Empfindliche seismische Sensoren basierend auf Mikrowellenfrequenz-Faserinterferometrie in kommerziell genutzten Kabeln

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14000 (2022) Diesen Artikel zitieren

2612 Zugriffe

4 Zitate

7 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Der Einsatz von Glasfaserinfrastrukturen für die Umweltsensorik stößt weltweit auf Interesse, da Glasfasern sich zu kostengünstigen und leicht zugänglichen Plattformen entwickeln, die einen großen terrestrischen Einsatz ermöglichen. Darüber hinaus bieten Glasfasernetze den einzigartigen Vorteil, Beobachtungen von Unterwassergebieten zu ermöglichen, in denen die spärliche Existenz permanenter seismischer Instrumente aufgrund von Kosten und Schwierigkeiten bei der Bereitstellung die Verfügbarkeit hochauflösender Unterwasserinformationen über Naturgefahren sowohl zeitlich als auch räumlich einschränkt. Der Einsatz optischer Techniken, die die bereits vorhandene Glasfaserinfrastruktur nutzen, kann effizient eine Abdeckung mit höherer Auflösung ermöglichen und den Weg für die Identifizierung der detaillierten Struktur der Erde ebnen, insbesondere bei seismischen Unterwasserverwerfungen. Die vorherrschende optische Technik zur Erdbebenerkennung und Strukturanalyse ist die Distributed Acoustic Sensing (DAS), die eine hohe räumliche Auflösung und Empfindlichkeit bietet, jedoch eine begrenzte Reichweite hat (< 100 km). In dieser Arbeit stellen wir eine neuartige Technik vor, die auf der Ausbreitung einer stabilen Mikrowellenfrequenz entlang optischer Fasern in einer geschlossenen Schleifenkonfiguration beruht und so ein verformungsempfindliches Interferometer bildet. Wir nennen die vorgeschlagene Technik Mikrowellenfrequenz-Faserinterferometer (MFFI) und demonstrieren ihre Empfindlichkeit gegenüber Verformungen, die durch mittelschwere bis große Erdbeben aus lokalen oder regionalen Epizentren hervorgerufen werden. MFFI-Signale werden mit Signalen verglichen, die von Beschleunigungsmessern des Nationalen Observatoriums von Athen, des Institute of Geodynamics National Seismic Network und von einem kommerziell erhältlichen DAS-Interrogator aufgezeichnet wurden, der parallel am selben Standort arbeitet. Es wird eine bemerkenswerte Übereinstimmung im dynamischen Verhalten und bei der Schätzung der Dehnungsrate erreicht und demonstriert. Somit erweist sich MFFI als eine neuartige Technik auf dem Gebiet der Faserseismometer, die entscheidende Vorteile hinsichtlich Implementierungskosten, maximaler Reichweite und Einfachheit bietet.

Eine detaillierte Abbildung der Erdstruktur, einschließlich aktiver Bruchzonen, ist für die Abschätzung von Naturgefahren von größter Bedeutung1,2,3. Obwohl bei der Untersuchung der seismischen Eigenschaften und der Gefährdung von Störungszonen in terrestrischen Gebieten erhebliche Fortschritte erzielt wurden4,5, bleibt die Struktur seismogener Unterwasserstörungen oft nur unzureichend eingegrenzt. Darüber hinaus stellen Erdrutsche und Trübungsströmungen erhebliche Georisiken für die Meeresinfrastruktur dar6,7. Diese geografischen Interessengebiete sind nicht leicht zugänglich und liegen oft Hunderte von Kilometern von der Küste entfernt. Derzeit ist die einzige praktikable Lösung für die Erfassung seismischer Daten die Verwendung von Meeresbodenseismometern, was jedoch Hindernisse bei der Positionierung und beim Abruf mit sich bringt8.

Im letzten Jahrzehnt gab es viele Studien, die zeigten, dass Glasfaserkabel in terrestrischen und vor allem in Unterwasserinstallationen als verteilte Seismometer mit hoher Genauigkeit arbeiten können, die die Möglichkeit der Telemetrie und des kontinuierlichen Betriebs bieten. Obwohl optische Fasern seit den frühen 1980er Jahren zunehmend installiert wurden, um Breitbandkommunikation rund um den Globus zu ermöglichen9,10, verwandelt die Empfindlichkeit optischer Fasern gegenüber mechanischen Vibrationen sie überraschenderweise in eine potenzielle globale Plattform für die Erkennung und Überwachung einer Vielzahl von geophysikalische und umweltbedingte Auswirkungen. Der weltweite Einsatz solcher Sensoren ermöglicht bedeutende Anwendungen in Frühwarnsystemen und könnte auch eine große Datenmenge für die offene Wissenschaft in geophysikalischen Studien und Studien zum Klimawandel liefern. Allerdings erfordert der Masseneinsatz auch eine sowohl empfindliche als auch kostengünstige optische Messmethode. Die vorherrschende Sensortechnik zur Erkennung seismischer Ereignisse und anderer Umweltstörungen ist die Distributed Acoustic Sensing (DAS)11,12,13,14,15. DAS basiert auf der Rayleigh-Rückstreuung (RBS) von Licht und kann Schwingungen entlang der Faser im Amplituden-, Frequenz- und Phasenbereich erkennen und messen16,17,18. Im Handel erhältliche DAS-Interrogatoren, die auf Phasendemodulation basieren, können eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von 1 m und eine Entfernungsabdeckung von bis zu etwa 100 km bei maximaler und minimaler nachweisbarer Dehnung von wenigen Nanostrain und weniger bieten19,20. DAS-Systeme wurden erfolgreich bei der Erdbebenerkennung und der detaillierten Charakterisierung der Struktur von Unterwasserverwerfungen eingesetzt21,22,23 und beweisen damit, dass optische Fasern eine verbesserte Sicht an Orten bieten können, an denen der Zugang für Menschen und die Installation spezieller Instrumente schwierig ist. Trotz seiner hervorragenden Vorzüge in Bezug auf räumliche Auflösung und Empfindlichkeit bei der Dehnungsmessung weist DAS aufgrund seiner intrinsischen Abhängigkeit von RBS grundlegende Einschränkungen auf. Der Hauptnachteil von DAS besteht insbesondere darin, dass es sehr empfindlich auf Reflexionen reagiert, die durch nicht ideale Verbindungen zwischen verschiedenen Glasfasersegmenten in installierten Installationen verursacht werden, und aufgrund des niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses im Allgemeinen nicht über Entfernungen von etwa 50–100 km hinaus funktionieren kann rückgestreutes Signal20. Diese Einschränkung macht DAS ziemlich unvereinbar mit Studien, die darauf abzielen, lange transozeanische Kabel für Tiefseeerkundungen zu nutzen. Um die DAS-Reichweite durch den Einsatz von verteilter Verstärkung, starken Lasern und Codierung24 zu erhöhen, sollte es außerdem vorzugsweise in dunklen Fasern22 eingesetzt werden, was bedeutet, dass sich keine anderen Kommunikationskanäle in der abgefragten Faser mitausbreiten dürfen, was nicht konform ist mit den Plänen der Telekommunikationsbetreiber für eine 100-prozentige Nutzung der installierten Glasfasern. Schließlich sind DAS-Tools als kommerzielle Produkte ziemlich teuer (in der Größenordnung von 100.000 $), was ihren massiven Einsatz in mehreren Glasfaserverbindungen gleichzeitig kostenintensiv macht25.

