Largo

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13983 (2023) Citar este artículo

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Presentamos un sensor de deformación ambiental de fibra óptica de largo alcance basado en cancelación de ruido de fase activa (PNC) en difusión de frecuencia metrológica. La detección PNC aprovecha los registros de una frecuencia de compensación que comúnmente se descarta. Sin necesidad de dispositivos de medición dedicados, funciona sincrónicamente con los servicios metrológicos, lo que sugiere que las redes metrológicas de fase estabilizada existentes pueden usarse conjuntamente sin esfuerzo como sensores ambientales. La compatibilidad de la detección PNC con la amplificación en línea permite la interrogación de cables con longitudes superiores a los 1.000 km, lo que la convierte en un contribuyente potencial a la detección de terremotos y la alerta temprana en los océanos. Utilizando simulaciones de campos de ondas de elementos espectrales que tienen en cuenta con precisión la compleja geometría del cable, comparamos registros observados y calculados de la frecuencia de compensación de un terremoto de magnitud 3,9 en el sureste de Francia y un enlace de fibra de 123 km entre Berna y Basilea, Suiza. La coincidencia tanto en fase como en amplitud indica que la detección PNC se puede utilizar cuantitativamente, por ejemplo, en la detección y caracterización de terremotos.

Durante la última década, la detección acústica distribuida (DAS) se ha convertido en una tecnología madura que ofrece un alto muestreo espacial y un gran ancho de banda de frecuencia desde el rango de mHz a kHz1,2. De este modo, ha abierto diversas oportunidades de investigación con relevancia social inmediata, por ejemplo, en imágenes sísmicas y monitoreo de estructuras y reservorios cercanos a la superficie3,4,5,6,7, la detección y caracterización de la sismicidad volcánica para una posible alerta temprana8,9, 10,11 y estudios de la estructura y dinámica de glaciares y capas de hielo12,13,14,15.

En sintonía con la popularización del DAS, se han desarrollado nuevos enfoques de detección para superar dos de sus inconvenientes: el alto costo de las unidades DAS y la distancia máxima de interrogación, típicamente de varias decenas de kilómetros, que puede ampliarse mediante el uso de repetidores, en los casos en que el cable es accesible. Aprovechando la birrefringencia dependiente de la deformación, se ha demostrado que los cambios de polarización óptica acumulados a lo largo de los cables de telecomunicaciones transoceánicos registran movimientos sísmicos del suelo16,17. En un estudio anterior, se demostró que los cambios de fase óptica en señales láser ultraestables, transmitidas a través de metrología o redes de telecomunicaciones de cientos a miles de kilómetros de longitud, son sensibles a una amplia gama de señales ambientales, incluidos los terremotos18. Adoptando un enfoque conceptualmente similar, se ha desarrollado un interferómetro de fibra de frecuencia de microondas (MFFI) a una fracción del costo de las unidades DAS comerciales19, lo que hace que esta tecnología sea atractiva para aplicaciones ambientales y de peligros naturales en países de bajos ingresos. Una comparación lado a lado de DAS y MFFI destacó el potencial de este último para la ciencia cuantitativa20. Si bien las tecnologías basadas en la transmisión de fase solo proporcionan mediciones de deformación espacialmente integradas, en lugar de distribuidas, se puede lograr cierto nivel de resolución espacial mediante el uso de repetidores entre segmentos de fibra21 o un análisis de las señales dependiente del tiempo22. Las tecnologías de detección de fibra óptica basadas en polarización o transmisión de fase aumentan considerablemente la cobertura, especialmente en los océanos, con beneficios obvios para la obtención de imágenes sísmicas, así como para la alerta temprana de terremotos y tsunamis. Sin embargo, requieren equipos de medición dedicados18,19 y posiblemente la interrupción del servicio para el cual se supone que se utiliza principalmente una fibra18.

Aquí presentamos un enfoque alternativo para la detección de deformación de fibra óptica de largo alcance que se basa en la cancelación activa de ruido de fase (PNC). Comúnmente utilizado para estabilizar la difusión de frecuencia en redes de fibra metrológica, PNC produce mediciones de cambio de fase óptica como un producto secundario que normalmente se descarta o solo se monitorea para la vigilancia del estado del sistema. A través de una comparación con simulaciones de forma de onda completa de un terremoto regional, demostramos que PNC proporciona mediciones cuantitativas de la deformación del suelo sin ninguna interrupción de la difusión de frecuencia metrológica. Esto implica que las redes metrológicas existentes se pueden convertir en sensores de deformación de largo alcance sin coste ni esfuerzo adicionales.

