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“深色光纤”化身低成本地震传感器

2020-05-21 中国科学报 程唯珈
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  埋在加利福尼亚州帕萨迪纳城市地下的光缆显示,路易斯安那州巴吞鲁日的南方大学和A&M大学成为玫瑰游行中“最响”的乐队。图片来源:NICK TRE. SMITH

  不久前,美国加州理工学院地震学家詹中文加入了帕萨迪纳市数十万人的行列,观看一场盛大的玫瑰花车游行。詹中文抱着年幼的女儿,望着行进的乐队和花车经过。彼时,两根比头发还细的光纤深埋地下,记录着整个游行的震动过程。

  如今,支撑电话、电视和互联网服务的光缆网络层出不穷。自从1970年科学家首次开发出代替铜缆的光缆以来,仅在美国就安装了数百万公里的光纤。它们通过在细线玻璃中反射光线传递数据。这种“深色光纤”可以重复做成低成本的地震传感器。

  2019年11月,帕萨迪纳市准予詹中文团队使用两条“深色光纤”,每条光纤长约37公里。研究人员将能够发出近红外光的激光器连接到每一条光纤的一端。研究发现,大部分的光都沿着光纤向下传播,但有一小部分会被玻璃中的缺陷反射。研究人员测量了反向散射光到达仪器的时间。“你会听到这些缺陷的回声。”詹中文说。

  随着时间的推移重复进行这些测量,并寻找回声时序的变化,研究人员可以推断出振动何时将几米长的纤维拉伸了几十亿分之一米。“突然之间,你就拥有了成千上万个传感器。你所需要做的就是获得连接一台仪器的许可。”詹中文说。这种技术被称为分布式声波传感,最初是20世纪80年代美国军方为探测潜艇而开发的,现在它被扩展应用到研究任何与振动有关的事物上。

  一个案例是用于地震监测,但分布式声波传感也可以用于研究水穿越冰川和水坑的流淌过程。莱斯大学地球物理学家Jonathan Ajo-Franklin就使用分布式声波传感技术跟踪阿拉斯加州费尔班克斯附近的永久冻土融化。

  詹中文和同事决定利用玫瑰游行测试帕萨迪纳市的网络。他们记录了行进乐队和彩车经过时的地震信号。日前,研究小组在《地震学研究快报》报告说,震感“最强”的游行队伍来自路易斯安那州巴吞鲁日的南方大学和A&M大学。

  詹中文和其他研究人员设想,未来分布式声波传感或将无处不在。它不仅可以监测地震,还可以记录交通模式,揭示地下管道的缓慢泄漏,以及确定外来侵入者。“你可以把它放在栅栏周围,如果有人试图钻到栅栏下面,可以检测到震动。” Ajo-Franklin说。

  这样的愿景在将来会实现,目前像洛杉矶这样的大城市已经拥有数万公里的光纤。“如果我们能把其中的百分之几转换成地震传感器,那就是百万个传感器。”詹中文说。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1785/0220200091

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