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巨型“地震感測器”從哪來?斯坦福教授:光纖網路就可以!

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光纖不僅僅能傳輸資料, 實際上還能探測周邊發生的事件, 包括地震最初期的轟隆聲。

過去一年, 斯坦福大學的地球物理學教授 Biondo Biondi 利用一條安裝在校園裡長達 4.8 千米(3 英里)的試驗環路來記錄地震引起的振動, 並將這些振動和諸如汽車駛過造成的其他來源的振動區分開來。

從 2016 年 9 月起, 他的團隊利用這個光纖地震觀測站一共記錄了 800 次地震事件, 其中包括來自近期墨西哥地震的信號和附近地區採石場爆破造成的振動。 而光纖能夠區分兩種類型的地震波, P 波和 S 波。 這一點對於地震預警系統非常重要, 因為 P 波傳播得更快, 而 S 波破壞力更強。

利用光纖監測地震事件並非什麼新技術, 這本來就是油氣公司的標準作業程式。 不過, 原本的技術涉及到先要固定住光纖,

比如將其固著在輸油管道之類的某個表面上, 或者用水泥將其包裹。 Biondi 卻類比了光學通信的標準安裝方式, 使用的是放置在塑膠管子裡、未經固定的光纖。

“人們可不認為這麼做能行”, 這一專案的研究生 Eileen Martin 在一份事先準備好的聲明中說, “他們總是認為未固定的光纖會產生太多的信號雜訊。 ”

不論是否經過固定, 光纖地震監測系統都利用了光纖內固有的雜質充當虛擬感測器, 安裝在光纖一端的“應答器”, 向光纖內部發射雷射脈衝, 同時監測反射回來的光線——反向散射。 當地震引起地面運動時, 光纖會產生伸長和縮短, 於是反向散射的時間會發生變化。

Biondi 稱, 一個“應答器”就可以用於大約 40 千米長的光纖,

每隔幾米監測一個虛擬感測器。 而這類系統的解析度正在穩步提升。 他說他的項目已經證明“數以百萬甚至億萬的感測器組成的網路已經存在於電信線路中”, 我們只需要接入其中就行。

Biondi 的主要研究興趣是將油氣開採公司收集到的地震資料轉化成地質構造圖像。 他在大約五年前開始思考有關光纖的問題, 那時他家被接入到 Google Fiber 專案的早期試驗當中。

當 Biondi 發現他研究組裡之前的某個學生正供職于一家硬體公司, 而該公司為監測光纖電纜內的反向散射製造硬體, 這個專案的第三塊拼圖也就位了。 於是 2015 年夏天, 他啟動了被他稱為“十億感測器地震觀測站”的專案。

圖 | 斯坦福光纖地震觀測站探測到的 2017 年 9 月墨西哥大地震

Biondi 指出, 利用基於光纖的虛擬感測器, “總是會比地震學家使用的標準感測器品質差。 但那些感測器十分昂貴, 因此地震探測網路只能負擔得起每隔 20 千米一個的密度, 即使在灣區也是如此。 有了光纖就可以將密度提升到幾米一個感測器。 因此大量的光纖傳感器會比單一的地震感測器更敏感;或許能記錄下普通感測器無法識別的微小地震。

Biondi 的團隊計畫從 2018 年開始在更大範圍內安裝另一個測試陣列。 他希望這能使他的團隊可以識別出傳統探測網路忽略的地震。 “那將會是令學術界和政府為之矚目的一大步。 ”

Biondi 指出, 這一地震監測方法的偉大之處, 也是其最大的挑戰在於, “它可以使用已經存在的通信線路, 但是說服電信業界使其能夠被利用是個問題。 ”

詳細的專案情況將會發表於 12 月期的地球物理學期刊 The Leading Edge, 信號處理方法的相關細節將發佈于明年 1 月的 IEEE Signal Processing Magazine。

來源於斯坦福試驗環路的資料還將單獨用於“Stamen Design and the Victoria and Albert Museum”視覺化項目的一部分。

“這世界的數字基礎設施本身就是一個巨大的傳感設備, 這種附帶設施的想法太令人著迷了”,他說。

這種附帶設施的想法太令人著迷了”,他說。

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