DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01338-2
تاريخ النشر: 2024-04-04
المؤلف: Simone Donadello وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة تطبيق تداخل الليزر لقياس التغيرات الدقيقة في طول كابلات الاتصالات عن بُعد الناتجة عن الأحداث الزلزالية. تجعل المسافة الطويلة للتقنية وتوافقها مع الشبكات البصرية الحالية منها مناسبة بشكل خاص لمراقبة المناطق النائية والمكتظة بالسكان. على الرغم من الإمكانيات، فإن تفسير بيانات التداخل قد تعرقل بسبب نقص مجموعات البيانات.
يقدم المؤلفون تحليلًا منهجيًا لبيانات تم جمعها على مدى 1.5 سنة من كابل اتصالات أرضي، مقارنين إياها مع قراءات من أجهزة قياس الزلازل المتواجدة في نفس الموقع. لقد تمكنوا بنجاح من اكتشاف الأحداث الزلزالية عبر نطاق واسع من القوة، بما في ذلك الهزات الضعيفة جدًا. تؤسس الدراسة علاقة بين احتمال اكتشاف الأحداث الزلزالية وقوتها والمسافة من الكابل. بالإضافة إلى ذلك، فإن إدخال التحليل الطيفي لبيانات الألياف يوفر نهجًا جديدًا لفحص ديناميات الزلازل. تؤكد النتائج جدوى استخدام هذه التقنية لمراقبة الزلازل على المستويين العالمي والمحلي، مما يبرز تطبيقاتها المحتملة في جهود حماية المدنيين.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام تكوينين تداخليين لاستشعار تغييرات طول الألياف البصرية. يتضمن التكوين الأول تقسيم شعاع ليزر فائق الاستقرار إلى فرعين، حيث يكمل أحد الفرعين رحلة ذهاب وإياب عبر الألياف قبل إعادة الدمج. يتذبذب النغمة الناتجة عن التداخل الذاتي عند 40 ميغاهرتز، مع ترددها الفوري الذي يعكس التغيرات في معامل انكسار الألياف وطولها بسبب القوى البيئية. يتم أخذ عينات البيانات بمعدلات تتراوح بين 1 كيلو هرتز و10 كيلو هرتز، مما ينتج عنه أحجام بيانات مضغوطة تتراوح بين 26 ميغابايت و270 ميغابايت في الساعة، على التوالي. يتم فك تشفير الإشارة وتصفيتها إلى معدل تحليل نهائي يبلغ 100 هرتز، باستخدام الكشف التداخلي لتقليل تداخل الضوضاء.
يستخدم التكوين الثاني ليزرين في عقد الشبكة، يتداخلان مع ليزر محلي، مما ينتج عنه نغمات تتذبذب عند حوالي 1.1 غيغاهرتز. يتأثر التردد الفوري لهذه النغمات بترددات الحامل الضوئي وأي تحولات يتعرض لها الليزر البعيد أثناء الإرسال. لتحقيق رفض الوضع المشترك لضوضاء الليزر، فإن مزامنة القياسات بين العقد أمر حاسم، ويتم الحفاظ عليها ضمن 5 ميكروثانية باستخدام طريقة خطوة التردد. يفترض كلا التكوينين اضطرابات متناظرة في الألياف، التي تم وضعها بشكل متوازي في كابل واحد. يتوافق الإعداد التجريبي مع معايير رفوف الاتصالات ويستخدم تقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) لإدارة الإشارات الضوئية، مع تركيب مكبر ضوئي للتخفيف من الخسائر.
نتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة فعالية استشعار الألياف التداخلية في اكتشاف الزلازل، كاشفة عن علاقة بين احتمال الاكتشاف (P)، قوة الزلزال (M)، والمسافة من المركز (d) كما هو معبر عنه بالمعادلة \( P = A_2 \cdot 10^{A_1 M / d} \). أظهرت تحليل لأكثر من 600 حدث زلزالي على مدى 1.5 سنة أن عتبة الحساسية لجهاز استشعار الألياف كانت \( A_1 = 0.403 \pm 0.001 \) و\( A_2 = 3280 \pm 10 \) م. على الرغم من مستويات الضوضاء المدمجة الأعلى مقارنة بأجهزة قياس الزلازل التقليدية، فإن حساسية الألياف قابلة للمقارنة مع القيم المعتمدة لتسارعات الأرض وسرعاتها القصوى. كان أضعف حدث تم اكتشافه له قوة 1.4، مما يبرز قدرة الألياف على تحديد الإشارات الزلزالية الضعيفة حتى في ظل تقلبات الضوضاء الخلفية الكبيرة.
