一个研究小组已经设计并测试了一种基于先进光学物理原理的方案,该方案使用有源海底光纤数据线来感知海底地震和洋面膨胀。
本文的前一部分介绍了将地震传感功能“装载”到现有海底光缆上的背景。这一部分更详细地介绍了项目的基础和结果。注意,物理电缆不是一个单一的、统一的组件,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,可将光功率提高20 dBm。
为了最大限度地提高吞吐量和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的偏振(通常被指定为偏振状态或SOP)在光纤中传播。通过控制与此偏振相关的电场方向,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,看它是如何在其行程中动态变化的——一种导致光信号交叉耦合的失真类型。然后它们相互干扰,降低信噪比(SNR),增加误码率(BER)。斯托克斯参数是表征这种光信号偏振的一个广泛使用的因子。
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恒定的。然而,当纤维暴露在与时间相关的干扰中,如拉伸、扭曲、压力或弯曲,就会改变纤维双折射的耦合。光缆每一段的双折射率随之改变,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,电缆内部的极化会发生变化。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,所以深水居里电缆不像陆地电缆那样由于前两个因素而产生“噪音”。研究人员发现,居里电缆沿线的偏振随着时间的推移保持相当稳定。这种稳定性是关键,它允许研究人员检测第三个因素——电缆中的机械诱导应变。
然而,在地震期间和风暴产生巨大的海浪时,偏振会突然发生巨大的变化。这些变化可以通过现有的监测设备和适当的数据分析算法检测到。因此,整个海底电缆的长度就像一个传感器,位于难以监测的位置。偏振测量频率很高,通常每秒可达20次,所以当地震靠近某个地区时,几秒钟内就能探测到(图3).
请注意,这是一个非常低带宽的现象,变化在几十兆赫(1兆赫= 0.001赫兹)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思考和测量的光谱相比,这是一个非常不同的光谱(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),所以复杂的偏振测试仪器固有的低频稳定性和低漂移是必要的。
该团队在9个月的连续观测期间记录了大约30次海洋风暴潮事件和20次中至大型地震,包括2020年8月4日危地马拉近海发生的5.8级海底地震(图4).
詹教授说:“这项新技术真的可以把大部分海底电缆转换成数千公里长的地球物理传感器,用来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基地震检波器和海啸监测浮标网络,在许多情况下使海底地震和海啸的探测速度更快。”
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,它是高度可扩展的,可将全球海底电缆转换为连续实时地震和海啸观测站。该项目的全部细节在他们的论文中。基于光偏振的跨洋电缆地震和水波传感发表于科学;还有详细的光学物理方程和分析的补充材料,结果的图表,以及更多。
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外部引用
- 科学与一切同在。”基于光偏振的跨洋电缆地震和水波传感”
- 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”
- 《科学指南》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