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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13983(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 도량형 주파수 전파에서 능동 위상 잡음 제거(PNC)를 기반으로 하는 장거리 광섬유 환경 변형 센서를 제시합니다. PNC 감지는 일반적으로 폐기되는 보상 주파수 기록을 활용합니다. 전용 측정 장치가 필요 없이 도량형 서비스와 동시에 작동하므로 기존의 위상 안정화 도량형 네트워크를 환경 센서로 손쉽게 공동 사용할 수 있습니다. 인라인 증폭과 PNC 감지의 호환성을 통해 길이가 1000km를 초과하는 케이블을 조사할 수 있어 해양에서 지진 감지 및 조기 경보에 잠재적으로 기여할 수 있습니다. 복잡한 케이블 형상을 정확하게 설명하는 스펙트럼 요소 파동장 시뮬레이션을 사용하여 프랑스 남동부에서 발생한 규모 3.9 지진과 스위스 베른과 바젤 사이의 123km 광섬유 링크에 대한 보상 주파수의 관측 및 계산 기록을 비교합니다. 위상과 진폭의 일치는 PNC 감지가 예를 들어 지진 감지 및 특성화에서 정량적으로 사용될 수 있음을 나타냅니다.

지난 10년 동안 분산 음향 감지(DAS)는 높은 공간 샘플링과 mHz~kHz 범위1,2의 넓은 주파수 대역폭을 제공하는 성숙한 기술이 되었습니다. 이를 통해 지진 영상 및 표면 근처 구조물 및 저장소3,4,5,6,7의 모니터링, 잠재적인 조기 경보를 위한 화산 지진의 감지 및 특성화 등 즉각적인 사회적 관련성을 지닌 다양한 연구 기회가 열렸습니다8,9 10,11 그리고 빙하와 빙상의 구조와 역학에 대한 연구12,13,14,15.

DAS의 대중화에 맞춰 DAS 장치의 높은 비용과 일반적으로 수십 킬로미터의 최대 심문 거리(중계기를 사용하여 확장될 수 있음)라는 두 가지 단점을 극복하기 위해 새로운 감지 접근 방식이 개발되었습니다. 케이블에 접근할 수 있습니다. 변형에 따른 복굴절을 이용하여 대양 횡단 통신 케이블을 따라 축적된 광학 편광 변화가 지진 지진 운동을 기록하는 것으로 나타났습니다. 이전 연구에서는 수백~수천 킬로미터 길이의 계측 또는 통신 네트워크를 통해 전송되는 초안정성 레이저 신호의 광학 위상 변화가 지진을 포함한 광범위한 환경 신호에 민감하다는 것이 입증되었습니다18. 개념적으로 유사한 접근 방식을 채택한 마이크로파 주파수 섬유 간섭계(MFFI)는 상업용 DAS 장치 비용의 일부만으로 개발되었으며, 이 기술은 저소득 국가의 환경 및 자연 위험 응용 분야에 매력적입니다. DAS와 MFFI를 나란히 비교한 결과 정량적 과학에 대한 후자의 잠재력이 강조되었습니다20. 위상 전송을 기반으로 하는 기술은 분산된 변형 측정 대신 공간적으로 통합된 것만 제공하지만, 섬유 세그먼트 사이의 중계기를 사용하거나 신호의 시간에 따른 분석을 통해 일정 수준의 공간 분해능을 달성할 수 있습니다. 편광 또는 위상 전송을 기반으로 하는 광섬유 감지 기술은 지진 및 쓰나미 조기 경보뿐만 아니라 지진 영상에 대한 확실한 이점을 제공하여 특히 해양에서 적용 범위를 크게 늘립니다. 그러나 전용 측정 장비가 필요하며18,19 광섬유가 주로 사용되는 서비스가 중단될 수 있습니다18.

여기에서는 능동 위상 잡음 제거(PNC)를 기반으로 하는 장거리 광섬유 변형 감지에 대한 대안적인 접근 방식을 제시합니다. 도량형 광섬유 네트워크에서 주파수 전파를 안정화하는 데 일반적으로 사용되는 PNC는 일반적으로 시스템 상태 감시를 위해 폐기되거나 모니터링되는 부산물로 광학 위상 변화 측정을 생성합니다. 지역 지진의 전체 파형 시뮬레이션과의 비교를 통해 PNC가 도량형 주파수 전파를 중단하지 않고 지반 변형의 정량적 측정을 제공한다는 것을 입증합니다. 이는 기존 계측 네트워크를 추가 비용과 노력 없이 장거리 변형 센서로 변환할 수 있음을 의미합니다.