Las redes de fibra óptica de fase estabilizada se utilizan ampliamente para transmitir frecuencias ópticas altamente estables y precisas de un lugar a otro. Las perturbaciones de frecuencia inducidas por perturbaciones mecánicas o térmicas a lo largo de la fibra se pueden compensar con la ayuda de PNC activo. Recientemente se han desarrollado varias redes de fibra PNC, principalmente con el objetivo de mejorar el rendimiento de la difusión de frecuencias más allá de las técnicas satelitales, lo cual es una necesidad para la comparación de relojes atómicos de última generación23,24,25,26,27. 28,29. Si bien la corrección de fase o frecuencia dependiente del tiempo aplicada por el PNC activo no es per se una señal útil desde una perspectiva metrológica, sí contiene información potencialmente valiosa sobre la deformación del suelo, inducida, por ejemplo, por terremotos. En la Ref.30 se proporciona una descripción detallada de la red PNC utilizada en este trabajo. Aquí proporcionamos un resumen condensado de lo esencial, complementado con un resumen esquemático en la Fig. 1a.

PNC se basa en un bucle de retroalimentación y medición de fase óptica coherente31, donde se envía una señal láser de onda continua de bajo ruido desde una estación local a una remota a través de una fibra de longitud L. En la estación remota, parte de la señal se acopla para uso local, mientras que el resto se refleja en la estación local para la detección de fase. En alguna posición z a lo largo de la fibra, una deformación en línea \(\varepsilon (z,t)\) provoca la perturbación de la fase óptica

donde \(\nu \) es la frecuencia del láser y c es la velocidad efectiva de la luz en la fibra22, lo que explica el efecto fotoelástico. El coeficiente potencialmente dependiente de la frecuencia \(\alpha \) describe el acoplamiento mecánico de la fibra a la Tierra sólida y, por lo general, debe inferirse experimentalmente. Encapsula una amplia gama de efectos, como el aislamiento mecánico de la fibra dentro del cable y los efectos del sitio relacionados con estructuras subterráneas desconocidas a pequeña escala. Suponiendo que el retardo máximo de propagación 2L/c es pequeño en comparación con las escalas de tiempo de deformación, el cambio de fase acumulado en la estación local es igual

El error de fase recuperado se transforma en una frecuencia de corrección \(\Delta \nu \), que se impone a la frecuencia óptica mediante un modulador acústico-óptico. Siempre que \(\varphi (t)\) varíe lentamente en relación con el ancho de banda PNC de \(c/(4L)=406\) Hz, la derivada del tiempo \(\dot{\varphi }(t)\) es una buena aproximación de \(\Delta \nu \), que constituye nuestra cantidad de medida. Por lo tanto, en resumen, encontramos que la respuesta del instrumento entre la deformación \(\varepsilon \) y la frecuencia de corrección medida \(\Delta \nu \) está dada por

En la práctica común, la frecuencia de corrección \(\Delta \nu \) se registra para monitorear el estado del sistema o se descarta por completo. Aquí almacenamos su traza temporal, transformando así el PNC en un sensor de deformación.

Principio de medición y configuración experimental. ( a ) Esquemas de la medición de fase interferométrica para PNC. La fuente de señal es un láser ultraestable. Un divisor de haz (BS) y dos espejos (M1 y M2) forman un interferómetro de tipo Michelson que mide el ruido de fase óptico \(\varphi \) acumulado en el brazo del interferómetro de 123 km de largo que conecta los laboratorios de Berna y Basilea. La fase óptica se detecta en un fotodiodo (PD) y se procesa para generar una frecuencia de corrección \(\Delta \nu (t)\) mediante una configuración de cancelación de ruido de fase (PNC). Esta corrección de frecuencia se impone a la frecuencia óptica mediante un modulador acústico-óptico (AOM), compensando así el ruido de fase. Grabamos \(\Delta \nu \) con una frecuencia de muestreo de 500 Hz. En Basilea, parte de la frecuencia óptica está acoplada para uso local en aplicaciones de metrología. (b) Geometría del cable de fibra óptica que conecta METAS en Berna con la Universidad de Basilea. El primer plano muestra la compleja geometría del cable dentro de la ciudad de Basilea. El epicentro y el mecanismo fuente del terremoto de Mulhouse están marcados por la pelota de playa. El evento ocurrió a una profundidad de \(\sim \)13 km32. Los triángulos negros indican estaciones sismológicas que proporcionaron registros para la validación del modelo de velocidad sísmica (ver Fig. 3).

