5.1 Konstrukce optického odposlechu
Optovláknový interferometrický model odposlechu s vláknovou Sagnac smyčkou.
Vývoj optického mikrofonu.
Aktuální vzhled tajného pracoviště Dr. Luckého pro vývoj odposlechu.
Výhodou interferometru je to, že může zaznamenat narušení v podobě detekce mechanické vlny způsobené chůzi, případně potvrzené záznamem hlasu.
Zvuková vlna nemá takové účinky jako mechanické vibrace vlákna nebo jeho deformace vlivem narušení. Zvuk tak způsobí mnohem menší změnu délky optické dráhy a tak vyžaduje vyšší kontrast proužků, zejména pro aplikace jako odposlech, kdy se může jednat o velmi slabé signály. Je třeba také zohlednit přenos amplitudy zvukové vlny na vibrace vlákna. Na některých frekvencích je tento přenos dobrý, na jiných je minimální.
5.2 Měření frekvence vibrací reproduktoru interferometrickou metodou
Princip měření
- Počet proužku je úměrný výchylce membrány. Amplitudová změna způsobí příchod proužků a periodické změny výkonu na fotodiodě, amplituda těchto změn výkonu na fotodiodě bude poměrně velká, pokud je na fotodiodě malé množství proužků, a příchod nového proužku značně ovlivní střední výkon.
- Frekvenční změna pak znamená, že amplitudová změna je periodická, tím pádem daný počet nových proužku na fotodiodu přicházet a odcházet pravidelně.
- Výška spektrální čáry říká, „jak moc se změní výkon na fotodiodě“, je úměrná počtu proužků. Z měření je patrné, že interferometr je náchylný na rušení na nižších frekvencích, kde může generovat falešné poplachy.
- Příchod jednoho proužku lze identifikovat pouze v případě, že interferometr je doladěn tak, že na interferogramu je malé množství proužků a mezi příchodem dvou nových proužku, jeden starý proužek opouští interferogram.
Soustava není vhodná pro měření amplitudy vibrací – koeficient přenosu vibrací membrány na vibrace vlákna není známý a mění se se vzdáleností reproduktoru od vlákna.
Souhrnný výsledek měření frekvence vibrací membrány reproduktoru – FFT spektra pro
nízkofrekvenční vibrace.
Souhrnný výsledek měření frekvence vibrací membrány reproduktoru – FFT spektra pro
vysokofrekvenční vibrace.
Reálné foto z měření frekvence.
5.3 Reprodukce a odfiltrování nahrávek
Vybrané frekvence lze ze spektra vyselektovat filtrem na úrovní zpracování v programu Matlab. Ostatní nežádoucí frekvence lze do jisté míry potlačit (utlumit o několik dB), ale ne úplně potlačit. Pro analýzu kvality reprodukce zvuku existuji referenční nahrávky, programy pro zpracování (Praat, Wave Studio). Publikovatelná analýza výsledků vyžaduje nastudování základu zvukové techniky. Zvolili jsme cestu subjektivního vyhodnocování vlastních nahrávek (mluvené slovo) a zpracování v programu Matlab.
Multifrekvenční spektrum je nutno ukládat jako funkce času. Časový vývoj signálu na fotodiodě je nezbytný pro subjektivní vyhodnocení reprodukce projevu.
Byla provedena měření hlasových nahrávek, reprodukce a subjektivní vyhodnocení kvality nahrávek pro různé varianty uspořádání Sagnac a Michelson interferometrů. Zde je výčet nejdůležitějších poznatků.
Závěr z měření
- Většina poznatků platných pro měření známé frekvence reproduktoru platí pro záznam řečových signálů
- U interferometru, který má nízký kontrast, je reprodukovaný záznam zvukového projevu velice zašuměn
- V našem případě se reprodukoval také hluk zapnutých optických přístrojů (hlučný kontrolér proudu laseru, hučící větráky u elektroniky), náhodné zdroje akustického rušení a mechanických vibrací
- V praxi muže být tento průběh mnohem hůře interpretovatelný z důvodu parazitních interferencí a rušení mechanickými vibracemi optické lavice, které se může vyznačovat většími amplitudami než ty měřené na objektu
- V takovém případě frekvenční změny výchylky membrány budou modulovány na signál o větších časových fluktuacích
- Dosažení vysokého kontrastu interferometru je nutné pro optický mikrofon
- Optický mikrofon není vhodný pro záznam hudby
- Bohužel většina komerčně dostupných osciloskopů včetně těch nejdražších nezvládá vzorkování v reálném čase (několik vzorků za sekundu není dostatečné), problémem může být také ukládání dat na externí paměť
- Data pořízená na optickém mikrofonu (časové vývoje interferogramů) ve formátu Excel jsou k dispozici. Reprodukované zvukové nahrávky budou k dispozici v roce 2014, jsou v průběhu zpracování v prostředí Matlab
- Reprodukovaný šum pozadí připomínal zvuk „rozjezdu parní lokomotivy“ a překvapivě vykazoval jistou periodicitu.
