Оптоволоконное обнаружение землетрясений на большом расстоянии с помощью активного фазового шумоподавления
Геофизики из ETH Zurich показали, что каждая волна землетрясения магнитудой 3,9 регистрируется системой шумоподавления оптоволоконных сетей. Этот метод, опубликованный в журнале Scientific Reports, можно использовать для создания мелкоячеистых систем раннего предупреждения о землетрясениях и цунами при небольших затратах.
Принцип измерения и экспериментальная установка. (а) Схема интерферометрического измерения фазы для PNC. (б) Геометрия оптоволоконного кабеля, соединяющего МЕТАС в Берне с Базельским университетом.
Кредит: Научные отчеты (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-41161-x
Для богатых стран, таких как Швейцария, наличие густой сети станций мониторинга землетрясений является само собой разумеющимся. В менее развитых странах и на дне мирового океана дело обстоит иначе. В то время как в более бедных регионах нет денег на необходимое количество датчиков, океаны требуют сложных систем, которые могут надежно измерять минимальные изменения давления на глубинах в тысячи метров и доставлять сигналы данных на поверхность.
Вторичное использование данных шумоподавления
Ученые из Института геофизики ETH Цюриха в сотрудничестве со Швейцарским федеральным институтом метрологии (METAS) нашли удивительный и недорогой метод, который позволяет точно измерять землетрясения даже на дне океана и в менее развитых странах.
«Мы воспользуемся функцией, которую уже выполняет существующая волоконно-оптическая инфраструктура: мы получаем данные о вибрации от системы активного шумоподавления, задача которой — повысить точность сигналов при оптической передаче данных», — объясняет профессор геофизики Андреас Фихтнер. Все, что требуется, — это сохранить данные активного шумоподавления и оценить их — нет необходимости в дополнительных устройствах или дорогостоящей инфраструктуре.
Фото: ETH Zurich / Ларс Гебраад.
Вибрационный «шум» погашен
Чтобы понять, как активное фазовое шумоподавление (PNC) может измерять сейсмические толчки, полезно сравнить его с системами шумоподавления современных наушников высокого класса, которые практически полностью устраняют окружающий шум для пользователей. Эти наушники оснащены микрофонами, которые улавливают внешний шум. Этот сигнал инвертируется и затем подается в аудиосигналы практически в реальном времени. Фазоинвертированный сигнал взаимно однозначно нейтрализует внешний шум, делая его неслышимым.
В PNC оптической системы передачи данных «окружающий шум» в оптическом волокне определяется путем сравнения первоначально переданного сигнала с частичным сигналом, отраженным приемником. Разница между двумя сигналами указывает на помехи, которым подвергся световой сигнал на пути через оптическое волокно. Так же, как и при шумоподавлении в наушниках, эту помеху можно нейтрализовать с помощью соответствующего антисигнала.
Деформации вызывают минимальные изменения частоты
При оптической передаче данных «шум» возникает, когда оптические волокна повреждаются всего на микрометры. Это происходит в ответ на деформации поверхности Земли из-за землетрясений, волн на воде, перепадов атмосферного давления и деятельности человека. Каждая деформация слегка укорачивает или удлиняет волокно. Это, в свою очередь, приводит к так называемому фотоупругому эффекту, который приводит к незначительным колебаниям скорости света в волокне.
И изменения длины волокна, и колебания скорости света изменяют частоту светового сигнала в незначительной степени. Это явление известно уже несколько лет и уже использовано в специальных приборах для измерения вибраций.
Но в случае с системой подавления шума в оптоволоконной связи швейцарской инфраструктуры атомных часов, которую исследовали ученые из ETH и METAS, такие дополнительные измерительные приборы излишни: деформации можно легко прочитать по коррекции сигналов времени. Это корректирует длину волны сигнала в терагерцовом диапазоне (10 12 колебаний в секунду) на несколько сотен герц, другими словами, примерно на десятую миллиардную.
Точное совпадение со Швейцарской сейсмологической службой
Эти изменения могут быть незначительными, но они рисуют чрезвычайно четкую картину вибраций, которым подвергаются оптоволоконные кабели в течение периода наблюдения. «Используя PNC оптоволоконной линии связи между Базелем и станцией атомных часов в METAS в Берне, мы смогли детально отследить каждую волну землетрясения магнитудой 3,9 в Эльзасе», — объясняет Фихтнер. «Но что еще лучше, модель землетрясения, основанная на наших данных, также чрезвычайно точно соответствовала измерениям, проведенным Швейцарской сейсмологической службой».
Это почти точное совпадение показывает, что данные PNC можно использовать для определения местоположения, глубины и магнитуды землетрясения с высокой степенью точности. «Это особенно интересно для всесторонних предупреждений о цунами или для измерения землетрясений в менее развитых регионах мира», — говорит Фихтнер.
Для Фихтнера показательна также история разработки нового метода. Идея возникла в результате дискуссии между исследователями ETH и специалистом METAS. Как только команда ETH-METAS осознала потенциал данных PNC, они быстро реализовали эту идею.
«Чтобы появилась удивительная наука, должны быть доступны средства для исследовательской деятельности, которая не преследует заранее определенную цель», — говорит Фихтнер. «ETH идеально подходит для такого рода проектов. В отличие от многих других университетов, здесь мне как исследователю доступны неограниченные средства».