Implementamos el sistema PNC en una fibra de 123 km de largo que conecta el Instituto Federal Suizo de Metrología (METAS) en Berna y la estación remota de la Universidad de Basilea, como se muestra en la Fig. 1b. Este segmento forma parte de una red de fibra más grande desarrollada originalmente para la investigación en espectroscopia de precisión30 y está integrada en la infraestructura de telecomunicaciones de la red nacional suiza de investigación y educación proporcionada por SWITCH. La integración de una señal de frecuencia estabilizada en fase en una red de fibra operativa requiere una consideración cuidadosa del diseño de la red para evitar interferencias con bandas espectrales coexistentes para telecomunicaciones. Un método sencillo pero costoso es utilizar fibras oscuras específicas. Una solución más rentable la proporcionan los canales oscuros, donde la señal se multiplexa en una banda espectral no utilizada. A diferencia de otras redes de metrología de frecuencia establecidas en la banda C (longitud de onda de 1530 a 1565 nm), aquí elegimos un canal oscuro en la banda L (longitud de onda de 1565 a 1625 nm) a una frecuencia de 190,7 THz (longitud de onda de 1572,06 nm). , correspondiente al canal 7 de ITU-T. Además de reducir el costo de arrendamiento de fibra, esto proporciona una gran separación de banda de guarda espectral del tráfico de datos de telecomunicaciones de banda C. La fuente de luz es un láser de diodo de cavidad externa (RIO Planex) con una longitud de onda de 1572,06 nm, estabilizado en una cavidad de expansión ultrabaja de finura 140.000, lo que produce un ancho de línea láser en el nivel de Hz.

En dos puntos de la red se colocan amplificadores bidireccionales de fibra dopada con erbio para compensar las pérdidas de potencia óptica en la red. El ancho de banda del bucle de nuestro sistema, es decir, la frecuencia máxima a la que se puede compensar el ruido de fase, es \(\nu _\text {PNC}\approx 250\) Hz, ligeramente por debajo del límite teórico de \(L/4c = 406\) Hz, impuesto por el retardo de la fibra. En consecuencia, medimos \(\Delta \nu \) con una velocidad de 500 muestras por segundo, correspondiente a una frecuencia de Nyquist de 250 Hz, que está muy por encima del rango de frecuencia de los eventos sísmicos.

El 10 de septiembre de 2022, el terremoto de Mulhouse de magnitud 3,9 brindó una oportunidad única para probar la capacidad del sistema PNC para actuar como sensor sísmico. Las grabaciones sin procesar y filtradas de paso bajo de la frecuencia de corrección \(\Delta \nu (t)\) se muestran en la Fig. 2 y están disponibles como archivo complementario. En frecuencias superiores a \(\sim \)30 Hz, el ruido antropogénico predominante enmascara la señal del terremoto. Tras aplicar un filtro de paso bajo de 5 Hz, se revelan las distorsiones de fase provocadas por el terremoto.

Grabaciones sin procesar y filtradas de paso bajo de 5 Hz de la frecuencia de corrección PNC \(\Delta \nu (t)\). La señal del terremoto domina sobre el ruido electrónico y antropogénico en frecuencias inferiores a \(\sim \)5 Hz.

Para evaluar hasta qué punto \(\Delta \nu (t)\) puede explotarse en la solución cuantitativa de problemas sismológicos, realizamos una comparación con datos simulados. Para esto, modificamos ligeramente un modelo de velocidad sísmica 1-D existente de la región alpina más amplia33, de modo que explique registros de sismómetros de tres componentes, filtrados con paso bajo a un período mínimo de 3 s en las proximidades del cable aproximadamente dentro del ruido. En este proceso, no intentamos hacer coincidir las grabaciones de fibra óptica para evitar resultados sesgados de manera optimista. La figura 3a muestra las distribuciones de profundidad de las velocidades de las ondas P y S. Las simulaciones de Wavefield se basan en el solucionador de elementos espectrales Salvus34, que tiene en cuenta las variaciones topográficas. GEOFON32 proporciona información sobre la fuente del terremoto, incluida la ubicación y el tensor de momento. En la Fig. 3b se muestra una colección representativa de comparaciones de formas de onda para diferentes estaciones y componentes. Demuestra que el modelo 1-D, a pesar de su simplicidad, explica los tiempos de llegada con una precisión de \(\sim \!1\) s y amplitudes dentro de \(\sim \!10\) %.

