Широкополосный доступ: хор цикад, измеренный с помощью оптоволоконных кабелей

Статья взята и переведена с портала: sciencedaily.com

Всем нам известны замечательные свойства оптоволоконных технологий, но как выяснилось, жизнь открывает новые интересные варианты их применений.

Так, например, подвешенный к общему столбу оптоволоконный кабель, который обеспечивает высокоскоростной доступ в Интернет, может быть превращен в датчик для обнаружения изменений температуры, вибрации и даже звука с помощью новой технологии под названием «распределенное оптоволоконное зондирование».

Однако, как объясняет исследователь фотоники NEC Labs America Сарпер Ожарар, акустическое зондирование в оптоволоконных кабелях «ограничено только близлежащими источниками звука или очень громкими событиями, такими как звуки сирены машины скорой помощи, автомобильной сигнализации или появление цикад».

Действительно, периодические цикады – род цикад с 13 или 17-летними жизненными циклами – появляются практически одновременно миллиардами особей и издают очень громкие «брачные» звуки. Эти звуки достаточно просто улавливаются с помощью оптоволоконного акустического зондирования. Подобная исследовательская технология может быть применена, например, для составления карт популяций этих насекомых.

Как объясняют исследователи в своих отчетах, распределенное оптоволоконное зондирование основано на обнаружении и анализе «обратного рассеяния» в оптоволоконном кабеле. Когда передается оптический импульс, малейшие дефекты или помехи в кабеле приводят к тому, что небольшая часть сигнала возвращается обратно к источнику. Время отражения рассеянного света можно использовать для расчета точной точки на кабеле, от которой он отразился. Наблюдение за тем, как обратное рассеяние изменяется с течением времени применительно к акустическому зондированию косвенно позволяет измерять громкость и частоту источников звука.

На сравнительно большом участке оптоволоконного кабеля достаточно размещения одного датчика. Исследователи приводят пример 50-километрового кабеля с датчиком, который может определять местонахождение помех с точностью до 1 метра. «Это идентично установке 50 000 [акустических] датчиков в контролируемом регионе, которые по своей сути синхронизированы и не требуют локального электропитания», — говорится в исследовании (The Entomological Society of America’s Journal of Insect Science).

В 2021 году одна из крупнейших популяций цикад с 17-летним циклом, появилась как минимум в 15 штатах в округе Колумбия на Среднем Западе и в среднеатлантических регионах США, включая Нью-Йорк, Джерси, где Ожарар работает в NEC Laboratories America, Inc. Там было использовано испытательное устройство NEC – оптоволоконный кабель, натянутый на трех 35-футовых опорах на территории лаборатории NEC в Принстоне – чтобы проверить, можно ли обнаружить и проанализировать звук цикад на деревьях неподалеку.

Действительно, жужжание цикад было зафиксировано. Звук детектировался как сильный сигнал частотой 1,33 килогерца (кГц) через оптоволоконный датчик, который близок по частоте крику цикад, измеренной с помощью традиционного аудиодатчика, расположенного в том же месте. Исследователи также наблюдали, что пиковая частота звука, издаваемого цикадами, варьируется от 1,2 до 1,5 кГц, что, по-видимому, соответствует коррелирует с изменениями температуры на испытательном полигоне. Общая интенсивность жужжания цикад также детектировалась с помощью оптоволоконных датчиков, и сигнал уменьшался в течение периода тестирования, поскольку хор цикад достигал максимума, а затем затухал по мере того, как они достигали завершения своего репродуктивного периода.

«Мы считаем, что это действительно захватывающе и интересно, что эта новая технология, разработанная и оптимизированная для других применений и, казалось бы, не связанная с энтомологией, может поддерживать даже энтомологические исследования», — говорит Ожарар. 

Действительно, оказывается, что оптоволоконные датчики вполне многофункциональны, то есть их можно использовать и для других, не свойственных им изначально целей: сегодня они обнаруживают цикад, а завтра – другие события и прецеденты.