Im Jahr 2018 haben Marra et al. schlugen den Einsatz der Laserinterferometrie als innovative Technik zur Erkennung von Erdbeben in optischen Fasern vor26. Ihre Arbeit bewies, dass die ultrastabile laserbasierte Interferometrie in der Lage ist, entfernte Erdbeben (25–18.000 km epizentrische Entfernung in Bezug auf die abgefragte Glasfaserverbindung) in langen Glasfaserverbindungen (75–500 km) zu erkennen. Diese Technik ist mit Wellenlängenmultiplex kompatibel, bietet eine bemerkenswerte Empfindlichkeitsleistung bei optischer Wellenlängenauflösung und kann große räumliche Reichweiten (> 100 km) unterstützen. Seine Hauptschwäche besteht darin, dass es Sub-Hz-Laser mit geringer Linienbreite erfordert, die teuer sind (in Bezug auf die Kosten in der gleichen Größenordnung wie DAS-Systeme), komplexe Geräte und aufgrund ihrer Empfindlichkeit im Niederfrequenzbereich ziemlich laut sind das 1/f2-Rauschen, das dem zufälligen Phasengang des Lasers zugeschrieben wird27,28. Diese Technik könnte sich in der Tat als starke Alternative zu DAS erweisen, vorausgesetzt, dass photonisch integrierte Laserquellen mit extrem geringer Linienbreite in naher Zukunft zu einem ausgereiften Gegenstück zu Massenlösungen werden29. Erst kürzlich haben Zhan et al. haben die Möglichkeit aufgezeigt, Faserverformungen aufgrund äußerer Kräfte zu verfolgen, indem einfach Polarisationsschwankungen in kommerziell eingesetzten transozeanischen Verbindungen unter Verwendung der bereits installierten digitalen kohärenten Transceiver30 überwacht werden. Die theoretische Grundlage dieser Methode wird von Mecozzi et al.31 vorgestellt und zeigt deutlich die Abhängigkeit von Polarisationsschwankungen vom Quadrat der lokalen Spannung. Bei dieser Polarisationserkennung handelt es sich um eine sehr elegante Technik, die direkt von den aktiven Transceivern optischer Fernkommunikationssysteme unterstützt wird. Es ist jedoch weniger empfindlich als Techniken, die auf Phasendetektion26 basieren, und die Überwachung des Polarisationszustands ist in terrestrischen, „verrauschten“ Fasern aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Polarisation in Bezug auf Temperatur und mechanische Schwankungen, die hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten verursacht werden, nahezu unmöglich30.

In dieser Arbeit stellen wir detailliert eine neue Sensortechnik vor, die die Erkennung geophysikalischer Effekte mithilfe optischer Übertragung über große Entfernungen ermöglicht32. Es beruht auf der Verbreitung mikrowellenfrequenzmodulierender optischer Träger entlang einer Glasfaserverbindung in einer geschlossenen Regelkreiskonfiguration, wie in Abb. 1 dargestellt, die wir als Mikrowellenfrequenz-Faserinterferometer (MFFI) bezeichnen. Beim Empfang kehrt das Signal über die geschlossene Schleife zum Sendeende zurück und wird nach der Fotodetektion mit dem übertragenen Mikrowellenfrequenzsignal gemischt, um Phasenabweichungen zu extrahieren, die Faserverformungen und Temperaturschwankungen entsprechen (Abb. 1). Mikrowellenphotoniktechniken wurden in Sensoranwendungen eingesetzt, um beispielsweise Temperaturschwankungen33, Dehnung34 und Verschiebung35 zu messen. Hier wird erstmals eine Mikrowellentechnik als Basisplattform für die faseroptische Seismologie vorgeschlagen, die in einem installierten terrestrischen Glasfasernetzwerk evaluiert wird. Die MFFI-Technik ist von den anspruchsvollen Experimenten zur Übertragung ultrastabiler Mikrowellenfrequenzstandards über „verrauschte“ Glasfaserverbindungen inspiriert36,37. Damals bestand die Aufgabe darin, das Phasenrauschen zu kompensieren, das auf Temperaturschwankungen und mechanische Vibrationen zurückzuführen ist, die das Übertragungsmedium beeinflussen, und die Stabilität der verbreiteten Referenz zu verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Technik vorzuschlagen, die dieses Phasenrauschen effektiv aufzeichnet und sein dynamisches Verhalten nahtlos analysiert. Die Verwendung einer stabilen Mikrowellenfrequenz anstelle einer optischen Frequenz26 verringert die räumliche Genauigkeit (in der Größenordnung von μm anstelle von nm35), allerdings ist dieser Prozess weitaus stabiler – das System ist beispielsweise immun gegen Polarisationseffekte – und mit schnellem Verfahren einfacher zu steuern Erfassungsgeschwindigkeit und niedrige Kosten. Darüber hinaus ist für die spezifische Anwendung, bei der ein langes Interferometer in der Größenordnung von Tausenden von Kilometern eingesetzt wird, die spektrale Reinheit der Quelle sehr wichtig. Mikrowellenoszillatoren mit hoher spektraler Reinheit (Frequenzstabilität im Sub-Hz-Bereich) sind um Größenordnungen günstiger als ihre Laser-Gegenstücke, wodurch die Gesamtkosten des Sensormechanismus erheblich gesenkt werden (< 5 k$) und dessen massiver Einsatz ermöglicht wird. Die Technik ermöglicht die gemeinsame Ausbreitung des modulierten optischen Signals mit anderen Kommunikationswellenlängen in einem Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystem (WDM) und weist eine hohe Toleranz gegenüber Verlusten und Dispersionseffekten auf, da sie auf der Übertragung und Erkennung einer Mikrowellenfrequenz beruht. Selbst bei Hunderten von Kilometern Übertragung kann am Empfangsende für den Phasenvergleich ein Signal mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden. In dieser Arbeit evaluieren wir diese Technik unter Verwendung handelsüblicher, kostengünstiger Komponenten in einer terrestrischen, unterirdischen, 25 km langen Verbindung (50 km in der Closed-Loop-Konfiguration), die von der Hellenic Telecommunications Organization SA (OTE) bereitgestellt wird in der Gegend von Marousi, in den Räumlichkeiten der OTE-Akademie in Attika, Griechenland. Das System ist seit Juli 2021 nahezu störungsfrei in Betrieb und hat mehrere lokale und regionale Erdbeben erfolgreich mit ausreichender Empfindlichkeit aufgezeichnet, die erheblich verbessert werden kann, wenn kritische Komponenten des Gesamtsystems in einer nächsten Generation des vorliegenden Prototyps optimiert werden. Es ist auch wichtig festzustellen, dass sich die Technik bei der Erkennung von Erdbeben in einer ziemlich verrauschten terrestrischen Faser, die sich über dicht besiedelte Gebiete in der Nähe des Stadtzentrums von Athen erstreckt, als effizient erwiesen hat. Es wird erwartet, dass seine Wirksamkeit in U-Boot-Umgebungen sogar noch höher ist. Die Zeitreihen von MFFI werden im Vergleich zu den Signalen analysiert, die von einer Beschleunigungsmessstation des Nationalen Observatoriums von Athen, Institut für Geodynamik (NOA), erhalten wurden, die an einem nahegelegenen Standort betrieben wird, und einer DAS-Einheit, die von Silixa Ltd. hergestellt wurde und dieselbe Faser nutzte Experimente, die von Ende September bis Mitte Oktober 2021 in Marousi stattfanden. Beide Vergleiche zeigen, dass MFFI stark korrelierte Zeitspuren mit denen liefert, die vom Beschleunigungsmesser und DAS bei bedeutenden ausgewählten Erdbebenereignissen aus lokalen und regionalen Entfernungen (> 400 km epizentrale Entfernung) erfasst wurden ). Darüber hinaus bestätigte der Vergleich zwischen MFFI und DAS, dass MFFI die durchschnittliche Belastung der Glasfaser wie theoretisch erwartet schätzt.