Comparación de modelos terrestres regionales y sismogramas. (a) Modelo regional 1-D de velocidad de las ondas P y S, ligeramente modificado a partir de un modelo sísmico de la región alpina más amplia33 para que coincida mejor con las formas de onda observadas en el evento de Mulhouse. (b) Comparación de formas de onda de desplazamiento observadas (negras) y calculadas (rojas) para una selección de componentes y estaciones en la región de Basilea-Berna.

Para proceder con la simulación de la frecuencia de corrección \(\Delta \nu (t)\), agregamos el cable de fibra óptica de 123 km a la malla de elementos espectrales. Se debe tener especial cuidado porque los cambios de fase transmitidos dependen en gran medida de la geometría de los segmentos de alta curvatura del cable22. Para ello, colocamos puntos de anclaje cada \(\sim \)50 m a lo largo de segmentos de cable bastante rectos y más densamente alrededor de curvas estrechas. Entre los puntos de anclaje, el cable está representado por una ranura cúbica. A lo largo del cable numérico, generamos la tasa de deformación axial \(\dot{\varepsilon }(t)\) cada 2 m, integramos y escalamos de acuerdo con la ecuación. (3), suponiendo inicialmente un coeficiente de acoplamiento de \(\alpha =1\).

En la Fig. 4 se presenta una comparación de la frecuencia observada \(\Delta \nu ^\text {obs}(t)\) y su contraparte simulada \(\Delta \nu (t)\) para diferentes bandas de período. A pesar de ser cantidades físicas diferentes, los desplazamientos en la Fig. 3b y la frecuencia de corrección en la Fig. 4 se pueden comparar cualitativamente para hacer que esta última sea más intuitivamente plausible. Como era de esperar, la señal aparece en la grabación del PNC un poco antes (en \(\sim \)2 s) que en la estación CH.MUTEZ (en \(\sim \)6 s), que está a mayor distancia del epicentro. que el extremo norte del cable. En la estación CH.DAGMA, ubicada a \(\sim \)48 km del epicentro, la señal cesa después de \(\sim \)45 s. Esto es consistente con una duración de señal similar registrada con el cable, cuyo extremo sur está a \(\sim \)51 km del epicentro.

Aunque las diferencias de forma de onda en los datos PNC son en general mayores que para los registros de desplazamiento convencionales en la Fig. 3, existe una clara asociación entre los ciclos de oscilación posteriores, con cambios de tiempo de alrededor de unos pocos segundos. Las diferencias de amplitud están dominadas por la incógnita \(\alpha \), que la Fig. 4 sugiere que es \(\sim \)0,95 en el período de 7 a 25 s, y \(\sim \)0,66 en el período inferior entre 3 –10 s. Por lo tanto, la mayor parte de la deformación inducida por el terremoto se transmite efectivamente a la fibra. Dentro de las formas de onda, las diferencias de amplitud dependientes del tiempo se encuentran en el rango de unas pocas decenas de por ciento. Generalmente, las series de tiempo de frecuencia de corrección son más complejas que las series de tiempo de desplazamiento en sismómetros individuales porque la onda interactúa con el cable durante más tiempo; alrededor de 20-30 s. Especialmente los puntos de alta curvatura a lo largo del cable producen oscilaciones de alta amplitud en la serie temporal \(\Delta \nu \)22.

Comparación de la frecuencia de corrección observada \(\Delta \nu ^\text {obs}(t)\) en negro y su contraparte simulada \(\Delta \nu (t)\) en rojo para bandas de período de 7 a 25 s , 6 a 17 s, 5 a 12 s y 3 a 10 s.

Las principales ventajas de la detección basada en PNC que se presentan aquí son las siguientes: (1) La compatibilidad con la amplificación en línea permite el despliegue de este esquema en fibras de más de 1000 km de longitud. (2) Aparte del PNC activo, que ya está operativo en muchas redes de metrología, no se requieren dispositivos de medición dedicados, lo que significa que no hay costos ni esfuerzos adicionales. (3) La detección basada en PNC opera sin interrupción de los servicios metrológicos. Por el contrario, hasta donde sabemos, los enlaces de metrología utilizados en aplicaciones geofísicas anteriores18 no estaban estabilizados durante la medición para registrar directamente los cambios de fase óptica, sin pasar por la frecuencia de corrección. Si bien permite una lectura de fase más directa, este método no es compatible con el uso simultáneo de la red para la difusión de frecuencia metrológica.

