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前沿进展 | 海底光缆传感阵列：海底环境实时监测

两万人都 爱光学 2023-04-28

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近日，英国国家物理实验室、爱丁堡大学、谷歌公司、英国地质调查局以及意大利都灵国家计量研究所等机构合作完成一种基于海底通信光缆的海洋环境监测传感器阵列设计方案。该团队基于链路中继器与光纤布拉格光栅进行了传感单元的设计，并在长度为5860公里的跨洋光缆上完成了传感阵列的测试。该项目在不对已有海底设施进行改变的前提下，在海底布置了百余个光纤布拉格光栅阵列，实现了对海底环境变化（如地震、洋流等）的实时监测，本工作以“Optical interferometry–based array of seafloor environmental sensors using a transoceanic submarine cable”为题发表在Science上。


研究背景

海洋环境变化莫测，洋流和风暴都会对无线通信环境造成难以接受的影响，在这种背景下，在海底铺设光缆作为洲际通信的主干道成为了一种必然的选择。由于大量无机盐、微生物以及腐蚀质的存在，海水的成分比较复杂，同时季风所导致的洋流涌动也会使海底环境变幻莫测，这些因素使得现代海洋光缆在铺设于海底前需要进行特殊的保护设计。海底光缆自身结构的稳定性与可靠性，也吸引了很多专精于海洋传感器的研究专家的注意，他们开始设想基于海底光缆传感器设计与研发工作的可能性。
图1 全球海洋光缆分布图（图源：phy.org）
传统海洋传感器大多采用长周期光纤光栅(LPG)、光纤布拉格光栅(FBG)等结构，以海水温度、压力、深度等因素为主要测量目标，被设计成一个个独立的器件，并由测量船拖曳进行探测作业。虽然可以得到精准的测量数据，但就海洋整体而言，这种工作方式无疑需要巨大的人力与时间成本，且无法很好地对海底的地质活动进行实时监测。因此，有专家提出了基于已有海洋光缆进行传感器布置的设想，并在近年来的研究中取得了不少成果。
常见基于海底光缆传感器的设计，大多采用了分布式声传感(DAS)技术，该技术可以一个较高的灵敏度及空间分辨率实现对于近岸海洋环境的监测，但由于信号衰减效应的存在，在远洋监测时该技术就显得有些力不从心。以DAS技术为代表的传统设计方案存在两个问题：1）为了保证光缆信道的误码率，必然会对背景噪声进行一定的滤除，在这个过程中，有一些相对微弱的信号也会被当作噪声处理，这就无法实现对海洋环境细微变化的把控；2）在该模型中，光缆被看作是一个整体，其接收到的信息仅能反馈整条光路途径区域是否出现了地质活动，而无法进一步精确定位地质活动发生的位置。

研究亮点

针对上述的两个问题，英国国家物理实验室的研究人员领导了一个庞大的国际团队进行技术攻关。他们采取了化整为零的研究思路，将一段跨洋光缆细分为一个个的单元，通过对各个单元环境诱导产生光学相位变化的监测，成功实现了对于海底地震、微震以及洋流的定位及分辨。经过对比验证，该团队采用的方法拥有更高的灵敏度，可以获得较传统测量方案来说更加精密的测量结果。也就是说，该研究成果成功解决了传统技术面临的第一个难题，并极大程度地优化了第二个问题。
如图2所示，该研究选择了英国与加拿大之间一条长约5860公里的光缆链路（以都柏林为界，分为两段）作为测试对象进行研究。需要说明的是：这条光缆链路共含128个光中继器（平均跨度46公里），传感器分别安装在这些中继上，构成了一个庞大的传感阵列。
图2 海底测试光缆链路的地图及详细信息：(A)HLLB体系结构及光纤深度测量示意图；(B)光缆链路的地图（128个中继装置未完全显示）
本项研究的精妙之处，除了对中继器结构的妙用，更在于对FBG应用潜质的充分发掘：使其既可作为传感器检测环境变化，又可作为反射装置将传感信号反射回信号发送端。如图2右下插图所示，FBG反射的信号，可利用海底光路中继器结构中的高损耗环回(HLLB)路径返回传输端。由于反射信号拥有更高的信噪比，故可避免因传输距离导致的损耗，使较小扰动产生的信号也能清晰明了地传回接收端。此外，由于使用了一种被称为光频域反射计(Optical frequency domain reflectometry)的测量技术，研究人员可以对光源的输出频率进行扫描，将来自不同中继器的环回信号在频域中分离。在获得来自不同中继器的环回信号后，利用相位计可分别测量其相对于激光光源变化的相位，以此来判断发生地质活动的具体位置。
图3 跨洋光缆链路对地震的探测：(A)测量工作选用5个传感单元的位置；(B)测量所得到的时间序列及频谱；(C)根据测量结果所推测的地震位置
为说明该测量系统的准确性与可靠性，该团队援引了2021年11月28日对秘鲁北部地震信号的测量结果来进行说明。如图3 (A)所示，在本次测量中，该团队选取了5个具有明显位置特征的传感单元进行数据提取。如图3 (B)所示，该阵列可测定地震纵波包络传播的时间差，当获得该数值之后，通过简单的反向投影(BP)算法，便得到了如图3(C)所示的震源位置预测图（暖色代表该位置发生地震的概率相对更高）。该结果说明，该传感阵列具备在较远距离以极高精度对地质行为进行监测的能力。
在具体的应用中，通过探索光纤传感阵列对海水流动状态的测量，可以加深对深水流（温盐环流）的理解；通过检测深海洋流及海底的压力变化，可以提升对于巨型海浪的预警水平；通过对水温的测量，可以更加详细地掌握全球气候的动态变化规律。总的来说，该项研究成果具有极高的应用价值，如果真正在世界范围内实现全面布置，人类将能更好地把握海洋环境中地质活动的规律，更加清晰地感受到地球的脉动。

总结与展望

该研究团队所介绍基于海底光缆的传感阵列，能够对每一段光缆所跨区域内出现的地质活动进行独立测量，可将已有的海底通信网络进一步升级为传感网络，由于传感器的数量与光缆链路中继装置的数量保持一致，故可在极大程度上解决海底传感设备布置不足、对远洋地理信息不够了解的问题。此外，该研究也论证了传感阵列在海底光路中直接进行布置规划的技术可行性，从侧面反映出此系统含有的巨大延展性。相较于以往的工作，该研究成果攻克了弱信号测量与地质活动定位等两大技术难题，进一步提升了人类对海洋海洋环境的认知水平。
文章来源：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abo1939?af=R
科学编辑 | 佚名
编辑 | 金梦菲菲

END


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