Der experimentelle Aufbau/konzeptionelle Plan von MFFI: Der experimentelle Prüfstand wurde an der OTE Academy installiert. Der Sender besteht aus einem Distributed-Feedback-Laser (DFB), gefolgt von einem Polarisationsregler und einem Mach-Zehnder-Modulator mit einer Bandbreite von 10 GHz, der von einem 10-GHz-Ton angetrieben wird. Zur Steigerung der Sendeleistung kommt ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) zum Einsatz. Licht breitet sich von der OTE Academy aus und folgt dem Weg nach Marousi–Kifisia–Nea Kifisia–Ekali–Afidnes und umgekehrt (geschlossener Regelkreis) und gelangt nach etwa 50 km Übertragung in den EDFA des Empfängers an der OTE Academy, was zu Verlusten von 25 dB aufgrund ineffizienter Verbindungen führt entlang der Strecke, die eingefügt wurden, um eine längere Strecke (125 km) zu emulieren. Das empfangene Signal wird nach optischer Verstärkung und ordnungsgemäßer optischer Filterung unter Verwendung eines optischen Bandpassfilters (OBPF) zur Reduzierung des Verstärkerrauschens fotodetektiert und mit dem Sendersignal gemischt, um das Phasenrauschen zu extrahieren, das auf die optische Übertragung zurückzuführen ist. Das Basisbandsignal des Phasenrauschens wird mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und von einem Computer verarbeitet (siehe Methoden). Faserverformungen aufgrund seismischer Ereignisse prägen sich in das Phasenrauschen ein. Die Karte wurde mit der offenen Software QGIS Version 3.16LTR (https://www.qgis.org/en/site/index.html) erstellt.

MFFI-Architektur Das konzeptionelle Schema von MFFI ist in Abb. 1 dargestellt. Der Laser ist ein typischer 1550-nm- oder 1310-nm-Diodenlaser. 1550 nm werden aufgrund geringerer Verluste und effizienter optischer Verstärkungstechniken, die eine Vergrößerung der Reichweite ermöglichen, bevorzugt. Der Laser wird wie in Abb. 1 mit einem Mikrowellensignal hoher Frequenz (≥ 10 GHz) extern moduliert. Je höher die Frequenz, desto besser ist die gezeigte Phasenauflösung. Mit zunehmender Frequenz steigen jedoch proportional die Anforderungen an hochwertige Elektronik. Die dem optischen Träger überlagerte Mikrowellenfrequenz wandert entlang der Faser und kehrt über eine zweite Faser desselben Kabels zur Senderseite zurück – daher ist am Ende des Pfades eine Loopback-Verbindung erforderlich. Dementsprechend kann das Signal entlang der optischen Route mithilfe der bereits installierten Erbium-dotierten Faserverstärker für WDM-Verbindungen verstärkt werden. Das Signal wird von einer schnellen Fotodiode erfasst und dann mithilfe eines Mikrowellenmischers mit dem lokal erzeugten Träger verglichen. Dieser interferometrische Vergleich liefert die Phasendifferenz zwischen den beiden HF-Tönen, die proportional zur akkumulierten Ausbreitungsverzögerung entlang der Verbindung ist. Äußere Störungen auf der Faser verursachen die Modulation der Ausbreitungsverzögerung als kombinierte Folge von Variationen sowohl des Brechungsindex als auch der Faserlänge. Diese Änderungen prägen sich in den Phasenmessungen unseres Systems ein. Die Phasendifferenz zwischen dem erkannten Hin- und Rücklauf und dem gesendeten Mikrowellensignal ist gegeben durch $\varphi =\frac{2\pi {f}_{RF}{n}_{g}L}{c}$, wobei fRF ist die Mikrowellenfrequenz des Oszillators, ng der Brechungsindex der Faser, L die Hin- und Rückweglänge der Faser und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (siehe Zusatzinformationen). Die Phase φ ist stationär, solange entlang der Faser keine mechanische Störung oder thermische Variation auftritt. Phasenmessungen können leicht in die Dehnung $\varepsilon =\frac{d\varphi }{\varphi }$ umgewandelt werden, wobei dφ die akkumulierte Variation der stationären Ausbreitungsphase φ der Faser als Ergebnis einer mechanischen Verformung ist Dehnungsrate ($\frac{d\varepsilon }{dt}$) zum Vergleich hinsichtlich der spektro-zeitlichen Eigenschaften mit welchen Seismometern (proportional zu $\frac{d\varepsilon }{dt}$) oder Beschleunigungsmessern (proportional zu ${d}^{2}\varepsilon /d{t}^{2}$) Maß. Der Einfluss von Temperaturschwankungen in dφ wird durch die Nachbearbeitung des Signals eliminiert (siehe Zusatzinformationen). Aus der obigen Analyse können wir leicht ableiten, dass die durchschnittliche Dehnung einfach wie folgt berechnet werden kann:

Der Parameter ξ ist der Dehnungskoeffizient der optischen Faser aufgrund des photoelastischen Effekts38 und beträgt ungefähr 0,78.

Im Versuchsaufbau von Abb. 1 ist der Empfänger der entscheidende Teil, der im Abschnitt „Methoden“ explizit beschrieben wird. Es ist zu beachten, dass zwei Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) am Sender als Booster und am Empfänger als Vorverstärker verwendet wurden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Sowohl Sender als auch Empfänger befinden sich in der OTE-Akademie und die optische Verbindung verläuft über Marousi–Kifisia–Nea Kifisia–Ekali–Afidnes und umgekehrt (geschlossener Regelkreis) und bildet eine 50 km lange Verbindung mit Gesamtverlusten von nahezu 25 dB aufgrund ineffizienter Verbindungen an Zwischenpunkten wurden bewusst eingeführt, um eine fast 125 km lange Verbindung nachzuahmen.

Der installierte MFFI wurde durch seinen Vergleich mit herkömmlichen Beschleunigungsmessern als Beschleunigungsmesser bewertet. Wir verwendeten Dreikomponenten-Wellenformdaten, die am ATHP (Athen – Neo Psichiko) aufgezeichnet wurden, der nächstgelegenen Beschleunigungsmessstation für optische Verbindungen des Nationalen Beschleunigungsnetzwerks des Instituts für Geodynamik des Nationalen Observatoriums von Athen. Wir haben Aufzeichnungen ausgewählter Erdbeben gesammelt, die während der Testphase des Systems (von Juli 2021 bis Februar 2022) stattfanden. Die epizentralen Standorte (Kreta, Marousi, Ikaria, Kefalonia, Florina, Chalkidiki) verschiedener ausgewählter seismischer Ereignisse zur Analyse sind auf der Karte von Abb. 2 (linke Seite) dargestellt, während wir im Einschub derselben Abbildung die sehen können Standorte von MFFI und ATHP. Der Vergleich zwischen MFFI- und ATHP-Daten für alle verschiedenen Epizentren (schwarz gefüllte Sterne in Abb. 2) ist in den Zusatzinformationen enthalten. Abbildung 2 rechts vergleicht die Zeitreihe der Dreikomponenten-Bodenbeschleunigung an der ATHP-Station (HN bezeichnet die hohe Abtastrate, 200 Abtastungen/Sek. für einen Dreikomponenten-Beschleunigungsmessersensor, mit Z der vertikalen Komponente und E, N dem E– W- bzw. N-S-Horizontalkomponenten) gegen die erste Ableitung der von MFFI gemessenen Dehnungsrate für das Erdbeben auf Kreta vom 12. Oktober 2021, ML = 6,3. Die theoretischen Ankunftszeiten von Pn/Sn und Pg/Sg basierend auf dem ak135-Geschwindigkeitsmodell sind zur Referenz in Blau dargestellt39. Das ak135-Modell ist ein eindimensionales, isotropes Radialgeschwindigkeitsmodell, das aus empirischen Laufzeiten abgeleitet wurde, mit dem Ziel, ein breites Spektrum seismischer Phasen abzudecken, wie z. B. direkte Phasen, gebeugte Phasen, Kernreflexionen, Oberflächenreflexionen und Kernphasen. Dadurch ist es sehr effektiv und wird häufig für globale Veranstaltungsort- und Phasenzuordnungen verwendet. Es ist zu beachten, dass angesichts der geringen Tiefe des Erdbebens auf Kreta mit Mw = 6,3 (7,6 km) die Pn/Sn-seismischen Phasen die Phasen der Primärwelle (P) bzw. der Sekundärwelle (S) darstellen, die auf dem obersten Erdmantel auftreffen. während Pg/Sg P- und S-Wellen sind, die auf der oberen Kruste auftreffen40. Die Daten werden von 0,1 Hz bis 1,0 Hz bandpassgefiltert und die MFFI-Zeitreihen werden in der Amplitude normalisiert, um die Ableitung der Dehnungsrate in die Beschleunigung umzuwandeln. Obwohl eine genaue Umrechnung der Dehnung in die Bodenbewegung möglich ist, wenn die scheinbare Phasengeschwindigkeit der Welle bekannt ist41, wenden wir in dieser Arbeit der Einfachheit halber einen Skalierungsfaktor an, der beide Datenquellen in Bezug auf ihre mittlere Leistung normalisiert. Es wird eine Übereinstimmung zwischen starken Bewegungsdaten und MFFI-P- und -S-Einsätzen beobachtet, insbesondere bei den horizontalen Komponenten. Bemerkenswerterweise scheinen die beiden Signale in Phase zu sein und die P/S-Phasenidentifikationskriterien (Unterschied in Amplitude und Frequenz in den beiden horizontalen Komponenten) scheinen auch für das MFFI-Signal zu gelten, was das Potenzial von MFFI als neues Werkzeug verdeutlicht für die Erfassung/Erkennung der Ankunftszeit von Körperwellen, die in Frühwarnsysteme eingebettet werden könnten.

