研究人员用光纤建造了一个具有“10亿个传感器”的新型地震观测台

实验帮2020-11-12 10:29:20

上图显示的位置是一个长度约为3英里的8字形环状结构,其中利用光学纤维填充,这是斯坦福大学校园最新的一个光纤声光地震观测项目实验。

数千英里深埋的光纤纵横交错的加利福尼亚旧金山湾地区,为其中提供的高速互联网和高清视频宽带连接到家庭和企业。

Biondo Biondi是一个斯坦福大学地球物理能源与环境科学的教授,他将密集的网络设计为一个廉价的具有“十亿传感器”的天文台连续监测和地震研究的平台。

在过去的一年中,Biondi的团队发现,将光纤的扰动事件和地震的数量和方位信息相连接形成相互关系是可能的。

研究人员已利用3英里长距离环状光纤记录了这些地震扰动事件,光纤结构安装在斯坦福大学校园地下,安装是通关一种叫做地震记录机的仪器记录的,仪器由OptaSense公司提供,该公司也是这个最新论文的合著者。

Biondi说:“我们可以不断地收听和收听地球运行状态,而使用的是目前已经用于电信通信目的的现有光纤。

目前研究人员监测地震的地震仪,它比该电信阵列更敏感,但其覆盖范围比较稀疏,而后者的安装和维护是具有挑战性的且十分昂贵,特别是在城市地区。

相比之下,像Biondi提出的这后在那个新型地震观测站相对来说是相对便宜的。Biondi说:“我们网络中的每一米光纤都像一个传感器,安装成本不到1美元。你将永远无法创建一个类似的传统的地震仪能有如此大覆盖网络、密度和价格的特性。”

这样的网络能够让科学家更详细地研究地震情况,尤其是小地震,并能准确地查明地震源。更大的传感器覆盖率也能使地面实现响应更高分辨率大的震动测量。

Biondi实验室的研究生Eileen Martin说:“土木工程师们可以从这些建筑物和桥梁对数十亿传感器阵列中的小地震作出反应,并利用这些信息来设计能够承受更大震动的建筑物。”

上图为这种光纤地震观测台成功地探测到今年9月8日在墨西哥中部发生的8.2级地震。

来自后向散射的信号

光纤是种纯玻璃束,厚度约为人类头发的粗细。它们通常被捆绑在一起,形成一种光缆结构,通过将电子信号转换成光,远距离传输数据信号。

Biondi不是第一个设想用光纤监测环境的人。一种被称为分布式声学传感(DAS)的技术已经用于监测石油和天然气工业中管道和壁的健康状况。Martin说:“DAS的工作原理是,当光沿着纤维传播时,它会碰到玻璃中的各种杂质并反弹回来。如果纤维是完全静止的,那么‘后向散射’信号看起来总是一样的。但如果纤维在某些区域由于振动或应变而开始伸长,信号就会发生变化。”

先前的一些设施已经利用了这种声波传感,但仍需要昂贵的光纤,还被贴到一个表面或包裹在水泥里,需要与待测结构接触,才能保证最高的数据质量。与此相反,斯坦福大学Biondi的这个项目被称为光纤地震观测站,它与电信公司使用的光纤相同,它们在中空塑料管道内处于无担保和自由浮动状态。

 “人们开始不相信这种方法会有效,” Martin说。“他们总是假设一个不耦合的光纤会产生太多的信号噪声。”

但由于光纤地震观测在斯坦福大学在2016年9月开始运作,它记录并编目了超过800个事件,事件中就包含了人为的震动事件,一些很小的、几乎感觉不到当地地震,再到强大的致命的灾难,像是最近的地震袭击了2000多英里之外的墨西哥的大地震。在一个特别显现的实验中,地下阵列从两个小的地方地震中提取信号,地震级分别为1.6和1.8。

Biondi说:“正如预期的那样,两次地震都有相同的波形或模式,因为它们起源于同一地点,但更大地震的振幅更大。”这表明光纤地震台能正确区分不同震级的地震。

最重要的是,该阵列还探测并区分了两种不同类型的波,它们通过地球传播,称为P波和S波。“我们的目标之一是为早期地震预警系统作出贡献。这将需要具有检测P波的能力,而这种波通常对S波的破坏性较小,但到达的时间要早得多,”马丁说。

Biondi说,斯坦福大学的光纤地震观测台只是开发湾区广域地震台网的第一步,仍有许多障碍需要克服,例如表明该阵列可以在城市范围内进行操作。

来源:https://phys.org/news/2017-10-billion-sensors-earthquake-observatory-optical.html

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