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Jul 21, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13983 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

我々は、計測周波数普及におけるアクティブ位相ノイズキャンセリング（PNC）に基づく長距離光ファイバー環境変形センサーを紹介します。 PNC センシングは、通常は破棄される補償周波数の記録を利用します。 専用の測定装置を必要とせず、計測サービスと同期して動作するため、既存の位相安定化計測ネットワークを環境センサーとして簡単に併用できることが示唆されています。 PNC センシングとインライン増幅の互換性により、1000 km を超える長さのケーブルの調査が可能となり、海洋における地震検知や早期警報に貢献する可能性があります。 複雑なケーブル形状を正確に説明するスペクトル要素波面シミュレーションを使用して、フランス南東部のマグニチュード 3.9 の地震とベルンとスイスのバーゼル間の 123 km のファイバーリンクの補償周波数の観測記録と計算記録を比較します。 位相と振幅の両方が一致していることは、PNC センシングが、たとえば地震の検出や特性評価などに定量的に使用できることを示しています。

過去 10 年間で、分散音響センシング (DAS) は、高い空間サンプリングと mHz から kHz までの広い周波数帯域幅を提供する成熟したテクノロジーになりました 1,2。 これにより、例えば、地表近くの構造物や貯留層の地震画像化と監視3、4、5、6、7、潜在的な早期警報のための火山地震活動の検出と特性評価8、9、 10、11、および氷河と氷床の構造と力学の研究12、13、14、15。

DAS の普及と同期して、DAS の 2 つの欠点を克服するための新しいセンシング アプローチが開発されました。それは、DAS ユニットのコストが高いことと、最大問い合わせ距離が通常数十キロメートルであることです。この距離は、リピータを使用することで延長できます。ケーブルにアクセスできます。 変形に依存する複屈折を利用することにより、大洋横断通信ケーブルに沿って蓄積された光偏光変化が地震動を記録することが示されている16,17。 以前の研究では、数百から数千キロメートルの長さの計測や電気通信ネットワークを介して送信される超安定レーザー信号の光位相変化が、地震を含む広範囲の環境信号に敏感であることが実証されました18。 概念的に同様のアプローチを採用したマイクロ波周波数ファイバー干渉計 (MFFI) は、市販の DAS ユニットの数分の 1 のコストで開発されており 19、この技術は低所得国における環境および自然災害の用途にとって魅力的なものとなっています。 DAS と MFFI を並べて比較すると、後者の定量科学における可能性が浮き彫りになりました 20。 位相伝送に基づく技術は、分散された変形測定ではなく、空間的に統合された変形測定のみを提供しますが、ファイバーセグメント間の中継器の使用 21 または信号の時間依存解析 22 のいずれかによって、ある程度のレベルの空間分解能を達成できます。 偏光または位相透過に基づく光ファイバーセンシング技術は、特に海洋でのカバー範囲を大幅に拡大し、地震画像や地震および津波の早期警報に明らかな利点をもたらします。 ただし、専用の測定機器 18,19 が必要であり、場合によってはファイバーが主に使用されると想定されているサービスが中断される可能性があります 18。

ここでは、アクティブ位相ノイズキャンセル (PNC) に基づいた長距離光ファイバー変形センシングへの代替アプローチを紹介します。 PNC は、計測用ファイバー ネットワークでの周波数普及を安定させるために一般的に使用され、副産物として光位相変化測定を生成しますが、通常は廃棄されるか、システムの健全性監視のためにのみ監視されます。 地域地震の全波形シミュレーションとの比較を通じて、PNC が計測周波数の普及を中断することなく地盤変形の定量的測定を提供できることを実証します。 これは、既存の計測ネットワークを追加のコストと労力をかけずに長距離変形センサーに変換できることを意味します。