Internet fiberoptik kunne give værdifuld indsigt i geologiske fænomener

Fiberoptiske kabler løber under næsten alle bynet i hele USA og leverer internet og kabel-tv til millioner, men hvad nu hvis disse systemer også kunne give værdifuld information relateret til farlige hændelser såsom jordskælv og oversvømmelser? Et team af forskere ved Penn State har fundet ud af, at de kan gøre netop det.

Forskerne bruger fiberoptisk distribueret akustisk sensing (DAS) teknologi til at gøre eksisterende telekommunikationsinfrastruktur, der allerede er installeret under jorden, til en værdifuld ressource til overvågning af jordvibrationer.

"Vi opdagede, at fibrene kunne opfange en lang række signalvibrationer, fra tordenvejr til menneskelige gangtrin til musikkoncerter, " sagde Tieyuan Zhu, assisterende professor i geofysik ved Penn State og hovedefterforsker på projektet. "Vi kan endda skelne den specifikke sang ved en koncert ved mønstrene af de høje og lave toner. Det er en fantastisk demonstration af disse sensorers følsomhed."

Traditionelle seismiske overvågningsenheder, kaldet geofoner, er vanskelige at implementere i byområder. Indhentning af tilladelse og plads til at installere sensorer, beskyttelse af sensorer mod tyveri og hærværk, og de høje omkostninger til at vedligeholde dem gør det uoverkommeligt at få pålidelige langtidsdata, sagde forskerne.

DAS-teknologi gør det muligt for forskere at tilslutte ubrugte fibre, kaldet mørke fibre, kraftigt reducere omkostningerne og opsætningstiden, der hindrer traditionelle seismiske overvågningsenheder. En laserinterrogatorenhed skal simpelthen tilsluttes den ene ende af en fiberstrækning for at begynde at indsamle data, sagde forskerne.

"Adskillige eksperimenter i Californien er blevet udført af hold, der bruger eksisterende telekommunikationsinfrastruktur, " sagde Zhu. "Men det er vigtigt at implementere denne teknologi på østkysten, fordi vi har meget speciel geologi her."

Jordbunden og det lave bjerggrund i Allegheny Mountains-regionen skaber komplekse geofysiske egenskaber nær overfladen. Det underliggende grundfjeld kan langsomt opløses på grund af cirkulerende grundvand, som kan danne synkehuller og huler. Især i byområder, synkehulskollaps og løsningsproblemer kan true menneskers sikkerhed og ejendom. Ud over, stærke sæsonbestemte variationer i temperatur og nedbør skaber et meget anderledes miljø end Californiens.

Zhu og hans forskerhold skabte Penn State Fiber-Optic for Environmental SenSeing (FORESEE) projektet, den første udrulning af DAS-teknologien i det østlige USA. Målet med dette projekt var at løse den langvarige udfordring med realtidsovervågning af miljø- og underjordiske fysiske, kemiske og biologiske ændringer i byområder. FORESEE sigter også mod at udvikle DAS-fiberfølingsarrays for at gøre Penn State University Park campus og de omkringliggende områder til et levende laboratorium til indsamling af højopløsningsdata om miljø, energi- og infrastruktursystemer. Forskerne rapporterer deres resultater i Fast jord .

Holdet fik adgang til mørke fiberoptiske kabler under campus og konverterede kablet til 2, 300 seismiske sensorer ved hjælp af DAS. De registrerede derefter kontinuerligt jordvibrationsdata langs den 3-mile strækning, der startede i april 2019. Eksperimentet genererede mange titusvis af terabyte data, som blev gemt i en netværkstilsluttet lagerserver. Serveren blev derefter forbundet til et internetnetværk, give forskerne fjernadgang til data i realtid. Tætheden af ​​DAS-optagelserne gav ekstraordinær opløsning, der muliggjorde indsigt i deres årsag og gjorde det muligt for forskerne at skelne mellem forskellige signaler, sagde forskerne.

De foreløbige resultater tyder på, at DAS har evnen til at registrere bredbåndsvibrationer og skelne mellem de seismiske signaturer fra forskellige jordskælv og menneskeskabte kilder fra begivenheder som mineeksplosion, køretøjer, musikkoncerter og gåtrin.

Men DAS kommer ikke uden begrænsninger. Traditionelle geofoner har tre komponenter, to vandrette sensorer og en vertikal sensor, giver dem mulighed for at fange vibrationer i alle retninger. DAS teknologi, imidlertid, er kun i stand til at registrere vibrationer horisontalt, da der ikke er behov for vertikale sensorer i fiberoptiske kabler beregnet til internet og kabel. Derfor, dataene er ikke så omfattende som data fra traditionelle geofoner.

"Vi ved, at dette er en begrænsning, " sagde Zhu. "Forhåbentlig i de næste fem år, dette kan overvindes med ny fiberoptisk teknologi."

Ud over dets geologiske anvendelser, DAS kan give indsigt i forskellige mønstre af menneskelige aktiviteter, der er relevante for folkesundhed og byplanlægning. Trafikovervågning og omdirigering, der ikke kræver private mobiltelefondata, skuddetektion, overvågning af industriel støjforurening og overvågning af underjordiske vandværker kan alle blive forbedret ved brug af DAS-teknologi, sagde forskerne. Værdien af ​​DAS er også blevet anerkendt i utilgængelige og barske miljøer, muliggør havobservationer til havs og evnen til at overvåge permafroststabilitet i Arktis.

Nu hvor forskerne ved, hvad teknologien kan, Zhu sagde, at deres næste skridt er at bruge DAS til at overvåge mindre begivenheder på lang sigt, som de underjordiske bevægelser, der fører til synkehuller og oversvømmelser. De ønsker også at se på de begivenheder, der opstår, hvor atmosfæren møder jorden, da der i øjeblikket ikke er nogen måde at overvåge, hvordan et tordenvejrs energi påvirker den faste jords nære overflade.

"DAS-arrays, der bruger eksisterende telekommunikationsfibre, kan spille en stigende rolle i udviklingen af ​​elastiske, bæredygtige byer, " sagde Zhu.