Чувствительные сейсмические датчики на основе микроволновой волоконной интерферометрии в коммерческих кабелях

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14000 (2022) Цитировать эту статью

2612 Доступов

4 цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Использование волоконно-оптических инфраструктур для зондирования окружающей среды привлекает глобальный интерес, поскольку оптические волокна становятся недорогими и легкодоступными платформами, демонстрирующими широкое наземное распространение. Кроме того, оптоволоконные сети предлагают уникальное преимущество, обеспечивая наблюдение за подводными районами, где редкое наличие постоянного сейсмического оборудования из-за стоимости и трудностей в развертывании ограничивает доступность подводной информации высокого разрешения о природных опасностях как во времени, так и в пространстве. Использование оптических методов, использующих уже существующую оптоволоконную инфраструктуру, может эффективно обеспечить покрытие с более высоким разрешением и проложить путь к идентификации детальной структуры Земли, особенно в отношении сейсмогенных подводных разломов. Преобладающим оптическим методом, используемым для обнаружения землетрясений и структурного анализа, является распределенное акустическое зондирование (DAS), которое обеспечивает высокое пространственное разрешение и чувствительность, однако ограничено по дальности действия (< 100 км). В этой работе мы представляем новый метод, который основан на распространении стабильной микроволновой частоты по оптическим волокнам в конфигурации с замкнутым контуром, тем самым формируя интерферометр, чувствительный к деформации. Мы называем предлагаемый метод волоконно-микроволновым интерферометром (MFFI) и демонстрируем его чувствительность к деформации, вызванной землетрясениями средней и большой силы из локальных или региональных эпицентров. Сигналы MFFI сравниваются с сигналами, зарегистрированными акселерометрами Афинской национальной обсерватории, Национальной сейсмической сети Института геодинамики и коммерчески доступным запросчиком DAS, работающим параллельно в том же месте. Достигнуто и продемонстрировано замечательное согласие в оценке динамического поведения и скорости деформации. Таким образом, MFFI становится новой технологией в области волоконных сейсмометров, предлагающей важные преимущества в отношении стоимости реализации, максимального диапазона и простоты.

Детальное изображение структуры Земли, включая зоны активных разрывов, имеет первостепенное значение для оценки стихийных бедствий1,2,3. Несмотря на значительный прогресс в изучении сейсмических свойств и опасности зон разломов на суше4,5, структура сейсмогенных подводных разломов часто остается плохо изученной. Кроме того, оползни и мутные течения представляют собой значительную геологическую опасность для морской инфраструктуры6,7. Эти географические области, представляющие интерес, труднодоступны, часто они находятся на расстоянии сотен километров от берега. В настоящее время единственным жизнеспособным решением для сбора сейсмических данных является использование донных сейсмометров, что, однако, создает препятствия при их позиционировании и извлечении8.

За последнее десятилетие было проведено множество исследований, показывающих, что оптоволоконные кабели на наземных, а главное, на подводных объектах могут работать как распределенные сейсмометры высокой точности, обеспечивающие возможность телеметрии и непрерывной работы. Хотя с начала 1980-х годов для обеспечения широкополосной связи по всему миру стали постепенно внедряться оптические волокна9,10, удивительно, но чувствительность оптических волокон к механическим вибрациям превращает их в потенциальную глобальную платформу для обнаружения и мониторинга широкого спектра геофизические и экологические воздействия. Использование таких датчиков по всему миру открывает широкие возможности для применения в системах раннего предупреждения, а также может предоставить огромный объем данных для использования открытой наукой в геофизических исследованиях и исследованиях изменения климата. Тем не менее, массовое развертывание требует как чувствительного, так и экономически эффективного метода оптических измерений. Преобладающим методом обнаружения сейсмических событий и других нарушений окружающей среды является распределенное акустическое зондирование (DAS)11,12,13,14,15. DAS основан на обратном рэлеевском рассеянии света (RBS) и может обнаруживать и измерять вибрации вдоль волокна в амплитудной, частотной и фазовой областях16,17,18. Коммерчески доступные запросчики DAS, основанные на фазовой демодуляции, могут обеспечивать пространственное разрешение порядка 1 м, дальность действия примерно до 100 км при максимальной и минимальной обнаруживаемой деформации, составляющей несколько нанодеформаций и ниже19,20. Системы DAS успешно используются для обнаружения землетрясений и детальной характеристики структуры подводных разломов21,22,23, тем самым доказывая, что оптические волокна могут обеспечить улучшенную видимость в местах, где доступ человека и установка специальных приборов затруднены. Несмотря на свои превосходные преимущества с точки зрения пространственного разрешения и чувствительности при измерении деформации, DAS демонстрирует фундаментальные ограничения из-за своей внутренней зависимости от RBS. Примечательно, что основным недостатком DAS является то, что он очень чувствителен к отражениям, вызванным неидеальными соединениями между различными сегментами волокна в установленных развертываниях, и, как правило, не может работать на расстояниях более 50–100 км из-за низкого значения отношения сигнал/шум сигнал обратного рассеяния20. Это ограничение делает DAS совершенно несовместимым с исследованиями, направленными на использование длинных трансокеанских кабелей для глубоководных исследований океана. Более того, чтобы расширить охват DAS за счет использования распределенного усиления, мощных лазеров и кодирования24, его предпочтительно следует размещать в темных волокнах22, то есть никакие другие каналы связи не должны распространяться одновременно в опрашиваемом волокне, что не соответствует требованиям с планами операторов связи по 100% развертыванию проложенных волокон. Наконец, инструменты DAS, как коммерческие продукты, довольно дороги (порядка 100 тысяч долларов), что делает их массовое использование в нескольких оптоволоконных линиях одновременно экономически неэффективным25.

