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。比如這則影片示範了拉伸光纖時,改變了散射信號的頻率 → 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。

同場加映:
媽祖計畫Earthquake and Ambient Noise Monitoring using DAS on Existing Fiber

延伸閱讀

下列這種漂亮的光點流竄現象是肇因於光纖內傳遞的光線功率過高,從而造成高熱而將光纖逐步燒毀↓

Fiber fuse in high power optical fiber