Sensores sísmicos sensibles basados en interferometría de fibra de frecuencia de microondas en cables desplegados comercialmente

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14000 (2022) Citar este artículo

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El uso de infraestructuras de fibra para la detección ambiental está atrayendo el interés mundial, ya que las fibras ópticas emergen como plataformas de bajo costo y fácil acceso que exhiben un gran despliegue terrestre. Además, las redes de fibra óptica ofrecen la ventaja única de proporcionar observaciones de áreas submarinas, donde la escasa existencia de instrumentación sísmica permanente debido al costo y las dificultades de implementación limita la disponibilidad de información submarina de alta resolución sobre peligros naturales tanto en el tiempo como en el espacio. El uso de técnicas ópticas que aprovechan la infraestructura de fibra preexistente puede proporcionar de manera eficiente una cobertura de mayor resolución y allanar el camino para la identificación de la estructura detallada de la Tierra, especialmente en fallas submarinas sismogénicas. La técnica óptica predominante para su uso en la detección de terremotos y el análisis estructural es la detección acústica distribuida (DAS), que ofrece alta resolución espacial y sensibilidad, sin embargo, tiene un alcance limitado (< 100 km). En este trabajo, presentamos una técnica novedosa que se basa en la difusión de una frecuencia de microondas estable a lo largo de fibras ópticas en una configuración de circuito cerrado, formando así un interferómetro que es sensible a la deformación. Llamamos a la técnica propuesta interferómetro de fibra de frecuencia de microondas (MFFI) y demostramos su sensibilidad a la deformación inducida por terremotos moderados a grandes de epicentros locales o regionales. Las señales de MFFI se comparan con las señales registradas por los acelerómetros del Observatorio Nacional de Atenas, la Red Sísmica Nacional del Instituto de Geodinámica y por un interrogador DAS disponible comercialmente que opera en paralelo en la misma ubicación. Se logra y demuestra un acuerdo notable en el comportamiento dinámico y la estimación de la velocidad de deformación. Por lo tanto, MFFI surge como una técnica novedosa en el campo de los sismómetros de fibra que ofrece ventajas críticas con respecto al costo de implementación, alcance máximo y simplicidad.

Las imágenes detalladas de la estructura de la Tierra, incluidas las zonas de ruptura activa, son de suma importancia para la estimación de los peligros naturales1,2,3. Si bien se ha logrado un progreso significativo con respecto a la investigación de las propiedades sísmicas y el peligro de las zonas de falla en áreas terrestres4,5, la estructura de las fallas submarinas sismogénicas a menudo permanece pobremente restringida. Además, los deslizamientos de tierra y las corrientes de turbidez plantean peligros geológicos significativos para la infraestructura marina6,7. Estas áreas geográficas de interés no son de fácil acceso, a menudo a una distancia de cientos de kilómetros de la costa. Actualmente, la única solución viable para la adquisición de datos sísmicos es el uso de sismómetros de fondo oceánico, que sin embargo plantea obstáculos en el posicionamiento y la recuperación8.