أظهر التحليل الإضافي أن احتمال الاكتشاف للزلازل متوسطة الحجم يختلف مع التوزيع الزاوي، مما يشير إلى أن انحناء واجهة الموجة وزاوية السقوط تؤثر بشكل كبير على استجابة الكابل. كما قارنت الدراسة قياسات الألياف مع بيانات أجهزة قياس الزلازل التقليدية، مشيرة إلى أنه بينما تقيس أجهزة استشعار الألياف تغييرات الطور الضوئي، تقيس أجهزة قياس الزلازل سرعات الأرض أو تسارعاتها. أظهر التحليل الطيفي للأحداث المكتشفة ارتباطًا متسقًا بين الترددات الزاوية المستمدة من كلا المستشعرين، مع معامل ارتباط بيرسون قدره \( r = 0.81 \). وهذا يشير إلى أن القياسات المعتمدة على الألياف يمكن أن تدعم بشكل فعال تقدير القوة للأحداث الزلزالية الصغيرة إلى المتوسطة، على الرغم من التحديات في معايرة الاستجابات المطلقة بسبب معلمات الربط غير المعروفة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات تقنية الألياف الضوئية في تعزيز أنظمة مراقبة الزلازل.
مناقشة
في هذه المناقشة، يقدم المؤلفون النتائج المستخلصة من جمع البيانات على مدى 1.5 سنة باستخدام تداخل الليزر لاكتشاف الزلازل على طول كابل الألياف الضوئية الأرضي، المتواجد بجوار أجهزة قياس الزلازل المعتمدة. توضح الدراسة أن الأحداث ذات القوة المحلية ($M_l \geq 2$) يمكن اكتشافها بشكل موثوق دون التأثير على جودة حركة البيانات، مما يشير إلى جدوى دمج هذه التقنية في البنى التحتية الحالية للألياف. تشير النتائج إلى أن تداخل الليزر يمكن أن يعزز المراقبة في المناطق المكتظة بالسكان، مما يلتقط الأحداث الزلزالية الضعيفة التي قد تفوتها أجهزة قياس الزلازل التقليدية بسبب تغطيتها المحدودة.
يؤكد المؤلفون على إمكانيات هذه الطريقة لتطبيقات أوسع تتجاوز اكتشاف الزلازل، مثل مراقبة حركة المرور والموجات الرنانة للبنية التحتية. يجادلون بأن دمج تداخل الليزر في شبكات الاتصالات يمكن أن يوفر تغطية شاملة مع الحفاظ على معدل نقل بيانات قابل للإدارة (1.2 غيغابايت/يوم عند 1 كيلو هرتز)، على عكس أنظمة الاستشعار الصوتي الموزعة التجارية (DAS)، التي تنتج أحجام بيانات أكبر بكثير. تناقش الورقة أيضًا أهمية دمج تقنيات استشعار متنوعة لمعالجة التحديات المعقدة في المراقبة البيئية، مما يبرز الحاجة إلى تقدم في تقنيات دمج الليزر لتسهيل الإنتاج الضخم وتقليل التكاليف للتطبيقات واسعة النطاق.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01338-2
Publication Date: 2024-04-04
Author(s): Simone Donadello et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
This section discusses the application of laser interferometry for the remote measurement of minute length changes in telecommunication cables caused by seismic events. The technique’s long reach and compatibility with existing optical networks make it particularly suitable for monitoring both remote and densely populated areas. Despite the potential, the interpretation of interferometric data has been hindered by a scarcity of datasets.
