Messung des periodischen Zikadenchors mit Glasfaserkabeln

An einem gewöhnlichen Strommast aufgehängt, kann ein Glasfaserkabel – das Kabel, das immer mehr amerikanischen Haushalten Hochgeschwindigkeitsinternet bietet – mithilfe einer neuen Technologie namens „Distributed Fiber“ in einen Sensor verwandelt werden, der Temperaturänderungen, Vibrationen und sogar Geräusche erkennt optische Erfassung.

Wie der Photonikforscher von NEC Labs America, Sarper Ozharar, Ph.D., erklärt, ist die akustische Erfassung in Glasfaserkabeln jedoch „nur auf nahegelegene Schallquellen oder sehr laute Ereignisse wie Einsatzfahrzeuge, Autoalarmanlagen oder das Auftauchen von Zikaden beschränkt.“

Zikaden? Tatsächlich sind periodische Zikaden – die Insekten, die dafür bekannt sind, in 13- oder 17-Jahres-Zyklen milliardenfach aufzutauchen und mit ihren summenden Paarungsrufen für kollektiven Lärm zu sorgen – laut genug, um durch faseroptische akustische Sensoren erkannt zu werden. Und eine neue Proof-of-Concept-Studie zeigt, wie die Technologie neue Wege zur Kartierung der Populationen dieser bekanntermaßen kurzlebigen Käfer eröffnen könnte.

„Ich war überrascht und aufgeregt, als ich erfuhr, wie viele Informationen über die Anrufe gesammelt wurden, obwohl sie sich in der Nähe eines belebten Teils von Middlesex County in New Jersey befanden“, sagt die Entomologin Jessica Ware, Ph.D., stellvertretende Kuratorin und Vorsitzende der Abteilung für Wirbellose Zoologie am American Museum of Natural History und Co-Autor der Studie, die in der Entomological Society of America veröffentlicht wurde Zeitschrift für Insektenwissenschaft.

Wie die Forscher in ihrem Bericht erläutern, basiert die verteilte faseroptische Sensorik auf der Erkennung und Analyse von „Rückstreuungen“ in einem Kabel. Wenn ein optischer Impuls durch ein Glasfaserkabel gesendet wird, führen winzige Mängel oder Störungen im Kabel dazu, dass ein kleiner Teil des Signals zur Quelle zurückprallt.

Durch die zeitliche Bestimmung des Eintreffens des zurückgestreuten Lichts kann der genaue Punkt entlang des Kabels berechnet werden, von dem es zurückgeworfen wurde. Und durch die Überwachung, wie sich die Rückstreuung im Laufe der Zeit verändert, entsteht eine Signatur der Störung – die im Fall der akustischen Wahrnehmung Aufschluss über Lautstärke und Frequenz des Schalls geben kann.

Ein einzelner Sensor kann auch auf einem großen Kabelabschnitt eingesetzt werden; Als Beispiel nennen die Forscher ein 50 Kilometer langes Kabel mit einem Sensor, der den Ort von Störungen auf einer Skala von bis zu einem Meter genau erkennen kann. „Das ist identisch mit der Installation von 50.000.“ [acoustic] Sensoren im überwachten Bereich, die von Natur aus synchronisiert sind und keine Stromversorgung vor Ort benötigen“, schreiben sie.

Im Jahr 2021 schlüpfte Brood Jersey, wo Ozharar bei NEC Laboratories America, Inc. arbeitet. Dort verwendeten Ozharar und Kollegen NECs Fasersensor-Testgerät – Kabel, die an drei 35 Fuß langen Strommasten auf dem Gelände des NEC-Labors in Princeton gespannt waren – um zu sehen, ob sie und erkennen konnten Analysieren Sie das Geräusch der Brut-X-Zikaden, die zwischen dem 9. und 24. Juni dieses Jahres in den Bäumen in der Nähe summten.

Tatsächlich war das Summen der Zikaden deutlich zu hören. Über den Glasfasersensor wurde ein starkes Signal mit 1,33 Kilohertz (kHz) angezeigt, das mit der Frequenz des Zikadenrufs übereinstimmte, die mit einem herkömmlichen Audiosensor an derselben Stelle gemessen wurde.

Die Forscher beobachteten auch, dass die Spitzenfrequenz der Zikaden zwischen 1,2 kHz und 1,5 kHz schwankte, ein Muster, das offenbar den Temperaturänderungen am Teststandort folgte. Die Gesamtintensität des Summens der Zikaden wurde auch über die faseroptische Erfassung beobachtet, und das Signal nahm im Verlauf des Testzeitraums ab, als der Chor der Zikaden seinen Höhepunkt erreichte und dann abklang, als sie das Ende ihrer Fortpflanzungsperiode erreichten.

„Wir finden es wirklich aufregend und interessant, dass diese neue Technologie, die für andere Anwendungen entwickelt und optimiert wurde und scheinbar keinen Bezug zur Entomologie hat, entomologische Studien unterstützen kann“, sagt Ozharar. Tatsächlich sind faseroptische Sensoren multifunktional, das heißt, sie können für eine Vielzahl von Zwecken installiert und verwendet werden, um an einem Tag Zikaden und am nächsten andere Störungen zu erkennen.

Laut Ware könnte die faseroptische Sensorik bald eine Rolle bei der Erkennung einer Vielzahl von Insekten spielen. „Periodische Zikaden waren eine laute Kohorte, die von diesen Systemen erfasst wurde, aber es wird interessant sein zu sehen, ob jährliche Messungen von Insektengeräuschen und -vibrationen nützlich sein könnten, um die Insektenhäufigkeit in einem Gebiet über Jahreszeiten und Jahre hinweg zu überwachen“, sagt sie.

Von periodisch auftretenden Zikaden ist bekannt, dass mehr als ein Dutzend Bruten in verschiedenen Jahren und in verschiedenen Gebieten im Osten der Vereinigten Staaten entstehen. Das wachsende Netzwerk der Glasfaser-Infrastruktur im Land – nach Angaben der Fiber Broadband Association wird Glasfaser-Internet ab 2022 für mehr als 40 % der US-Haushalte verfügbar sein – könnte in die Bemühungen der Entomologen einbezogen werden, diese Entwicklungen im Laufe der Zeit zu beobachten und zu messen.

„Dank der boomenden Entwicklung des Breitbandzugangs und der Telekommunikation sind Glasfaserkabel in allen Gemeinden allgegenwärtig verfügbar und bilden ein riesiges Netzwerk, das nicht nur Hochgeschwindigkeitsinternet bietet, sondern auch als Grundlage für die nächste Generation von Sensortechnologien dient“, sagt Ozharar.

Brood Im Jahr 2021 war Brood X in beispiellosem Umfang beobachtet über eine Crowdsourcing-App für mobile Smartphones – eine Methode, die kaum vorstellbar war, als Brood