè)因素是可變因素，稱(chēng)之為第二類(lèi)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(xiàn)在考察不同通信波長(zhǎng)條件下實(shí)施竊聽(tīng)所需的彎曲半徑，設(shè)定考察條件2如表2所示。

結(jié)論：通信波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光纖彎曲曲率半徑越小，功率損耗系數(shù)越大， 曲率半徑小于5 mm左右時(shí)功率損耗系數(shù)就會(huì)發(fā)生突變，迅猛增大。對(duì)于不同的通信波長(zhǎng)采用相應(yīng)的曲率半徑能獲得最佳竊聽(tīng)光功率。

4 光纜竊聽(tīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“剝光纜，彎光纖，取信號(hào)，解信息”四步光纜竊聽(tīng)法的難點(diǎn)在于后三步，這也是設(shè)計(jì)光纜竊聽(tīng)系統(tǒng)的重點(diǎn)。如圖5中虛線以?xún)?nèi)部分是竊聽(tīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，分為光信號(hào)竊取單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)再生單元三個(gè)部分。

光信號(hào)竊取單元的功能是彎曲光纖并取出光信號(hào)。主要由夾持耦合器完成，它是一個(gè)特殊的無(wú)源器件，通過(guò)夾持槽使光纖產(chǎn)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(guò)內(nèi)部光路耦合后經(jīng)輸出口送到光電轉(zhuǎn)換單元。在實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是美國(guó)3M公司研制的光纖夾持器。光功率控制主要負(fù)責(zé)監(jiān)控光纖夾持器輸出光功率的值，進(jìn)而調(diào)節(jié)光功率值大小以滿(mǎn)足APD檢測(cè)器的靈敏度要求。

光電轉(zhuǎn)換單元主要負(fù)責(zé)把竊取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于耦合出的光信號(hào)非常微弱，所以本單元采用APD光電檢測(cè)器。目前使用APD光檢測(cè)器的接收機(jī)，其典型接收靈敏度是-33 dBm，最大值可到-34 dBm，能基本滿(mǎn)足系統(tǒng)要求^［5］。

數(shù)據(jù)再生單元主要是對(duì)轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)進(jìn)行放大、整形和再生，然后送入相應(yīng)的終端設(shè)備。它主要由前置放大器、限幅放大器及時(shí)鐘和判決電路等組成。

4.2 光纖彎曲竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)

圖6所示為光纖夾持器和光纜竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中重要儀器指標(biāo)及參數(shù)如下：

當(dāng)功率損耗系數(shù)為0.01時(shí)，彎曲曲率半徑R=5.8 mm，即在竊聽(tīng)時(shí)，調(diào)節(jié)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(guò)大，取出的光功率就小，則超出檢測(cè)器靈敏度范圍就無(wú)法檢測(cè)；若彎曲半徑過(guò)大，取出的光功率就大，易被發(fā)現(xiàn)。

設(shè)定彎曲竊聽(tīng)處光纖中的光功率是10 dBm，考慮到彎曲損耗系數(shù)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(jìn)入APD光電檢測(cè)器的光功率大小為-28.5~-31.5 dBm，仍然在APD檢測(cè)器的靈敏度之內(nèi)(-33 dBm)。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光纖傳輸?shù)牡退傩盘?hào)的還原，包括語(yǔ)音信號(hào)竊聽(tīng)和圖像信號(hào)竊取。

5 結(jié) 語(yǔ)

與無(wú)線通信相比，光纖通信確實(shí)具備較強(qiáng)的抗干擾和抗竊聽(tīng)能力，但這并不意味著光纖通信是絕對(duì)安全的。在“四步光纜竊聽(tīng)法”的指導(dǎo)下，搭建了光纖竊聽(tīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了利用特殊的夾持耦合器進(jìn)行光纖彎曲竊聽(tīng)具有可行性。這種竊聽(tīng)系統(tǒng)具有隱蔽性高、檢測(cè)難度大等特點(diǎn)，但由于光纖夾持器耦合效率較低，導(dǎo)致獲取的光信號(hào)功率較弱，因而對(duì)光電檢測(cè)器的靈敏度提出了較高的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［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(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)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(guó)有線電視，2004(23):24-26.

［5］馬聲全.高速光纖通信ITU-T規(guī)范與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介 王 芳 女，1973年出生，山東萊蕪人，在讀研究生。主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息處理。