Si bien estudios anteriores18,21 ya proporcionaron análisis útiles de las señales de transmisión de fase, la Fig. 4 constituye, hasta donde sabemos, la primera comparación de las formas de onda de transmisión de fase observadas y calculadas. Se basa en una rigurosa teoría de modelado directo22 combinada con simulaciones de campos de ondas de elementos espectrales que tienen en cuenta adecuadamente los detalles de la geometría del cable de fibra óptica. Aunque ligeramente peor que la comparación del sismograma de desplazamiento en la Fig. 3b, los cambios de tiempo son del orden de 1 s. Esto es comparable a los residuos del tiempo de llegada en la inversión de la forma de onda sísmica regional35,36. Para nuestro experimento, la discrepancia de amplitud para períodos superiores a \(\sim \)3 s es inferior a \(\sim \)66 %. Esto se traduciría en un error de estimación de la magnitud del terremoto de simplemente \(\sim \)0,12. Por lo tanto, en resumen, nuestros resultados sugieren que la detección PNC puede contribuir a la investigación sismológica cuantitativa, incluido el refinamiento tomográfico de los modelos del subsuelo y la caracterización de terremotos. La resolución espacial requerida para tales aplicaciones se deriva del hecho de que diferentes ventanas de tiempo en los datos de transmisión de fase son sensibles a la deformación a lo largo de diferentes segmentos del cable, siempre que estos segmentos tengan una curvatura distinta de cero22,37.

Los valores estimados del coeficiente de acoplamiento \(\alpha \) indican que la mayor parte de la tensión en realidad se transmite a la fibra en períodos superiores a \(\sim \)3 s. Aunque el cable de telecomunicaciones no se ha instalado para aplicaciones de detección, este resultado es similar a las instalaciones de detección de fibra óptica dedicadas donde \(\alpha \) puede alcanzar valores cercanos a 12. Desafortunadamente, la información sobre la instalación y el tipo de cable es no está disponible, por lo que es imposible discutir el valor de \(\alpha \) en este contexto.

Este trabajo presenta un prototipo de aplicación que aún puede mejorarse. Lo más importante es que \(\alpha \) debería estimarse con mayor precisión con la ayuda de pruebas de fuentes activas en varias posiciones a lo largo del cable y con sismómetros ubicados en el mismo lugar. Además, es posible que no se conozca con suficiente precisión la geometría real del cable. De hecho, la longitud geográfica del cable, que se muestra en la Fig. 1b, es \(\sim \)8 km más corta que la longitud del cable de 123 km que se ha medido ópticamente con alta precisión. Lo más probable es que los \(\sim \)8 km faltantes se hayan desplegado en forma de bucles, lo que puede hacer una contribución significativa a las diferencias en las formas de onda en la Fig. 4.

Todos los datos analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Agradecemos al Prof. Stefan Willitsch y su grupo por su continuo apoyo con la instalación de PNC en Basilea. Agradecemos a SWITCH por proporcionar la infraestructura de red de fibra y sus datos geográficos, y a Fabian Mauchle por el soporte técnico con la red, así como a Daniel Bowden, Sixtine Dromigny, Pascal Edme, Sara Klaasen, Patrick Paitz y Krystyna Smolinski por muchas discusiones fructíferas sobre este tema. trabajar. Además, reconocemos las discusiones dentro de la colaboración de Sinergia sobre la utilización de la red de fibra para detección sísmica con Jerome Faist, Ernst Heiri, Fabian Mauchle, Ziv Meir, Frédéric Merkt, Giacomo Scalari y Stefan Willitsch. La financiación fue proporcionada por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie n.º 955515 (SPIN ITN), y por la subvención Sinergia CRSII5_183579 de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF).

Instituto de Geofísica, ETH Zurich, 8092, Zurich, Suiza

Sebastian Noe, Nils Müller y Andreas Fichtner

Instituto Federal Suizo de Metrología, METAS, 3003, Bern-Wabern, Suiza

Dominik Husmann y Jacques Morel

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DH, SN, AF y JM concibieron el experimento. DH realizó el experimento y recopiló datos. AF y SN concibieron la comparación de datos sísmicos, que fue realizada por SN. NM perfeccionó el modelo de velocidad sísmica. Todos los autores escribieron y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Andreas Fichtner.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Noe, S., Husmann, D., Müller, N. et al. Detección de terremotos de fibra óptica de largo alcance mediante cancelación activa de ruido de fase. Informe científico 13, 13983 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41161-x

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Recibido: 14 de abril de 2023

Aceptado: 22 de agosto de 2023

Publicado: 26 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41161-x

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