100 km). Its main weakness is that it requires low-linewidth sub-Hz lasers which are expensive—of the same order of DAS systems in terms of cost—and complex devices and quite noisy in the low-frequency region, as a result of their sensitivity to the 1/f2 noise attributed to the random walk of laser's phase27,28. This technique could indeed emerge as a strong alternative to DAS, provided that photonic integrated laser sources of ultra-low linewidth will become a mature counterpart to bulk solutions in the near future29. Very recently, Zhan et al. have revealed the possibility of tracking fiber deformations due to external forces by simply monitoring polarization variations in commercially deployed transoceanic links employing the already installed digital coherent transceivers30. The theoretical foundation of this method is presented by Mecozzi et al.31 and clearly shows the dependence of polarization fluctuations on the square of the local strain. This polarization sensing is a very elegant technique that is directly supported by the operating transceivers of long-haul optical communication systems. However, it is less sensitive than techniques based on phase detection26 and monitoring of state of polarization is almost impossible in terrestrial, "noisy" fibers due to the high sensitivity of polarization in temperature and mechanical variations caused mostly by human activity30./p> 400 km epicentral distance). Moreover, the comparison between MFFI and DAS confirmed that MFFI estimates the average strain experienced by the optical fiber as theoretically expected./p> 5 Hz) as an effect of second-order differentiation. Techniques for further optimization of the system are described in methods./p> 200 km) due to power fading effects which however can be mitigated using various techniques (see supplementary information as well)42,43,44. Further improvement could be achieved by increasing the RF modulation frequency and utilizing a higher resolution ADC to lower the quantization noise. Increase of RF modulation frequency can be accomplished with the use of carrier suppression44 or higher-order harmonic generation by means of optical modulation45. Our implementation that relies on low-cost off-the-shelf components can detect optical path variations in the order of ΔL ~ 2.5 μm. We envisage that this can be reduced by more than an order of magnitude with the use of a high-performance ADC (24 bit resolution, 1 kHz sampling rate) and with a factor of four if the microwave frequency is increased to 40 GHz. State of the art innovations in integrated microwave photonics46,47 could potentially enable the preparation of spectrally pure mm-wave carriers approaching 100 GHz, that can be detected with the use of high performance 100 GHz photodetectors48,49. Thus, keeping in mind that 100 GHz components will be soon available for telecom applications, MFFI prototypes could potentially provide sensitivity at unprecedented levels. Even with the use of off-the-shelf and mature 10–20 GHz optoelectronic components, satisfactory sensitivity can be attained at low cost and in real-time which is of high importance for the development of early warning systems. On the contrary, techniques relying on extracting events related to environmental effects by processing the huge amount of data offered by digital coherent receivers30,50 operating in the multi GSa/sec time scale require unparalleled processing power to offer real-time identification of critical events such as tsunamis, earthquakes, etc. A massive production of high performance MFFI prototypes offering real-time event detection at minimum cost could be achieved, thus paving the way for mid-term installation of MFFI tools in almost every fiber link of interest worldwide. Thus, our results in a rather noisy fiber located in a crowded area prove that MFFI could emerge as a key enabling technology for the widespread evolution of fiber optic seismology. MFFI can also provide the possibility of a better localization of fiber deformations and be converted to distributed strain meters. The simplest solution is to use two MFFI systems positioned at the two ends of the link. Through cross-correlating their time traces corresponding to counter-propagating waves in a periodic basis, one can localize perturbations of the link26,51. The spatial resolution depends on the integration time and sampling rate at each side51 and could be in the order of hundreds of meters or even less which is adequate for earthquake detection as wavelengths related to earthquakes are on the order of several hundred meters or several kilometers. Beyond that straightforward approach, continuum mechanics analysis of the relation between optical phase changes and the strain tensor reveal that the sensitivity of a fiber segment to deformation is proportional to the local fiber curvature52. This implies that strongly curved segments, such as tight loops, effectively act as individual sensors that contribute large phase measurements \(\varphi (t)\) at distinct times when a wavefront reaches the segment. Consequently, a time-dependent analysis of \(\varphi (t)\) may effectively mimic a distributed system of strongly curved fiber segments53. This, in turn, opens new perspectives for seismic tomography and earthquake location in remote regions where dense arrays of conventional seismometers are not available and may convert a single MFFI interrogator to a distributed measurement engine./p>

Новости

Чувствительные сейсмические датчики на основе микроволновой волоконной интерферометрии в коммерческих кабелях