MFFI-Vergleich mit ATHP-Beschleunigungsmesser. (Links) Eine Karte von Griechenland, die in einem roten Feld den Standort des MFFI-Systems und der ATHP-Beschleunigungsstation (der Einschub vergrößert den im rechteckigen Rahmen enthaltenen Bereich) sowie die Epizentren mit schwarzen Sternen der Erdbeben zeigt, die für die Analyse in der vorliegenden Studie ausgewählt wurden. (Rechts) Vergleich der von MFFI und ATHP gesammelten Zeitreihen zum Erdbeben östlich der Insel Kreta (12. Oktober 2021, 09:24:03 UTC, Kreta (ML = 6,3)). Die theoretischen Ankunftszeiten von Pg/Sg und Pn/Sn sind als Referenz mit blauen gepunkteten Linien markiert. Die Karte links wurde mit der offenen Software GMT Version 5.4 (https://www.generic-mapping-tools.org/) erstellt.

In Abb. 3 sind die ungefilterten Spektrogramme für dasselbe Ereignis dargestellt (Leistungsdichte in dB/Hz). Spektrogramme vergleichen die HNE-Komponente der Bodenbeschleunigungsaufzeichnungen an der ATHP-Station mit der Ableitung der Dehnungsraten-Zeitreihen, die von MFFI für das Erdbeben auf Kreta vom 12. Oktober 2021, ML = 6,3, erfasst wurden. Ein erheblicher Anstieg der beobachteten Energie von 0,1 Hz auf 3 Hz fällt mit den Ankunftszeiten der P- und S-Wellen zusammen, die durch das Erdbeben auf Kreta angeregt wurden. Bemerkenswert ist, dass die erste Ankunft der P-Welle an der ATHP-Station um 09:25:02 UTC beobachtet wird, während die erste Ankunft der S-Welle etwa 50 s später beobachtet wird. Dies ist in Abb. 3 ersichtlich, wo die horizontalen HNE-Komponenten erst nach etwa 09:26:00 UTC Spitzenenergieniveaus unter 0,5 Hz aufweisen. Nach 09:27:00 UTC haben sich die Ankünfte hochfrequenter Körperwellen erheblich abgeschwächt, während Oberflächenwellen mit längeren Perioden (10–20 s) die Seismogramme dominieren. Ähnliche Eigenschaften werden im Spektrogramm beobachtet, das auf der Grundlage von MFFI-Zeitreihen erstellt wurde, allerdings ist das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich niedriger als das der starken Bewegungsdaten. Der sehr hohe Pegel des Frequenzrauschens über 5 Hz über den gesamten Zeitbereich ist darauf zurückzuführen, dass wir uns entschieden haben, die Wirksamkeit des Systems ausschließlich auf der Grundlage kostengünstiger Komponenten zu demonstrieren, und auf das erhöhte Rauschen, das terrestrische Verbindungen aufgrund menschlicher Aktivitäten charakterisiert. Dieses Rauschen wird bei höheren Frequenzen (> 5 Hz) als Effekt der Differenzierung zweiter Ordnung verstärkt. Techniken zur weiteren Optimierung des Systems werden in Methoden beschrieben.

Spektrogramme: Das durch MFFI-Zeitreihen (erste Ableitung der Dehnungsrate) erzeugte Spektrogramm wird mit dem Spektrogramm der ΗΝΕ-Komponenten von ATHP-Beschleunigungsaufzeichnungen verglichen. Trotz der hohen rauschbeeinträchtigenden MFFI-Spektralkomponenten über 5 Hz, die auf die eingesetzten kostengünstigen Lösungen zurückzuführen sind, und dem hohen Rauschen, das die terrestrische Verbindung beeinträchtigt, lässt sich eine ähnliche Dynamik ableiten.

Von Ende September bis Mitte Oktober 2021 hatten wir die Gelegenheit, MFFI mit einem kommerziell erhältlichen iDAS-Interrogator der Silixa Ltd. zu vergleichen. Die beiden Systeme waren drei Wochen lang gleichzeitig auf derselben Glasfaserstrecke in Betrieb. Für dieses Experiment verwendeten wir eine räumliche Auflösung von 2 m, eine Messlänge von 10 m und eine Aufzeichnungsrate von 400 Hz im DAS. Für diese Parameter betrug die maximale Reichweite von iDAS für die spezifische Verbindung, die durch übermäßige Verluste gekennzeichnet war, nahezu 25 km. Wir haben den Vergleich zwischen DAS und MFFI anhand der Daten des Erdbebens auf Kreta (12. Oktober 2021, ML = 6,3 Erdbeben auf Kreta) durchgeführt. In Abb. 4a sehen wir von DAS erstellte Daten, die die Dehnungsrate als Funktion von Zeit und Ort in der Faser mit einer räumlichen Auflösung von 2 m darstellen. Die Auswirkung des Erdbebens auf die Entwicklung der Dehnungsrate ist offensichtlich. Es ist wichtig zu beachten, dass die Dehnungsrate entlang der Verbindung nicht gleichmäßig aufgezeichnet wird. Im Gegenteil, es gibt bestimmte Teile der Faser, die eine stärkere Dehnungsrate aufweisen als andere. Um die beiden Systeme zu vergleichen, haben wir die durchschnittliche Dehnungsrate aller von DAS erfassten lokalen Sensoren (Kanäle) mit einem räumlichen Abstand von 2 m berechnet (siehe Abb. 4a) (siehe Methoden). Da sowohl die räumliche Auflösung als auch die Messlänge kürzer sind als die Wellenlänge der seismischen Welle, können wir ihre Auswirkungen ignorieren und das Integral entlang der Faser durch eine einfache Summe annähern. Die MFFI-Dehnungsrate und die durchschnittliche DAS-Dehnungsrate sind in Abb. 4b nach Filterung der Signale von 0,1 bis 1,5 Hz dargestellt. Es wird deutlich, dass die MFFI-Messung mit der durchschnittlichen Belastung der Glasfaserverbindung übereinstimmt, wie gemäß Gl. (1). Die beiden Signale haben leicht unterschiedliche Amplituden, da das MFFI-Signal anfälliger für Rauschen ist, das hauptsächlich mit der Leistung des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zusammenhängt (siehe Zusatzinformationen). Daher liefert die MFFI-Technik räumlich gemittelte Dehnungsratenmessungen, die auch von einem hoch ausgereiften, kommerziell erhältlichen DAS-System bereitgestellt werden.