Durante la última década se han realizado numerosos estudios que demuestran que los cables de fibra óptica en instalaciones terrestres, y lo más importante en las submarinas, pueden operar como sismómetros distribuidos de alta precisión brindando la posibilidad de telemetría y operación continua. Aunque las fibras ópticas se han instalado progresivamente desde principios de la década de 1980 para permitir la comunicación de banda ancha en todo el mundo9,10, sorprendentemente, la sensibilidad de las fibras ópticas a las vibraciones mecánicas las transforma en una plataforma global potencial para la detección y el seguimiento de una amplia gama de efectos geofísicos y ambientales. La explotación de dichos sensores en todo el mundo permite aplicaciones significativas en los sistemas de alerta temprana y también podría proporcionar una gran cantidad de datos para servir a la ciencia abierta en estudios geofísicos y de cambio climático. Sin embargo, el despliegue masivo también requiere un método de medición óptica sensible y rentable. La técnica de detección predominante para detectar eventos sísmicos y otras perturbaciones ambientales es la detección acústica distribuida (DAS)11,12,13,14,15. DAS se basa en la retrodispersión de Rayleigh (RBS) de la luz y puede detectar y medir vibraciones a lo largo de la fibra en los dominios de amplitud, frecuencia y fase16,17,18. Los interrogadores DAS disponibles en el mercado basados en demodulación de fase pueden ofrecer una resolución espacial del orden de 1 m, cobertura de distancia de hasta alrededor de 100 km con una tensión detectable máxima y mínima de unas pocas nanotensiones y por debajo19,20. Los sistemas DAS se han utilizado con éxito en la detección de terremotos y en la caracterización detallada de la estructura de las fallas submarinas21,22,23, lo que demuestra que las fibras ópticas pueden proporcionar una visibilidad mejorada en lugares donde el acceso humano y la instalación de instrumentación especial es un desafío. A pesar de sus excelentes méritos en términos de resolución espacial y sensibilidad en la medición de la deformación, DAS exhibe limitaciones fundamentales debido a su dependencia intrínseca de RBS. En particular, el principal inconveniente de DAS es que es muy sensible a los reflejos causados por conexiones no ideales entre diferentes segmentos de fibra en despliegues instalados y, por lo general, no puede operar más allá de distancias de aproximadamente 50 a 100 km debido al bajo valor de la relación señal/ruido del señal retrodispersada20. Esta restricción hace que DAS sea bastante incompatible con los estudios que buscan aprovechar los cables transoceánicos largos para exploraciones oceánicas profundas. Además, para mejorar el alcance de DAS con el uso de amplificación distribuida, láseres potentes y codificación24, debe implementarse preferentemente en fibras oscuras22, lo que significa que no se supone que otros canales de comunicación se propaguen en la fibra bajo interrogación, lo que no cumple con los planes de los operadores de telecomunicaciones para el despliegue del 100% de las fibras instaladas. Finalmente, las herramientas DAS, como productos comerciales, son bastante costosas (del orden de los 100 k$), lo que hace que su uso masivo en múltiples enlaces de fibra simultáneamente sea ineficaz25.

En 2018, Marra et al. propusieron el uso de la interferometría láser como una técnica innovadora para la detección de terremotos en fibras ópticas26. Su trabajo demostró que la interferometría basada en láser ultraestable es capaz de detectar terremotos distantes (25–18 000 km de distancia epicentral con respecto al enlace de fibra interrogado) en enlaces de fibra largos (75–500 km). Esta técnica es compatible con la multiplexación por división de longitud de onda, proporciona un rendimiento de sensibilidad notable en la resolución de longitud de onda óptica y puede soportar rangos espaciales largos (> 100 km). Su principal debilidad es que requiere láseres sub-Hz de bajo ancho de línea que son costosos —del mismo orden que los sistemas DAS en términos de costo— y dispositivos complejos y bastante ruidosos en la región de bajas frecuencias, debido a su sensibilidad a el ruido 1/f2 atribuido al paseo aleatorio de la fase del láser27,28. De hecho, esta técnica podría surgir como una sólida alternativa a DAS, siempre que las fuentes de láser fotónicas integradas de ancho de línea ultrabajo se conviertan en una contrapartida madura de las soluciones masivas en un futuro próximo29. Muy recientemente, Zhan et al. han revelado la posibilidad de rastrear las deformaciones de la fibra debido a fuerzas externas simplemente monitoreando las variaciones de polarización en enlaces transoceánicos desplegados comercialmente empleando los transceptores coherentes digitales ya instalados30. El fundamento teórico de este método es presentado por Mecozzi et al.31 y muestra claramente la dependencia de las fluctuaciones de polarización en el cuadrado de la tensión local. Esta detección de polarización es una técnica muy elegante que está directamente respaldada por los transceptores operativos de los sistemas de comunicación óptica de larga distancia. Sin embargo, es menos sensible que las técnicas basadas en detección de fase26 y el monitoreo del estado de polarización es casi imposible en fibras terrestres "ruidosas" debido a la alta sensibilidad de la polarización en la temperatura y las variaciones mecánicas causadas principalmente por la actividad humana30.

