用光缆测量周期性蝉的合唱

悬挂在普通电线杆上的光缆(为越来越多的美国家庭带来高速互联网的光缆)可以通过一种称为分布式光纤的新兴技术变成传感器来检测温度变化、振动甚至声音光学传感。

然而，正如NEC美国实验室光子学研究员SarperOzharar博士所解释的那样，光纤电缆中的声学传感“仅限于附近的声源或非常响亮的事件，例如紧急车辆、汽车警报或蝉出现。”

蝉?事实上，周期性蝉——这种昆虫以在13或17年一个周期中出现数十亿只并发出集体喧闹的嗡嗡声交配叫声而闻名——声音足够大，可以通过光纤声学传感来检测到。一项新的概念验证研究表明，该技术如何为绘制这些著名的短暂昆虫的种群数量开辟新途径。

“尽管位于新泽西州米德尔塞克斯县的一个繁忙地区附近，但得知收集到了有关这些电话的大量信息，我感到惊讶和兴奋，”副馆长兼该部门主席昆虫学家杰西卡·韦尔博士说美国自然历史博物馆无脊椎动物学博士，该研究的合著者，该研究发表在美国昆虫学会的昆虫科学杂志上。

正如研究人员在报告中解释的那样，分布式光纤传感基于检测和分析电缆中的“反向散射”。当光脉冲通过光纤电缆发送时，电缆中的微小缺陷或干扰会导致一小部分信号反射回源。

反向散射光到达的时间可用于计算光沿着电缆反射回来的确切点。而且，监测反向散射如何随时间变化会产生干扰的特征——在声学传感的情况下，可以指示声音的音量和频率。

单个传感器也可以部署在一大段电缆上;研究人员提供了一个50公里长的电缆示例，该电缆带有一个传感器，可以以1米的精度检测干扰的位置。他们写道：“这相当于在监控区域安装50,000个[声学]传感器，这些传感器本质上是同步的，并且不需要现场电源。”

通过一种名为分布式光纤传感的新兴技术，为美国家庭带来高速互联网的电缆可以用来检测温度变化、振动甚至声音。周期蝉(每13或17年出现数十亿只昆虫，发出交配叫声)的声音足以被察觉。一项新的研究表明，光纤传感如何为绘制这些著名的短暂昆虫的种群图谱开辟新途径。此处，绘制了2021年进行研究时五天内蝉鸣峰值光谱频率的变化。图片来源：Ozharar等人，2023年，《昆虫科学杂志》

2021年，“BroodX”(以17年为周期出现的几个蝉种群中最大的一个)在美国中西部和大西洋中部地区的至少15个州和哥伦比亚特区破土而出，其中包括新州奥扎拉尔(Ozharar)在新泽西州的NEC实验室美国公司(NECLaboratoriesAmerica,Inc.)工作。在那里，奥扎拉尔(Ozharar)和同事使用了NEC的光纤传感测试设备(在普林斯顿NEC实验室的三根35英尺电线杆上串起的电缆)，看看他们是否能够检测和分析当年6月9日至24日期间，BroodX蝉在附近树上嗡嗡的声音。

果然，蝉鸣声很明显。它通过光纤传感显示为1.33kHz的强信号，该信号与放置在同一位置的传统音频传感器测量到的蝉叫声频率相匹配。

研究人员还观察到蝉的峰值频率在1.2kHz到1.5kHz之间变化，这种模式似乎遵循测试地点的温度变化。还通过光纤传感观察了蝉鸣声的整体强度，在测试期间，信号逐渐减弱，蝉的鸣叫声达到顶峰，然后在繁殖期末期逐渐减弱。

奥扎拉尔说：“我们认为这项新技术确实令人兴奋和有趣，它是为其他应用而设计和优化的，看似与昆虫学无关，但却可以支持昆虫学研究。”事实上，光纤传感器是多功能的，这意味着它们可以安装并用于多种目的，一天检测蝉，第二天检测一些其他干扰。

韦尔表示，光纤传感很快就会在检测各种昆虫方面发挥作用。她说：“周期性蝉是这些系统捕捉到的一个嘈杂的群体，但看看每年对昆虫声景和振动的测量是否有助于监测一个地区跨季节和年份的昆虫丰度，这将是很有趣的。”

至于周期性蝉，已知在美国东部的不同年份和不同地区会出现十多窝蝉。该国不断增长的光纤基础设施网络——根据光纤宽带协会的数据，到2022年，超过40%的美国家庭可以使用光纤互联网——可以纳入昆虫学家随着时间的推移观察和测量这些现象的努力中。

奥扎拉尔说：“由于宽带接入和电信的蓬勃发展，光纤电缆在社区中无处不在，编织了一个庞大的网络，不仅提供高速互联网，而且还为下一代传感技术奠定了基础。”

BroodX蝉将一直留在地下直到2038年。它们的短暂出现和大量数量使研究它们成为一项挑战，但它们到达之间的漫长间隔使昆虫学家能够在此期间实现重大的技术飞跃。2021年，通过众包移动智能手机应用程序，人们对BroodX进行了前所未有的观察——这种方法在2004年BroodX上次出现时几乎是不可想象的。到2038年，光纤传感很可能成为实现类似进步的下一个途径。