MFFI-Vergleich mit DAS-Interrogator. (a) DAS-Aufzeichnungen, die dem Erdbeben entsprechen, das östlich der Insel Kreta stattfand [12. Oktober 2021, 09:24:03 UTC, Kreta (ML = 6,3)], (b) MFFI-Dehnungsrate im Vergleich zur durchschnittlichen DAS-Dehnung über die räumliche Dimension . Die Übereinstimmung bei der Schätzung der Dehnungsrate zwischen den beiden Systemen ist offensichtlich.

MFFI wurde erfolgreich unter realen Bedingungen getestet und hat sich als fähig erwiesen, ein breites Spektrum an seismischen Ereignissen mit Epizentrumsabständen zwischen einigen Kilometern (Marousi ML = 2,8) und einigen Hundert Kilometern (Kreta ML = 6,3) zu erkennen. Die umfassenden Tests von MFFI in einem kommerziell genutzten Netzwerk in einem dicht besiedelten Gebiet von Athen ergaben realistische Leistungsgrenzen. Die Empfindlichkeit des Systems hängt vom optischen Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) des empfangenen Signals (OSNR = 43 dB in unserem Aufbau), der HF-Frequenz, der Stabilität des Senders, der Auflösung des ADC sowie von der Elektronik ab Rauschen auf der Empfängerseite. Es hängt auch vom Verbindungslärm ab, der eine Überlagerung von Temperaturschwankungen und akustischem Lärm ist, der durch menschliche Aktivitäten (Autoverkehr, Bauarbeiten, U-Bahn usw.) verursacht wird. Trotz der Tatsache, dass die terrestrische Verbindung in der Nähe von Autobahnen und in dicht besiedelten Gebieten mit einer Tiefe von 40 cm bis 2,5 m von der Oberfläche verlegt wird, hat sich das MFFI als sehr robust und selektiv bei der Identifizierung seismischer Ereignisse erwiesen, die durch Verbindungsrauschen verunreinigt sind (siehe ergänzende Informationen zum Link-Rauschen). Es wird erwartet, dass seine Wirksamkeit in lärmfreien U-Boot-Umgebungen um Größenordnungen größer ist, wie für gleichwertige Techniken nachgewiesen wurde26. In der vorliegenden Implementierung, die kostengünstige, handelsübliche elektronische Komponenten verwendet, wird die Empfindlichkeit hauptsächlich durch ADC-Quantisierungsrauschen begrenzt und wird auf 0,62 mrad geschätzt. Die Gesamtkosten eines steckbaren optoelektronischen Geräts, das als MFFI in einer separaten Wellenlänge in einem Fernübertragungssystem arbeitet und somit alle Verbindungsressourcen wie optische Inline-Verstärker wiederverwendet, werden auf weniger als 1 k$ geschätzt fast zwei Größenordnungen niedriger als bei kommerziell erhältlichen DAS-Systemen. Chromatische Dispersionseffekte könnten bei großen Entfernungen (> 200 km) aufgrund von Leistungsschwundeffekten ein Hindernis darstellen, das jedoch durch verschiedene Techniken gemildert werden kann (siehe auch ergänzende Informationen)42,43,44. Eine weitere Verbesserung könnte durch eine Erhöhung der HF-Modulationsfrequenz und die Verwendung eines ADC mit höherer Auflösung zur Verringerung des Quantisierungsrauschens erreicht werden. Eine Erhöhung der HF-Modulationsfrequenz kann durch die Verwendung von Trägerunterdrückung44 oder die Erzeugung von Oberwellen höherer Ordnung mittels optischer Modulation45 erreicht werden. Unsere Implementierung, die auf kostengünstigen Standardkomponenten basiert, kann optische Pfadschwankungen in der Größenordnung von ΔL ~ 2,5 μm erkennen. Wir gehen davon aus, dass dies durch den Einsatz eines Hochleistungs-ADC (24-Bit-Auflösung, 1 kHz Abtastrate) um mehr als eine Größenordnung und durch eine Erhöhung der Mikrowellenfrequenz auf 40 GHz um den Faktor vier reduziert werden kann. Modernste Innovationen in der integrierten Mikrowellenphotonik46,47 könnten möglicherweise die Herstellung spektral reiner mm-Wellen-Träger nahe 100 GHz ermöglichen, die mithilfe leistungsstarker 100-GHz-Fotodetektoren nachgewiesen werden können48,49. Wenn man bedenkt, dass 100-GHz-Komponenten bald für Telekommunikationsanwendungen verfügbar sein werden, könnten MFFI-Prototypen möglicherweise eine Empfindlichkeit auf einem noch nie dagewesenen Niveau bieten. Selbst mit der Verwendung handelsüblicher und ausgereifter optoelektronischer Komponenten im Bereich von 10–20 GHz kann eine zufriedenstellende Empfindlichkeit zu geringen Kosten und in Echtzeit erreicht werden, was für die Entwicklung von Frühwarnsystemen von großer Bedeutung ist. Im Gegenteil, Techniken, die auf der Extraktion von Ereignissen im Zusammenhang mit Umwelteinflüssen basieren, indem sie die riesigen Datenmengen verarbeiten, die von digitalen kohärenten Empfängern30,50 bereitgestellt werden, die in der Zeitskala von mehreren GSa/s arbeiten, erfordern eine beispiellose Verarbeitungsleistung, um eine Echtzeitidentifizierung kritischer Ereignisse wie z B. Tsunamis, Erdbeben usw. Es könnte eine Massenproduktion hochleistungsfähiger MFFI-Prototypen erreicht werden, die Echtzeit-Ereigniserkennung bei minimalen Kosten bieten, und so den Weg für die mittelfristige Installation von MFFI-Tools in fast allen interessierenden Glasfaserverbindungen weltweit ebnen. Somit beweisen unsere Ergebnisse in einer ziemlich verrauschten Glasfaser in einem überfüllten Gebiet, dass sich MFFI als Schlüsseltechnologie für die weit verbreitete Entwicklung der Glasfaserseismologie erweisen könnte. MFFI kann auch die Möglichkeit einer besseren Lokalisierung von Faserverformungen bieten und auf verteilte Dehnungsmesser umgestellt werden. Die einfachste Lösung besteht darin, zwei MFFI-Systeme zu verwenden, die an den beiden Enden der Verbindung positioniert sind. Durch Kreuzkorrelation ihrer Zeitspuren, die periodisch gegenläufigen Wellen entsprechen, kann man Störungen der Verbindung lokalisieren26,51. Die räumliche Auflösung hängt von der Integrationszeit und der Abtastrate auf jeder Seite ab51 und kann in der Größenordnung von Hunderten von Metern oder sogar weniger liegen, was für die Erdbebenerkennung ausreichend ist, da die mit Erdbeben verbundenen Wellenlängen in der Größenordnung von mehreren hundert Metern oder mehreren Kilometern liegen. Über diesen einfachen Ansatz hinaus zeigt die kontinuumsmechanische Analyse der Beziehung zwischen optischen Phasenänderungen und dem Dehnungstensor, dass die Empfindlichkeit eines Fasersegments gegenüber Verformung proportional zur lokalen Faserkrümmung ist52. Dies impliziert, dass stark gekrümmte Segmente, wie z. B. enge Schleifen, effektiv als einzelne Sensoren fungieren, die zu bestimmten Zeiten, wenn eine Wellenfront das Segment erreicht, große Phasenmessungen (\varphi (t)\) liefern. Folglich kann eine zeitabhängige Analyse von $\varphi (t)$ effektiv ein verteiltes System stark gekrümmter Fasersegmente nachahmen53. Dies wiederum eröffnet neue Perspektiven für die seismische Tomographie und Erdbebenortung in abgelegenen Regionen, in denen dichte Anordnungen herkömmlicher Seismometer nicht verfügbar sind, und kann einen einzelnen MFFI-Interrogator in eine verteilte Messmaschine umwandeln.

