光纖聲學檢測地震

生活科學趣談

地震?光纖報給你知 – 物理雙月刊發布於2018年4月22日

台灣位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊之間的交界處,平均每年會發生規模6以上的地震2.6次,超過70%的地震發生在近海地區。由於地震的P波會比S波先到達測站,因此若能將陸地上的測站擴展到近海區域,就能快速計算出地震規模與震央位置,在地震波到達陸地之前數十秒通報給民眾預警,從而大幅度減低震災的災情。

分散式聲波感測(Distributed acoustic sensing,DAS)是利用光纖對聲音敏感的特性,原理是每一個雷射脈衝寬度區域內的 瑞利散射 信號(反向散射)之間會發生干涉,當聲波撞擊光纖所產生的振動會導致信號相位發生變化,該處的散射信號強度於是跟著改變

透過檢測傳回的信號在振動前後的強度變化,即可得知振動的發生。其能夠提供長達50公里距離的安全預警監控,敏感度高,定位精確

 

光纖中的反向散射信號中,除了瑞利散射之外,還有布里淵散射(Brillouin scattering),這是光子的非彈性散射,其屬於光彈效應,是透明材料的折射率在變形(壓縮-膨脹或剪切-歪斜)時折射率會發生變化,從而改變了反向散射波的波長。比如下則图片示範了光纖變形時改變了散射信號的頻率,即可精準定位其對應位置 → Musical instrument based on Brillouin scattering in optical fibers

布里淵散射也可用於檢測光纖中的機械應變,由於這種形式的反向散射強度比瑞利散射弱 ,因此常會引入 光纖布拉格光柵 當作反射部位以增強感測的靈敏度

結論:
光纖是傳感元件,在光路中沒有任何附加的感測器。DAS 則是一種重新利用光纖電纜的技術,工作原理是將單根光纖轉變成數以萬計的高靈敏度振動傳感器,藉此來檢測沿著光纖周圍的振動。相對於傳統的振動傳感器,光纖的成本較低且易於安裝,甚至可以使用已荒廢的海底光纜 → Earthquake and Ambient Noise Monitoring using DAS on Existing Fiber

同場加映

下則影片中漂亮的光點流竄現象則是肇因於光纖內傳遞的光線功率過高,從而產生高熱而將光纖逐步燒毀↓

Fiber fuse in high power optical fiber