一作+通讯，环境传感器最新Science

▲第一作者：G. Marra

通讯作者：G. Marra

通讯单位：英国国家物理实验室(NPL)

DOI:?10.1126/science.abo1939

研究背景

光纤传感技术可以使用现有的海底通信电缆作为海底传感器，从而极大地扩展对地球的观测手段。以前的干涉测量和基于偏振的技术可对长达10500公里的电缆进行环境传感。然而，其测量仅限于整个电缆长度上的综合变化。

研究问题

本文演示了在5860公里长的跨大西洋电缆的中继器之间（而不是整个电缆）的单个跨度上检测地震和海洋信号的技术。现有的海底通信电缆的中继器到中继器跨度长度为45至90公里，利用这项技术可以在当前基本上不受监控的海底利用数千个永久性实时环境传感器进行检测，而无需改变水下基础设施。

图文解析

▲图1. 英国-加拿大海底通信电缆的地图和细节。

要点：

1. 本文通过利用现代海底电缆中继器的结构布置了一系列传感元件。这些中继器通常包括高损耗环回(HLLB)路径，该路径使得传输的光的一小部分能够通过光纤对的第二条光纤返回到传输端(图1)。在许多电缆上，返回路径是通过使用光纤布拉格光栅（FBG）实现的，该光栅充当窄带反射器。电缆操作员使用这些返回路径来周期性地检查光学放大器的运行状况。这些检查通常按计划执行或者在出现故障时执行，因此这些通道在大多数时间未被使用。

2. 本文通过注入来自超稳定激光光源的红外光并对HLLB返回的信号进行高精度干涉测量，从而提取了光缆发射端和所选中继器之间光纤中往返累积的光相位变化。为了定位两个或多个中继器之间的电缆段的扰动，本文计算了环回信号之间的差异。由于FBG反射器的波长对于所有HLLB都是相同的，本文使用了一种称为光频域反射的光学技术，由此对光源的频率进行扫描，使得来自每个中继器的环回信号可以在频域中分离。这项技术在以前被用于一些基于瑞利散射的光纤传感应用中。

▲图2. 海底电缆跨度区间上的地震探测。

要点：

1. 本文展示了在多个海底电缆跨度上检测到的两次地震，分别是秘鲁北部7.5级地震(2021年11月28日)和弗洛雷斯海的7.3级地震(2021年12月14日)(图2A和B)。本文在被测试的九段电缆中的六段上检测到秘鲁北部的地震。因此，本文绘制了其中三个部分检测到的信号的频谱图和时间序列(图2A)。光谱图显示了被测电缆段上由环境扰动引起的光信号的频率波动的功率谱密度(PSD)的时间演变。

2. 对于这项工作中展示的所有数据，本文均选择显示光学频率偏差而不是相位偏差，因为这允许我们更好地可视化检测到的信号中的显著特征。影响观测波形幅度的因素有很多，包括地震断层的几何形状、断层与电缆之间地震结构的三维非均质性、电缆与外部环境的耦合以及光纤的长度。对更多跨度和事件的进一步测试将允许更好地描述每个贡献的权重。根据探测到的P波包络之间的时间滞后(图2A)并使用简单的反投影(BP)方法，本文能够确定地震的震中位置(图2D)。

3. 另外，在接受测试的九个电缆段中，有五个检测到了弗洛雷斯海地震。本文给出了地震波在S1、S2和S5电缆段(图2C)上引起的光学频率偏差(图2B)的频谱图，并与陆地上最近的地震监测站进行了比较。结果显示，虽然在跨度数据上看不到P波的到达，但表面波的频散得到了十分清晰的分辨，并与陆地地震仪的测量结果显示出很好的一致性。

▲图3. 跨大西洋电缆的不同部分检测到的环境噪声。

要点：

1. 本文展示了2021年10月21日从索斯波特的电缆登陆站(CLS)到中大西洋海脊(MAR)的洲际海底电缆不同部分测量的环境噪声频谱图(图3)。在跨越爱尔兰海床的第一段269公里长的电缆上，本文观察到1至5赫兹范围内的窄带分量，大约每6小时重复一次(图3A)。这一周期模式与爱尔兰海的潮汐流是同步的，其幅度与小潮/春季周期很好地相关，如图4A中较长的数据集所示。本文推测，观测到的信号来自于暴露的电缆段的“摆动”或潮汐流引起的压力变化。

2. 本文还在靠近爱尔兰东南海岸的第二部分(图3B)观察到了这些周期性信号，尽管它们不那么明显，并且在0.07至0.15赫兹范围内有很强的微震动成分。后一种特征可能是由于海浪能量与浅海海底的耦合造成的。

3. 在从爱尔兰海岸延伸到大陆架末端的电缆段上，本文观察到环境噪声水平下降了30分贝(图3C)。在第四部分(图3D)上，从大陆架的末端延伸到MAR地区，本文在0.5到1.5赫兹之间检测到多余的噪声，这一次是12小时重复的模式，我们将其归因于MAR区域的潮汐作用。

▲图4. 电缆跨度上检测到的信号与波高和潮流的相关性。

要点：

1. 本文还观察到在电缆浅水部分观察到的周期信号与潮汐流速度之间存在高度的相关性(图4A)。本文发现，在0.1至0.5赫兹范围内的信号与在爱尔兰海域的M2浮标测量的波高之间存在高度相关性(图4A)。

2. 本文确定飓风“Larry”可能是9月13日至17日(10日)在0.05至0.1赫兹频率范围内弥散性微震的来源。本文在图4D所示的电缆部分展示了2021年11月下旬的8天数据集(图4B)。在此期间，一个温带气旋向南横跨整个英国，在索斯波特-都柏林段观测到了由此产生的强烈微地震分量。这与在M2浮标测得的平均波高的增加有很好的相关性。

小结

可以通过探索电缆对水流的敏感性研究来提高我们对深水流动(温盐环流)的理解，包括由于全球气温上升而减缓洋流的情况。此外，对通过海浪造成的深水洋流和海底压力变化的联合探测意味着对海啸监测的巨大潜力。最后，虽然需要更多的研究来表征长期测量漂移，但可以探索光缆对温度的敏感性来研究气候变化。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo1939

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