Длинный

Том 13 научных докладов, номер статьи: 13983 (2023) Цитировать эту статью

423 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы представляем оптоволоконный датчик деформации окружающей среды дальнего действия, основанный на активном фазовом шумоподавлении (PNC) при распространении метрологической частоты. При обнаружении PNC используются записи компенсационной частоты, которые обычно отбрасываются. Без необходимости использования специальных измерительных устройств он работает синхронно с метрологическими службами, что позволяет предположить, что существующие метрологические сети с фазовой стабилизацией можно легко использовать совместно в качестве датчиков окружающей среды. Совместимость зондирования PNC с линейным усилением позволяет опрашивать кабели длиной более 1000 км, что делает его потенциальным вкладом в обнаружение землетрясений и раннее предупреждение в океанах. Используя моделирование волнового поля спектральных элементов, которое точно учитывает сложную геометрию кабеля, мы сравниваем наблюдаемые и рассчитанные записи частоты компенсации для землетрясения магнитудой 3,9 на юго-востоке Франции и оптоволоконной линии длиной 123 км между Берном и Базелем, Швейцария. Совпадение как по фазе, так и по амплитуде указывает на то, что зондирование PNC можно использовать количественно, например, для обнаружения и определения характеристик землетрясений.

За последнее десятилетие распределенное акустическое зондирование (DAS) стало зрелой технологией, обеспечивающей высокую пространственную дискретизацию и широкую полосу частот от мГц до кГц1,2. Тем самым это открыло разнообразные исследовательские возможности, имеющие непосредственную социальную значимость, например, в области сейсмических изображений и мониторинга приповерхностных структур и резервуаров3,4,5,6,7, обнаружения и определения характеристик сейсмичности вулканов для потенциального раннего предупреждения8,9, 10,11 и исследования структуры и динамики ледников и ледниковых щитов12,13,14,15.

Одновременно с популяризацией DAS были разработаны новые подходы к обнаружению, позволяющие преодолеть два ее недостатка: высокую стоимость устройств DAS и максимальное расстояние опроса, обычно составляющее несколько десятков километров, которое можно увеличить за счет использования ретрансляторов в тех случаях, когда кабель доступен. Используя зависимое от деформации двойное лучепреломление, было показано, что изменения оптической поляризации, накопленные вдоль трансокеанских телекоммуникационных кабелей, фиксируют сейсмические движения грунта16,17. В более раннем исследовании было продемонстрировано, что оптические изменения фазы в ультрастабильных лазерных сигналах, передаваемых через метрологические или телекоммуникационные сети длиной от сотен до тысяч километров, чувствительны к широкому спектру сигналов окружающей среды, включая землетрясения18. Приняв концептуально аналогичный подход, был разработан волоконный микроволновый интерферометр (MFFI), стоимость которого значительно ниже стоимости коммерческих устройств DAS19, что делает эту технологию привлекательной для приложений, связанных с защитой окружающей среды и стихийных бедствий в странах с низкими доходами. Параллельное сравнение DAS и MFFI выявило потенциал последнего для количественной науки20. Хотя технологии, основанные на фазовой передаче, обеспечивают только пространственно интегрированные, а не распределенные измерения деформации, определенный уровень пространственного разрешения может быть достигнут либо за счет использования повторителей между сегментами волокна21, либо за счет временного анализа сигналов22. Технологии оптоволоконных датчиков, основанные на поляризации или фазовой передаче, значительно расширяют зону покрытия, особенно в океанах, что дает очевидные преимущества для сейсмических изображений, а также для раннего предупреждения о землетрясениях и цунами. Однако они требуют специального измерительного оборудования18,19 и, возможно, прерывания услуги, для которой в первую очередь предполагается использовать оптоволокно18.

Здесь мы представляем альтернативный подход к измерению деформации оптоволокна на больших расстояниях, основанный на активном фазовом шумоподавлении (PNC). PNC, обычно используемый для стабилизации распространения частоты в метрологических оптоволоконных сетях, производит измерения оптического изменения фазы в качестве побочного продукта, который обычно отбрасывается или контролируется только для наблюдения за исправностью системы. Посредством сравнения с полноволновым моделированием регионального землетрясения мы демонстрируем, что PNC обеспечивает количественные измерения деформации грунта без какого-либо прерывания распространения метрологической частоты. Это означает, что существующие метрологические сети могут быть преобразованы в датчики деформации дальнего действия без дополнительных затрат и усилий.