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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。

 

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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。”

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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。

 

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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