一个研究小组根据先进的光学物理原理设计并测试了一种方案,该方案使用有源海底光纤数据电缆来感知海底地震和海面膨胀。
本文前一部分介绍了将地震传感功能“搭载”到现有海底光纤电缆上的背景。这一部分将更详细地介绍项目的基础和结果。注意,物理电缆不是单一的、均匀的组件,而是根据路径上的位置改变护套和保护(图1).此外,每隔100公里就有一个光放大器,光功率最高可提高20 dBm。
为了最大限度地提高吞吐量并实现尽可能高的数据速率,电缆系统运营商监控的一个因素是光纤内传播的光的偏振(通常指定为偏振状态或SOP)。通过控制与此极化相关的电场方向,多个信号可以同时通过同一光纤进行多路复用(图2).在接收端,光学仪器检查每个信号的SOP,以查看它是如何在其旅程中动态变化的——一种导致光信号交叉耦合的失真。然后它们相互干扰,降低信噪比(SNR)并增加误码率(BER)。斯托克斯参数是一种广泛使用的表征光信号偏振的因子。
对于处于“安静”环境且不受时变外界扰动影响的光纤,输出偏振的斯托克斯矢量是常数。然而,当纤维暴露于时间相关的干扰,如拉伸、扭曲、压力或弯曲时,就会改变纤维双折射的耦合。光缆每一段的双折射随之改变,输出偏振的斯托克斯矢量也随之改变和变化。
由于温度波动、雷击和微小的机械运动,电缆内的极化会发生变化。不过,前两种影响主要发生在陆基电缆上,而不是海底电缆上。相比之下,海洋温度几乎保持不变。由于环境干扰较少,因此深水居里电缆不像地面电缆那样由于前两个因素而“噪声”大。研究人员发现,沿居里电缆的偏振随着时间的推移保持相当稳定。这种稳定性是关键,使研究人员能够检测电缆中的第三个因素——机械诱导应变。
然而,当地震和风暴产生巨大的海浪时,极化会突然而急剧地变化。这些变化可以用现有的监测设备和适当的数据分析算法检测到。因此,海底电缆的整个长度就像一个难以监控的位置上的单个传感器。偏振被频繁地测量,通常每秒可达20次,所以当地震袭击一个特定地区时,它可以在几秒钟内被探测到(图3).
请注意,这是一个非常低带宽的现象,变化在几十毫赫(1 MHz = 0.001 Hz)到几赫兹的范围内缓慢发生。与大多数电子和光学工程师习惯于思考和测量的频谱相比,这是一个非常不同的频谱(但对于机械工程师和现实世界的过程来说并不罕见——想想温度),因此复杂偏振测试仪器中固有的低频稳定性和低漂移是必要的。
在9个月的连续观察期内,该团队记录了大约30次海洋风暴事件和20次中大型地震,包括2020年8月4日危地马拉近海的5.8级海底地震(图4).
詹教授说:“这项新技术可以将大部分海底电缆转换成数千公里长的地球物理传感器,以探测未来的地震和可能的海啸。”“我们相信这是第一个可以在世界各地实施的监测海底地震活动的解决方案。它可以补充现有的地面地震仪和海啸监测浮标网络,在许多情况下,可以更快地探测到海底地震和海啸。”
他还指出,由于这种方法不需要专门的设备、激光源或专用光纤,因此在将全球海底电缆转换为连续实时地震和海啸观测站方面具有很高的可扩展性。该项目的全部细节在他们的论文中。跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感发表于科学;也有张贴补充材料与详细的光学物理方程和分析,结果图表,以及更多。
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外部引用
- 詹和大家,科学。”跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感”
- 詹等人,科学,“补充材料”
- 普渡大学物理系波与振荡:光的偏振”
- 西北大学"光的斯托克斯参数的测量”
- 科学直播间"斯托克斯参数”
- 尼康显微镜"双折射原理”
- 奥林巴斯生命科学"光学双折射”
了下:传感器提示