Auf der Senderseite ist ein DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) mit einem Polarisationsregler und einem LiNbO3-Modulator verbunden, der den Mikrowellen-10-GHz-Träger auf den optischen Träger aufprägt. Der Polarisationsregler wird verwendet, um die optische Modulationstiefe am Ausgang des Modulators zu maximieren. Eine Kombination aus DFB-Laser und integriertem Elektroabsorptionsmodulator könnte eine höhere Stabilität des Übertragungssystems und wesentlich geringere Transceiverkosten bieten und sollte bei zukünftigen Implementierungen in Betracht gezogen werden. Das Signal wird mithilfe eines EDFA-Boosters (Amonics, AEDFA-23-B-FA) auf bis zu 6 dBm verstärkt und in die 50 km lange Verbindung eingespeist. Bei einem solchen optischen Leistungspegel werden Faser-Nichtlinearitäten nicht ausgelöst. Das bei Afidnes ankommende Signal wird über eine Schleife zurückgeleitet und breitet sich in einer separaten Faser desselben Bündels aus, um in den Empfänger zu gelangen. In einem kommerziell eingesetzten WDM-Netzwerk kann mithilfe von WDM-Demultiplexern und -Multiplexern eine Loopback-Verbindung ohne Störung der sich gemeinsam ausbreitenden Kanäle durchgeführt werden. Auf der Empfängerseite wird das ausgebreitete optische Signal durch einen zweiten EDFA (Amonics, AEDFA-23-B-FA) verstärkt, dann mit einem OBPF mit 0,5 nm Bandbreite zur Außerband-Rauschunterdrückung gefiltert und schließlich von einem 10 erfasst Fotodiode mit GHz-Bandbreite. Das resultierende elektrische Signal wird an den HF-Anschluss eines Mikrowellenmischers gesendet. Der LO-Port des Mischers wird von einer phasengesteuerten Nachbildung des 10-GHz-Signals angesteuert, das zur Modulation des Sendersignals verwendet wird. Die Phasensteuerung erfolgt durch einen Mikrowellen-Phasenschieber HMC642ALC5 mit einer Auflösung von 6 Bit (5,625°) und stellt sicher, dass die Phasendifferenz zwischen dem Signal am LO-Port und dem empfangenen Signal bei etwa π/2 bleibt, um eine maximale Steigung ΔV/Δφ sicherzustellen wobei ΔV einer Spannungsschwankung entspricht, die durch eine Phasenschwankung Δφ verursacht wird. Dies erhöht die Empfindlichkeit und verhindert eine Signalbegrenzung nach der folgenden Gleichstromverstärkung. Der Ausgang des Mischers wird an einen DC-gekoppelten Verstärker mit 50 Hz Bandbreite und 30 dB gesendet, der die hohen Frequenzen des Signals entfernt und seinen Gleichspannungspegel für den ADC anpasst. Die Abtastung erfolgt mit einer Rate von 100 Hz mithilfe des eingebetteten 10-Bit-Analog-Digital-Wandlers (ADC) eines kostengünstigen Mikrocontrollers (Arduino Uno), der die gesammelten Daten an die serielle Schnittstelle eines Computers überträgt. Wir haben bei der Endverarbeitung absichtlich ein so kostengünstiges System verwendet, um auf einfache Weise eine Fernsteuerung des Endblocks zu erhalten und die MFFI-Leistung mit sehr kostengünstiger Elektronik und in Echtzeit zu bewerten, was nicht möglich ist können durch andere optische Erfassungstechniken problemlos bereitgestellt werden26,30. Neben der Abtastung ist der Mikrocontroller auch für die Steuerung des Phasenschiebers verantwortlich. Das aufgezeichnete Signal ist proportional zur Phasendifferenz φ, die sich während der Ausbreitung in der Faser ansammelt, und trägt die Signatur thermischer Schwankungen und mechanischer Vibrationen, die die optische Faser stören (siehe Zusatzinformationen). Das aufgezeichnete Signal wird dann digital verarbeitet, um sowohl hochfrequentes Rauschen als auch sehr niederfrequente thermische Effekte zu unterdrücken, und schließlich basierend auf (1) in Dehnung und Dehnungsrate umgewandelt.

Der HF-Oszillator basiert auf dem Fractional-N-Phasenregelkreis (PLL) HMC769 mit integriertem VCO bei 9,05–10,15 GHz. Die Oszillatorfrequenz ist bei einer Referenzfrequenz von 50 MHz auf genau 10 GHz und die Schleifenbandbreite auf 100 kHz eingestellt. Auf diese Weise ist die PLL als Ganzzahl-N-Frequenzsynthesizer konfiguriert, wodurch gebrochene Störprodukte vermieden werden, die das Phasenrauschen des Hin- und Rückwegs beeinträchtigen könnten. Wenn man berücksichtigt, dass die Umlaufzeit 50 km/2 × 108 = 0,25 ms beträgt, beträgt die Bandbreite der Faserschleife 4 kHz und innerhalb dieser Bandbreite wird das vom Oszillator verursachte Phasenrauschen des gesendeten und empfangenen Mikrowellensignals korreliert und somit unterdrückt. Wir können abschätzen, dass der Oszillatorbeitrag zum gesamten unkorrelierten Phasenrauschen des Systems in der Größenordnung von -110 dBc/Hz für den Frequenzbereich 4–100 kHz liegt, also deutlich außerhalb des Frequenzbereichs, der für die Erdbebenerkennung von Interesse ist. Wenn man die Reichweite auf Hunderte von Kilometern erweitern möchte, muss die niedrigere Frequenz des unkorrelierten Oszillatorrauschens reduziert werden und in das interessierende Frequenzband fallen, sodass Mikrowellenoszillatoren mit höherer spektraler Reinheit zu angemessenen Kosten eingesetzt werden sollten.

Wir verwendeten Dreikomponenten-Wellenformdaten, die an der Beschleunigungsmessstation ATHP (Athen – Neo Psichiko) aufgezeichnet wurden, die der von OTE bereitgestellten optischen Verbindung am nächsten liegt. Die Station gehört zum National Accelerographic Network des Instituts für Geodynamik, National Observatory of Athens (HL, National Observatory of Athens, 1997)54. Die Station ist im Keller eines dreistöckigen Privatgebäudes aus Stahlbeton installiert, das auf verwittertem Sandstein gegründet ist, und ist mit einem Güralp CMG-5TDE-Beschleunigungsmesser ausgestattet, der aus einem Force-Feedback-Breitband-Beschleunigungssensor für starke Bewegungen besteht mit einem 24-Bit-Digitalisierer, der in Echtzeit an das NOA-Seismizitätsaufzeichnungszentrum in Thissio, Athen, telemetrisch übertragen wurde. Der Sensor ist bei der Installation auf N20°E ausgerichtet, wodurch die NS-Komponente parallel zur Hauptrichtung der optischen Verbindung und die EW-Komponente senkrecht dazu verläuft. Das Instrument weist einen Dynamikbereich von über 130 dB und eine flache Reaktion von Gleichstrom bis zu 100 Hz (Abtastrate bei 200 Hz) auf, was es ideal für die Aufzeichnung und Untersuchung starker Erdbeben in lokalen und regionalen epizentralen Entfernungen macht.