The authors present a systematic analysis of 1.5 years of data collected from a land-based telecommunication cable, comparing it with readings from co-located seismometers. They successfully detected seismic events across a wide magnitude range, including very weak tremors. The study establishes a relationship between the detection probability of seismic events and their magnitude and distance from the cable. Additionally, the introduction of spectral analysis of fiber data provides a novel approach to examining earthquake dynamics. The findings affirm the feasibility of using this technique for both global and local seismic monitoring, highlighting its potential applications in civilian protection efforts.
Methods
In this study, two interferometric configurations were employed to sense fiber optical length variations. The first configuration involves splitting an ultrastable laser beam into two branches, where one branch completes a roundtrip through the fiber before recombination. The resulting self-heterodyne beatnote oscillates at 40 MHz, with its instantaneous frequency reflecting changes in the fiber’s refractive index and length due to environmental forces. Data is sampled at rates between 1 kHz and 10 kHz, yielding compressed data sizes of 26 MB to 270 MB per hour, respectively. The signal is demodulated and filtered to a final analysis rate of 100 Hz, utilizing heterodyne detection to minimize noise interference.
The second configuration utilizes two lasers at network nodes, which interfere with a local laser, producing beatnotes oscillating at approximately 1.1 GHz. The instantaneous frequency of these beatnotes is influenced by the optical carrier frequencies and any shifts experienced by the remote laser during transmission. To achieve common-mode rejection of laser noise, synchronization of measurements between nodes is critical, maintained within 5 μs using a frequency step method. Both configurations assume symmetrical perturbations in the fiber, which is laid parallel in a single cable. The experimental setup adheres to telecom rack standards and employs Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) for optical signal management, with an optical preamplifier installed to mitigate losses.
Results
The results of this study demonstrate the effectiveness of interferometric fiber sensing for earthquake detection, revealing a relationship between detection probability (P), earthquake magnitude (M), and hypocenter distance (d) as expressed by the equation \( P = A_2 \cdot 10^{A_1 M / d} \). An analysis of over 600 seismic events over 1.5 years indicated that the sensitivity threshold for the fiber sensor was \( A_1 = 0.403 \pm 0.001 \) and \( A_2 = 3280 \pm 10 \) m. Despite higher integrated noise levels compared to traditional seismometers, the fiber’s sensitivity is comparable to established values for peak ground accelerations and velocities. The weakest detected event had a magnitude of 1.4, highlighting the fiber’s capability to identify weak seismic signals even amidst significant background noise fluctuations.
Further analysis revealed that the detection probability for average-sized earthquakes varied with angular distribution, suggesting that wavefront curvature and angle of incidence significantly influence the cable’s response. The study also compared fiber measurements with conventional seismometer data, noting that while fiber sensors measure optical phase changes, seismometers measure ground velocities or accelerations. The spectral analysis of detected events showed a consistent correlation between the corner frequencies derived from both sensors, with a Pearson correlation coefficient of \( r = 0.81 \). This indicates that fiber-based measurements can effectively support magnitude estimation for small to mid-sized seismic events, despite challenges in calibrating absolute responses due to unknown coupling parameters. Overall, the findings underscore the potential of fiber optic technology in enhancing earthquake monitoring systems.
Discussion
In this discussion, the authors present findings from 1.5 years of data collection using laser interferometry for earthquake detection along a land-based fiber optic cable, co-located with established seismometers. The study demonstrates that events with local magnitudes ($M_l \geq 2$) can be reliably detected without compromising data traffic quality, indicating the feasibility of integrating this technology into existing fiber infrastructures. The results suggest that laser interferometry can enhance monitoring in densely populated areas, capturing weak seismic events that traditional seismometers might miss due to their limited coverage.
The authors emphasize the potential of this method for broader applications beyond earthquake detection, such as monitoring vehicle traffic and infrastructure resonances. They argue that the integration of laser interferometry into telecommunication grids could provide extensive coverage while maintaining manageable data throughput (1.2 GB/day at 1 kHz), in contrast to commercial Distributed Acoustic Sensing (DAS) systems, which generate significantly larger data volumes. The paper also discusses the importance of combining various sensing technologies to address complex environmental monitoring challenges, highlighting the need for advancements in laser integration technologies to facilitate mass production and cost reduction for large-scale applications.