5.4 Sagnac nebo Michelson senzor?
- U Sagnac interferometru netriviální otázkou je délka smyčky (nikoliv počet závitů). Experimentálně lze zjistit, která délka je optimální postupným zkracováním smyčky. Pro aplikace uvažované v této zprávě je dostatečná délka smyčky kolem 2 až 8 metrů. U kratších smyček lze pozorovat výrazné zhoršení odezvy na vnější podněty, u delších naopak jsem nezaznamenal téměř žádné vylepšení.
- Ve smyčce se šíří oba svazky v protisměru, obě optické dráhy jsou tak fakticky stejné a problém nastavení délky jednotlivých ramen odpadá. Měřená veličina ovlivňuje oba svazky a uvažování referenčního a měřicího svazku nemá smysl.
- U Michelsonova interferometru je vhodné doladit jednotlivá ramena. Podle teorie rozdíl délek ramen by měl být násobkem vlnové délky, avšak v praxi tento rozdíl nesmí být velké číslo, rozdíl délky ramen v řádu několika desítek metrů je nepřípustný, interferometr v takovém případě funguje velmi špatně.
- Na rozdíl od Sagnac interferometru umožňuje ladění kontrastu interferometru nastavením rozdílu fáze svazku u referenčního a měřicího ramene. Jelikož každý svazek prochází každým ramenem dvakrát, citlivost Michelson interferometru bude větší za předpokladu stejné délky vlákna tvořícího měřicí rameno u Michelson a Sagnac interferometru.
- Vibrace se přenáší jak na vlákno, tak na vláknové zrcátko. Díky tomu účinkům akustické nebo mechanické vlny lze vystavit pouze zrcátko a vlákna izolovat či skrýt (zejména v případě odposlechů). U Sagnac interferometru je třeba působit přímo na vláknovou smyčku.
5.5 Sagnac interferometr
Sagnac interferometr se jeví jako citlivější na vyšších frekvencích a na frekvencích kratších než 1 kHz byl v našem případě nepoužitelný.
Délka smyčky (nikoliv počet a poloměr závitů) a použité vlákno ovlivňuje kvalitu reprodukovaných signálů, experimentálně lze zjistit, která délka je optimální postupným zkracováním smyčky. Pro aplikace uvažované v této zprávě je dostatečná délka smyčky kolem 2 až 8 metrů.
U smyček kratších než 2 m lze pozorovat výrazné zhoršení kvality reprodukovaných nahrávek, u delších naopak nebylo zaznamenáno téměř žádné vylepšení.
Všechna vlákna u Sagnac interferometru musí být stejného typu, platí zejména pro vlákna použitá pro vytvoření smyčky.
Kombinace mnohovidového a jednovidového vlákna je krajně nevhodná. V takovém případě byly pořízené nahrávky téměř nereprodukovatelné!
Pro vytvoření Sagnac smyčky doporučuji použít vlákno se sekundární ochranou (standardní jednovidové propojovací patch kabely).
Bylo zjištěno, že na vlákno bez sekundární ochrany se velmi přenáší mechanické rušení.
Kvalita reprodukovaných promluv byla mnohem lepší pro smyčku vytvořenou z patchcordu než z vlákna pouze s primární ochranou na cívce.
Soustava není vhodná pro přesné měření amplitudy vibrací – koeficient přenosu vibrací membrány na vibrace vlákna není známý a mění se se vzdáleností reproduktoru od vlákna.
Vybrané frekvence lze ze spektra vyselektovat filtrem na úrovni zpracování v programu Matlab. Ostatní nežádoucí frekvence lze do jisté míry potlačit (utlumit o několik dB), ale ne úplně potlačit.
5.6 Michelson interferometr
U Michelson interferometru jsem pozoroval mírně lepší funkci než u Sagnac interferometru zejména na nízkých frekvencích.