Die meisten DAS-Interrogatoren messen optische Phasenänderungen und wandeln sie in Dehnung um. Basierend auf der Literatur20,31 ist der Zusammenhang zwischen Dehnung und Phasenänderungen wie folgt:

Dabei ist ng der Brechungsindex, L die Länge (doppelter Durchgang der Messlänge, wenn DAS der Dehnungsmesser ist), ξ ein Skalierungsfaktor aufgrund des photoelastischen Effekts, λ die Wellenlänge des Lichts im freien Raum (1550). nm in unserem Fall). Die Messlänge typischer DAS-Interrogatoren liegt in der Größenordnung von einigen Metern. Daher wird die Dehnung indirekt über die Gleichung gemessen

wobei G die vom DAS-System verwendete Messlänge ist. Der minimal messbare Wert von dφ bestimmt die Dehnungsempfindlichkeit des Systems. MFFI misst die gesamte Phasenänderung, die ein sinusförmiger Träger erfährt, der einem optischen Träger entlang der gesamten Verbindung überlagert ist. Daher beträgt die Phasenänderung, die wir messen

Berücksichtigt man auch hier den photoelastischen Effekt, können Phasenänderungen der Mikrowellenfrequenz, die durch verschiedene äußere Störungen verursacht werden, und ihr Zusammenhang mit der Dehnung durch die folgende Gleichung angegeben werden

Daher wird die Dehnung wie folgt berechnet:

MFFI misst die Gesamtdehnung entlang der Faser und könnte daher mit DAS verglichen werden, wenn wir alle Dehnungskomponenten mitteln, die an allen räumlichen Orten der verteilten DAS-Messung gemessen werden (Integration von (3) über alle verteilten Daten und Division durch die Anzahl der räumlichen Kanäle). . Dieses Verfahren wurde befolgt und die resultierende Zeitreihe ist in Abb. 4b dargestellt, was die Richtigkeit des Ansatzes beweist.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind verfügbar unter: https://pithos.okeanos.grnet.gr/public/lBVM2xRXA86Ca8fL5GkD44.

Harris, RH Große Erdbeben und schleichende Verwerfungen. Rev. Geophys. 55, 169–198 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Sigmundsson, F. et al. Segmentiertes seitliches Deichwachstum bei einem Rifting-Ereignis im Bárðarbunga-Vulkansystem, Island. Natur 517, 191–195 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Witze, A. Vulkanrisiko quantifiziert. Natur 519, 16–17 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Mooney, WD & Ginzburg, A. Seismische Messungen der inneren Eigenschaften von Störungszonen. Reine Appl. Geophys. 124, 141–157 (1986).

Artikel ADS Google Scholar

Ben-Zion, Y. Eigenschaften seismischer Störungszonenwellen und ihre Nützlichkeit für die Abbildung von Strukturen mit niedriger Geschwindigkeit. J. Geophys. Res. 103, 12567–12585 (1998).

Artikel ADS Google Scholar

Carter, L., Gavey, R., Talling, PJ & Liu, JT Einblicke in unterseeische Geogefahren durch Brüche in unterseeischen Telekommunikationskabeln. Oceanography 27, 58–67 (2014).

Artikel Google Scholar

Chiocci, FL, Cattaneo, A. & Urgeles, R. Meeresbodenkartierung zur Geogefahrenbewertung: Stand der Technik. Mar. Geophys. Res. 32, 1–11 (2011).

Artikel Google Scholar

Blanck, H., Jousset, P., Ágústsson, K., Hersir, GP & Flóvenz Ó. G. Analyse seismologischer Daten auf der Halbinsel Reykjanes, Island. In Extended Abstract EGC, Straßburg (2016).

Winzer, PJ Glasfaserübertragungssysteme von Chip-zu-Chip-Verbindungen bis hin zu transozeanischen Kabeln. Handbuch der Lasertechnologie und -anwendungen: Laseranwendungen: Medizin, Messtechnik und Kommunikation (Band vier) 4, 427 (2021).

Agrawal, Govind P. Glasfaser-Kommunikationssysteme. 222. John Wiley & Sons (2012).

Hartog, AH Eine Einführung in verteilte optische Fasersensoren (CRC Press, 2017).

Buchen Sie Google Scholar

Daley, TM et al. Feldtests der faseroptischen verteilten akustischen Sensorik (DAS) zur seismischen Überwachung unter der Oberfläche. Führen. Kante 32, 699–706 (2013).

Artikel Google Scholar

Lindsey, NJ et al. Beobachtungen von Erdbebenwellenfeldern über Glasfasernetze. Geophys. Res. Lette. 44, 11–792 (2017).

Artikel Google Scholar

Zeng, X. et al. Eigenschaften von Rauschkreuzkorrelationsfunktionen, die von einem verteilten akustischen Sensorarray im Garner Valley, Kalifornien, erhalten wurden. Stier. Seismol. Soc. Bin. 107, 603–610 (2017).

Artikel Google Scholar

Zhan, Z. Verteilte akustische Sensorik verwandelt Glasfaserkabel in empfindliche seismische Antennen. Seismol. Res. Lette. 91, 1–15 (2020).

Artikel Google Scholar

Zhou, DP, Qin, Z., Li, W., Chen, L. & Bao, X. Verteilte Vibrationserfassung mit zeitaufgelöster optischer Frequenzbereichsreflektometrie. Opt. Express 20, 13138–13145 (2012).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Song, J. et al. Verteilte Temperatur- und Dehnungsmessung mit hoher räumlicher Auflösung über große Entfernungen basierend auf optischer Frequenzbereichsreflektometrie. IEEE Photon. J. 6, 1–8 (2014).

Artikel Google Scholar

Li, H., Liu, Q., Chen, D., Deng, Y. & He, Z. Hochauflösender faseroptischer verteilter akustischer Sensor basierend auf Φ-OFDR mit verbesserter Übersprechunterdrückung. Opt. Lette. 45, 563–566 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Masoudi, A. & Newson, TP Dynamischer Dehnungssensor mit verteilter optischer Faser mit hoher räumlicher Auflösung und verbesserter Frequenz- und Dehnungsauflösung. Opt. Lette. 42, 290–293 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

He, Z. & Liu, Q. Verteilte akustische Sensoren mit optischen Fasern: Ein Überblick. J. Lightwave Technol. 39, 3671–3686 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Jousset, P. et al. Die dynamische Dehnungsbestimmung mithilfe von Glasfaserkabeln ermöglicht die Abbildung seismologischer und struktureller Merkmale. Nat. Komm. 9, 2509 (2018).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Lindsey, NJ, Dawe, TC & Ajo-Franklin, JB Beleuchtung von Meeresbodenverwerfungen und Ozeandynamik mit verteilter akustischer Erfassung über dunkle Fasern. Wissenschaft 366, 1103–1107 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Cheng, F., Chi, B., Lindsey, NJ, Dawe, TC & Ajo-Franklin, JB Nutzung verteilter akustischer Sensorik und Meeresboden-Glasfaserkabeln zur Charakterisierung der U-Boot-Struktur. Wissenschaft. Rep. 11, 1–14 (2021).

CAS Google Scholar

Waagaard, OH et al. Rauscharme verteilte akustische Echtzeiterfassung in 171 km verlustarmer Glasfaser. OSA Fortsetzung. 4, 688–701 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Cartlidge, E. DAS: Eine seismische Verschiebung in der Wahrnehmung. Opt. Photonics News 32, 26–33 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Marra, G. et al. Ultrastabile Laserinterferometrie zur Erdbebenerkennung mit Land- und Seekabeln. Wissenschaft 361, 486–490 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Venkatesh, S. & Sorin, WV Überlegungen zum Phasenrauschen in der kohärenten optischen FMCW-Reflektometrie. J. Lightw. Technol. 11, 1694–1700 (1993).

Artikel ADS Google Scholar

Henry, C. Phasenrauschen in Halbleiterlasern. J. Lightw. Technol. 4, 298–311 (1986).

