海底电缆变为“地震仪”
作者：互联网
该研究由加州理工学院助理教授詹中文，联合谷歌光纤通信专家合作完成。他们开发一种使用现有海底电缆探测地震的新方法，可初步检测到几十次地震，或将改善全球各地的地震 & 海啸预警系统。相关论文以《跨洋电缆上基于光偏振的地震和水波传感》“Optical polarization-based seismic and water wave sensing on transoceanic cables” 为题发表在 Science上。
文中阐述我们能将多数海底电缆转换成地球物理传感器，这些地球物理传感器长达数千公里，可以检测地震和可能发生的海啸。对于现有地面地震仪和海啸监测浮标网络的功能，它可起到补充作用，从而在更多场景下去检测海底地震和海啸。地球的 70% 被水覆盖着，使用海底电缆来检测地震，是科学家一直追求的办法。
目前全球的水下地震台也并不多，此前相关人员已使用激光干涉测量法和分布式声学传感方法，但这些方法普遍依赖 “暗光纤”—— 即已铺设且尚未投入使用的光缆。很明显，最理想的办法是使用海底已有设备来监测地震，这不仅无需花钱购买新设备如激光源等，也不影响光缆执行其他任务，工人布设工作量也会更轻省。另外，受温度、雷击等因素，地面光缆数据会出现偏差。而深海温度几乎恒定，海底光缆较少受到扰动，因此得出的数据更准确。与此同时，海底在遇到地震或海啸时，光缆会发生明显变化，进而产生的数据提醒，可让工作人员快速识别地震。
詹中文的地震测试时间耗时 9 个月，在 10 毫赫兹至 5 赫兹波段的频段中，居里电缆检测出约 30 场海洋风暴骤升事件、以及约 20 场中大型地震，其中就有 2020 年 1 月 28 日发生在牙买加附近的 7.7 级地震。
使用本次新方法，居里电缆好比一个传感器，既能探测地震震动、又能探测海浪，一旦产生偏振，其每秒内可测量 20 次，如果附近发生地震，几秒内就可发出警报。
在光缆沿途一千公里以内，该方法可检测到绝大多数 5 级以上地震，由于 7 级以上的地震才会对人类生命、生产生活产生较大影响，因此在可给人类带来巨大影响的地震 & 海啸预测上，新方法的能力完全够用。
具体技术原理是，在光缆的光偏振中，如果同时传播两束不同的光，由于两束光的偏振不同，因此它们互不干扰，并都能传输数据。
当发生地震时，光缆会被弯曲，这时光缆的光波方向会被改变，因此数据也会出现异常，此时在电缆另一端，工作人员就可注意到数据变动，从而发出预警提醒大家。
图 | 沿居里电缆的地震测量（来源：Science）
与此同时，测量光偏振只用于提高通信效率，并不涉及数据本身，因此不存在数据安全问题，而其他地震检测办法，则没有这样的优势。
概括来说，该方法主要有几大优势：
第一是能更快发出警报：当地震发生在离岸数十英里处时，地震波到达陆地地震仪一般耗时几十秒，预警海啸则耗时更久，这非常不利于逃生。而新方法使用光纤通信信号，不仅能实时传输数据，速度也更快，所以数据无需额外从海底传输到数据中心，同时这也是传统方法无法做到的。并且，电缆可在离地震更近的位置充当单个传感器，每秒最多可测量 20 次。这意味着，如果地震发生在特定区域附近，有望在几秒钟内发出警告。
第二是成本低：此前，全世界范围内的海啸预警，由约 60 个深海评估和海啸报告浮标组成的稀疏网络来实现，这些浮标大多沿着俯冲带分布，安装成本和维护成本较高。而新方法使用已布设的通信光缆，无需增加仪器、更无需占用通信带宽，故此成本更低。
第三是数据覆盖范围更广：海底光缆测量的是光纤全程的偏振变化，而非此前的分布式测量。这些数据不仅全面，“体积” 也不大，9 个月的数据量不到 1G，管理起来也很容易。此外，由于该技术不需要额外设备，因此不存在数据伪造、或设备被盗的风险。
第四是联动性高：当前的海啸预警系统 DART（深海海啸评估和报告，Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis），已经可以迅速预测海啸起始时间和发生地点，再结合本次方法，可让海啸预报更完善。
第五是安全性高：詹中文表示，工作人员在研究光偏振时，并不会看到所传输的信息。而且，该研究的原始数据已经公开，任何人都能下载和学习，因此并不存在数据安全问题。
尽管在本次研究中，居里光缆没有发现海啸，但它已可检测到南太平洋海浪产生的偏振变化。该团队认为，这是因为巨浪经过电缆时，所引起的海底压力变化导致了上述偏振变化。对此，詹中文说：“这意味着光缆可检测到海浪，因此有可能在未来检测到海啸波。”
图 | 图为詹中文根据谷歌数据构建的图像，其显示了 2020 年 3 月 25 日 至 4 月 13 日的相关海浪，X 轴是 0 到 0.16Hz 的频率，Y 轴是时间，黄色的斜拉丝线是海浪（来源：谷歌）
在光纤的布设上，詹中文告诉 DeepTech，谷歌有专门的通信部门负责。未来，他将和谷歌做全球光纤合作，届时可预警所有地震。此外，海啸通常由地震引起，海啸发生时，将来居里光缆也有望发出预警，从而让岸边行人及时撤离。
图 | 海洋膨胀过程中的极化检测（来源：Science）
事实上，谷歌这类互联网企业做地震预测并不意外，在过去十年，谷歌已投资十条以上的光纤。
这类大厂每年产生的数据量呈爆炸性增长，并且他们在全球各地都有数据中心，以至于需要自己亲自做通信，为的是方便连接全球各地的数据中心。
目前，詹中文正和谷歌开发一种机器学习算法，该算法可检测出偏振变化的来源。据了解，地震、海啸以及轮船移动，都可引起光缆的偏振变化，因此只有更精准地判断变化来源，才能实现更到位的预警。
上述这项研究非常有意思，具体技术原理是，在光缆的光偏振中，如果同时传播两束不同的光，由于两束光的偏振不同，因此它们互不干扰，并都能传输数据。 这一点对当前我的智能感知领域研究有了许多器发。
标签：偏振,检测,地震仪,海底,光缆,地震,电缆,海啸 来源： https://blog.csdn.net/guolinlin11/article/details/114741071