Teorie předpokládá izolaci referenčního a měřicího ramene interferometru, dodatečné změny fáze vlivem působení signálu generovaného objektem by měly postihnout pouze jedno rameno. Praxe ukázala, že rozkmitání obou ramen může vést k zesílení účinku a zvýšení přesnosti měření. Interferometr je pak citlivější na mnohem slabší podněty z okolního prostředí. Separovat doporučuji hlavně kontrolní část interferometru, která je zdrojem rušení. Jinak řečeno, detekční jednotka a kontroléry teploty nebo proudu by neměly být umísťovány na optickou lavici spolu s interferometrem a měřeným objektem
Z toho lze učinit závěr, že Sagnac interferometr je vhodnější pro aplikaci optického mikrofonu a Michelson interferometr pro aplikaci u senzoru narušení prostoru, (chůze nebo našlápnutí na vlákno generuje nízkofrekvenční vibrace).
5.7 Zvýšení citlivosti a přesnosti odposlechu
Navrhované řešení
- Použit výkonné lasery (několik mW), tak aby na výstupu bylo aspoň několik μW
- Použit dostatečně citlivé přijímače – nutná elektronika pro fotodiody
- Používat vlákna kvalitní z pohledu polarizace a zakončené konektory typu APC, které minimalizují zpětné odrazy a parazitní interference
- Minimalizovat počet konektorů svařením vláken
- Minimalizovat počet komponent interferometru, z tohoto pohledu stavba vysoce modulárního systému není vhodná – je to otázka kompromisu mezi variabilitou a minimalizaci řešení
- Čištění konektorů – v některých případech může značně snížit útlum interferometru. Čištění konektoru doporučuji provést také u nových kabelů, kde konektory by měly být teoreticky čisté, ale z vlastní zkušenosti tvrdím, že tomu tak většinou není.
- Pro zvýšení kontrastu interferometru je třeba doladit délku ramen, která má být v ideálním případě násobkem vlnové délky
- Ustřihněte obě ramena tak, aby v hrubém měřítku byla podobně dlouhá
- Dolaďte délku ramene použitím mikro rotátoru nebo piezostretcheru.
- Možným řešením je vyvázání svazku z vlákna, doladění optické drahý ve volném prostoru a opětovné navázaní svazku do vlákna
5.8 Teplotní stabilizace systému
Měřena veličina je úměrná vlnové délce laseru, jehož paprsek interferuje a počtu interferenčních proužků, proto šířka spektra laseru a jeho teplotní stabilita je důležitá z pohledu přesnosti měření.
Porovnání spekter DFB Distributed Feed Back laseru a FP Fabry Perot laseru v kontextu
přesnosti výpočtu delty L ve vzorci výše.
Počet proužku je úměrný změně optické drahý pod vlivem měřené veličiny (např. vibrace, zvuk). Amplitudová změna způsobí příchod proužků. Zvuk (ton) navíc způsobí periodické změny výkonu na fotodiodě.
Teplotní přeladění laseru způsobí nepřesnost měření, která naštěstí je zanedbatelná ve většině případů. U měření frekvence nemá praktický význam, protože přesné změření amplitudy není potřebné – klíčová je detekce periodicity změn na dané, byť nepřesně změřené amplitudě.
Naopak, teplotní stabilizace je klíčová u měření amplitudy vibrací nebo rezonance.
Teplotní přeladění DFB laseru – max. 2 nm.
5.9 Polarizační stabilizace systému
Náhodná, rozdílná polarizace dvou vln způsobí to, že amplituda součtu těch dvou vln se náhodně mění. Fluktuace výkonu jsou problematické pro měření amplitudy, avšak pro měření známé frekvence nejsou překážkou. U optického mikrofonu se mohou nepříjemně projevit jako šum, (tyto změny jsou náhodné a generují náhodné frekvence).
Navrhované řešení
- Použit polarizátory
- Polarizátory lze nahradit PMF vlákny, vlákny udržujícími polarizaci
- Řešení PMF je levnější než SMF + 2x polarizátor
Představuje menší útlum – jeden polarizátor má asi 3 dB, které mohou promluvit do útlumové bilance soustavy (v našem případě bylo nutno tyto polarizátory odstranit, abychom se dostali nad minimální detekovatelnou úroveň jednotky.
Kontrolér polarizace – lze nahradit polarizací udržujícím vláknem.