每隔 13 年或 17 年，在美国一些地区，数十亿蝉发出的嗡嗡交配叫声就会成为夏天的背景音乐。它们的咔哒声非常响亮，以至于承载高速互联网的光纤电缆有可能探测到它们。一项于 11 月 30 日发表在《美国昆虫学会期刊》上的概念验证研究描述了这项技术如何能够帮助追踪这些吵闹而短暂的昆虫。
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光纤电缆安装在电线杆上时，可用作传感器，用于检测温度、振动和非常大的噪音的变化。这项新兴技术称为分布式光纤传感，并已在该研究中进行了测试。
“令我惊讶和兴奋的是，尽管研究地点靠近新泽西州米德尔塞克斯县一个繁忙的区域，但我们还是收集到了关于蝉鸣声的大量信息，”该研究的合著者、昆虫学家杰西卡·韦尔（Jessica Ware）在声明中表示。韦尔是纽约美国自然历史博物馆无脊椎动物动物学部的副馆长兼主席。
测量“后向散射”
据研究团队称，分布式光纤传感的原理是在光脉冲通过光纤电缆时，寻找并分析后向散射。后向散射发生在电缆中的微小缺陷或干扰导致少量信号反弹回源头时。技术人员可以测量后向散射光的到达时间，从而精确计算出光在电缆何处发生反弹。监测后向散射随时间的变化，可以形成干扰的特征。在声学传感中，这种特征可以指示电缆中的声音频率和响度。
一个传感器也可以部署在很长的线路上。根据该研究，一条长达 31 英里的电缆配备一个传感器，可以精确到 3.2 英尺的尺度来检测干扰的位置。该研究的作者报告称，这相当于在测试区域安装了 50,000 个声学传感器，这些传感器不仅同步，而且不需要现场供电。
然而，根据合著者、NEC Labs America 光子学研究员 Sarper Ozharar 的说法，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、汽车警报或蝉的出现”。
Brood X 周期蝉的回归
在2021 年，Brood X 周期蝉从地下出现，遍布至少 15 个州。Brood X 是几个周期为 17 年的蝉群中最大的一支。Ozharar、Ware 和来自 NEC Laboratories America, Inc. 的同事们利用这个机会，测试了实验室的光纤传感测试装置，看看是否能拾取到 Brood X 蝉在树上的鸣叫声。该电缆于 2021 年 6 月 9 日至 6 月 24 日期间，架设在新泽西州普林斯顿的三个 35 英尺高的电线杆上。
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该电缆拾取了昆虫的声音。通过光纤传感，蝉鸣声以 1.33 千赫（kHz）的强信号出现。这与在同一地点用传统音频传感器测量的蝉鸣声频率相匹配。
研究团队还观察到蝉的峰值频率在 1.2 kHz 到 1.5 kHz 之间变化。这种模式似乎随着气温的变化而变化。光纤传感还显示了测试期间昆虫噪音的整体强度。随着蝉鸣声达到顶峰然后随着繁殖期接近尾声而减弱，信号也随时间减小。
Ozharar 说：“我们认为，这项为其他应用设计和优化的、看似与昆虫学无关的新技术，竟然能够支持昆虫学研究，这非常令人兴奋和有趣。”
光纤传感器是多功能的，因此它们可以安装并用于任何目的，有一天可以探测蝉，第二天可以探测其他干扰。据 Ware 介绍，它们还可以用于探测各种不同的昆虫。
Ware 说：“周期蝉是一种吵闹的群体，被这些系统捕捉到了，但我们很想看看，对昆虫声景和振动的年度测量，在监测一个区域在不同季节和年份的昆虫丰度方面是否会有用。”
Brood X 周期蝉又回到了地下，要到 2038 年才会再次出现。它们出现之间的漫长间隔使得昆虫学家可以在此期间进行技术上的飞跃。当 Brood X 在 2004 年上次出现时，使用移动智能手机或应用程序是不可行的，但这两种技术都大大记录了 2021 年的出现。光纤电缆可能会在周期蝉合唱研究领域带来类似的飞跃。