Artikel ADS Google Scholar

Gundavarapu, S. et al. Photonisch integrierter Brillouin-Laser mit grundlegender Linienbreite im Subhertz-Bereich. Nat. Photon. 13, 60–67 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhan, Z. et al. Auf optischer Polarisation basierende seismische und Wasserwellenmessung an transozeanischen Kabeln. Wissenschaft 37, 931–936 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mecozzi, A. et al. Polarisationsmessung mit optischen U-Boot-Kabeln. Optica 8, 788–795 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Bogris, A. et al. Systeme zur Verbreitung von Mikrowellenfrequenzen als empfindliche und kostengünstige Interferometer zur Erdbebenerkennung auf kommerziell genutzten Glasfaserkabeln. Im Jahr 2022, Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC) (2021).

Huang, J. et al. Mit Mikrowellen abgefragtes Saphirfaser-Michelson-Interferometer zur Hochtemperaturmessung. IEEE Photon. Technol. Lette. 27, 1398–1401 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hua, L. et al. Mit Mikrowellen abgefragtes Michelson-Interferometer mit Quarzglasfaser und großem Kern zur Dehnungsmessung. Appl. Opt. 54, 7181–7187 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Dong, H., Liu, S., Yang, L., Peng, J. & Cheng, K. Optischer Faser-Verschiebungssensor basierend auf Mikrowellen-Photonik-Interferometrie. Sensoren 18, 3702 (2018).

Artikel ADS PubMed Central CAS Google Scholar

Lopez, O., Amy-Klein, A., Lours, M., Chardonnet, C. & Santarelli, G. Hochauflösende Mikrowellenfrequenzverbreitung auf einer 86 km langen städtischen optischen Verbindung. Appl. Physik. B 98, 723–727 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Daussy, C. et al. Frequenzverbreitung über große Entfernungen mit einer Auflösung von 10–17. Physik. Rev. Lett. 94, 203904 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Bertholds, A. & Dandliker, R. Bestimmung der einzelnen Dehnungs-Optik-Koeffizienten in Singlemode-Lichtwellenleitern. J. Lightw. Technol. 6, 17–20 (1988).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kennett, BL, Engdahl, ER & Buland, R. Einschränkungen der seismischen Geschwindigkeiten in der Erde aus Reisezeiten. Geophys. J. Int. 122(1), 108–124 (1995).

Artikel ADS Google Scholar

Storchak, DA, Schweitzer, J. & Bormann, P. Die IASPEI-Standardliste für seismische Phasen. Seismol. Res. Lette. 74, 761–772 (2003).

Artikel Google Scholar

Lior, I. et al. Umwandlung von Dehnung in Bodenbewegung verteilter akustischer Erfassungsdaten zur Bestimmung der Erdbebenstärke und des Spannungsabfalls. Feste Erde 12, 1421–1442 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Zhu, S., Li, M., Zhu, NH & Li, W. Übertragung von Dual-Chirp-Mikrowellenwellenformen über Glasfasern mit Kompensation des durch Dispersion verursachten Leistungsschwunds. Opt. Lette. 43, 2466–2469 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, S., Zheng, Opt. Lette. 36, 546–548 (2011).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Nikas, T., Bogris, A. & Syvridis, D. Doppelseitenband-unterdrückte Trägermodulation für eine stabile Glasfaserübertragung von Hochfrequenzstandards. Opt. Komm. 382, 182–185 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fu, Y., Zhang, IEEE Microwave Mag. 14, 102–107 (2013).

Artikel Google Scholar

Marpaung, D., Yao, J. & Capmany, J. Integrierte Mikrowellenphotonik. Nat. Photon. 13, 80–90 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Burla, M. et al. 500-GHz-Plasmonischer Mach-Zehnder-Modulator, der Sub-THz-Mikrowellenphotonik ermöglicht. APL Photon. 4, 056106 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Salamin, Y. et al. 100 GHz plasmonischer Fotodetektor. ACS Photon. 5, 3291–3297 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Khaouani, M. et al. Ein ultraschneller mehrschichtiger Graphen/InGaAs/InAlAs/InAs PIN-Fotodetektor mit 100 GHz Bandbreite. Optik 227, 165429 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mazur, M., et al. Transozeanische Phasen- und Polarisationsfasererfassung mit kohärentem Echtzeit-Transceiver. arXiv:2109.06820 (2021).

Yan, Y. et al. Vorwärtsübertragungsbasierte, extrem lange, verteilte Vibrationserfassung mit breitem Frequenzgang. J. Lightw. Technol. 39, 2241–2249 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Fichtner, A. et al. Theorie der Phasenübertragungs-Faserdeformationserfassung. Geophys. J. Int. 231, 1031–1039 (2022).

Fichtner, A. et al. Empfindlichkeitskerne für Übertragungsfaseroptiken. Geophys. J. Int. 231, 1040 (2022).

https://accelnet.gein.noa.gr/.

Referenzen herunterladen

Alle Autoren möchten Christina Lessi, Dimitris Polydorou, Diomidis Skalistis und Petros Vouddas von OTE für ihre Bemühungen beim Aufbau der in diesem Experiment verwendeten Links danken. Wir möchten auch Athena Chalari und Maria Koroni dafür danken, dass sie uns bei der iDAS-Einrichtung geholfen haben. Darüber hinaus möchten wir dem Labor für Photonik und Telekommunikation der Fakultät für Informatik und Telematik der Harokopio-Universität Athen (Prof. T. Kamalakis) und dem Labor für optische Kommunikation (Prof. D. Syvridis) der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen danken und das Photonics Communications Research Laboratory (Prof. H. Avramopoulos) der Nationalen Technischen Universität Athen für die Bereitstellung kritischer Ausrüstung (EDFAs, PDs).

Fakultät für Informatik und Computertechnik, Universität West-Attika, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Griechenland

Adonis Bogris

Abteilung für Informatik und Telekommunikation, Nationale und Kapodistrias-Universität Athen, 15784, Athen, Griechenland

Thomas Nick

Labor für Elektronik und Photonik, Fakultät für Physik, Universität Thessalien, 35100, Lamia, Griechenland

Christos Simos

Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, Universität West-Attika, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Griechenland

Iraklis Simos

Nationales Observatorium von Athen, Institut für Geodynamik, Athen, Griechenland

Constantine Slow & Nicolaos S. Melis

Departement Erdwissenschaften, ETH Zürich, Zürich, Schweiz

Andreas Fichtner, Daniel Bowden & Krystyna Smolinski

Abteilung für Informations- und Kommunikationssystemtechnik, Ingenieurschule, Universität der Ägäis, Palama 2, 83200, Samos, Griechenland

Charis Mesaritakis

Hellenic Telecommunications Organization SA (OTE), 1, Pelika & Spartis, Maroussi, Athen, Griechenland

Ioannis Chochliouros

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

AB und TN konzipierten die ursprüngliche Idee, AB schrieb auch den ersten Entwurf. TN, CS, IS, CM und IC implementierten den Versuchsaufbau und führten dessen tägliche Überwachung durch, was zu seiner Optimierung führte. KL und NSM führten die Signalverarbeitung und den Vergleich von MFFI und DAS mit den Beschleunigungsmesserdaten der ATHP-Station durch. AF, DB und KS führten die Signalverarbeitung durch, um DAS mit MFFI zu vergleichen. Alle Autoren haben zur endgültigen Bearbeitung des Dokuments beigetragen und im Diskussionsteil kritische Ansichten geäußert.

Korrespondenz mit Adonis Bogris.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Bogris, A., Nikas, T., Simos, C. et al. Empfindliche seismische Sensoren basierend auf Mikrowellenfrequenz-Faserinterferometrie in kommerziell genutzten Kabeln. Sci Rep 12, 14000 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

Zitat herunterladen

Eingegangen: 13. Mai 2022

Angenommen: 05. August 2022

Veröffentlicht: 17. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht

Empfindliche seismische Sensoren basierend auf Mikrowellenfrequenz-Faserinterferometrie in kommerziell genutzten Kabeln