En este trabajo, presentamos en detalle una nueva técnica de detección que logra la detección de efectos geofísicos con el uso de transmisión óptica a largas distancias32. Se basa en la difusión de portadores ópticos de modulación de frecuencia de microondas a lo largo de un enlace de fibra en una configuración de circuito cerrado como se muestra en la Fig. 1, que llamamos interferómetro de fibra de frecuencia de microondas (MFFI). En la recepción, la señal regresa al extremo transmisor a través del enlace de circuito cerrado y, después de la fotodetección, se mezcla con la señal de frecuencia de microondas transmitida para extraer las desviaciones de fase que corresponden a las deformaciones de la fibra y las variaciones de temperatura (Fig. 1). Las técnicas de fotónica de microondas se han utilizado en aplicaciones de detección para medir, por ejemplo, variaciones de temperatura33, tensión34 y desplazamiento35. Aquí, por primera vez, se propone una técnica de microondas como plataforma habilitadora para la sismología de fibra óptica, evaluada en una red de fibra terrestre instalada. La técnica MFFI está inspirada en los desafiantes experimentos de transferencia de estándares de frecuencia de microondas ultraestables a través de enlaces de fibra óptica "ruidosos"36,37. En ese momento, la tarea era compensar el ruido de fase atribuido a las variaciones de temperatura y vibraciones mecánicas que afectaban al medio de transmisión ya la estabilidad de la referencia difundida. El presente trabajo busca proponer una técnica que registre de manera efectiva este ruido de fase y analice a la perfección su comportamiento dinámico. El uso de una frecuencia de microondas estable en lugar de una óptica26 reduce la precisión espacial (del orden de μm en lugar de nm35), sin embargo, este proceso es mucho más estable (por ejemplo, el sistema es inmune a los efectos de polarización) y más fácil de controlar con rapidez. velocidad de detección y bajo costo. Además, para la aplicación específica en la que se utiliza un interferómetro largo del orden de miles de km, la pureza espectral de la fuente es muy importante. Los osciladores de microondas de alta pureza espectral (estabilidad de frecuencia sub-Hz) son órdenes de magnitud más baratos que sus contrapartes láser, lo que reduce significativamente el costo total del mecanismo de detección (< 5 k$) y permite su implementación masiva. La técnica permite la co-propagación de la señal óptica modulada con otras longitudes de onda de comunicación en un sistema de transmisión de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) y tiene una alta tolerancia a las pérdidas y los efectos de dispersión, ya que se basa en la transmisión y detección de una frecuencia de microondas. Incluso para cientos de kilómetros de transmisión, se puede lograr una señal de alta relación señal/ruido en el extremo de recepción para la comparación de fase. En este trabajo, evaluamos esta técnica utilizando componentes listos para usar de bajo costo en un enlace terrestre subterráneo de 25 km de largo (50 km en la configuración de circuito cerrado) provisto por la Organización Helénica de Telecomunicaciones SA (OTE) en el área de Marousi, en las instalaciones de OTE Academy en Attika, Grecia. El sistema ha estado funcionando casi sin problemas desde julio de 2021 y ha registrado con éxito varios terremotos locales y regionales con suficiente sensibilidad que puede mejorarse enormemente si los componentes críticos del sistema general se optimizan en una próxima generación del prototipo actual. También es importante señalar que la técnica demostró ser eficiente en la detección de terremotos en una fibra terrestre bastante ruidosa que se extiende a través de áreas densamente pobladas cercanas al centro de la ciudad de Atenas. Se espera que su eficacia en entornos submarinos sea aún mayor. Las series temporales de MFFI se analizan frente a las señales obtenidas por una estación acelerométrica del Observatorio Nacional de Atenas, Instituto de Geodinámica (NOA), operada en un lugar cercano y una unidad DAS fabricada por Silixa Ltd que utilizó la misma fibra, en experimentos que tuvieron lugar en Marousi desde finales de septiembre hasta mediados de octubre de 2021. Ambas comparaciones revelan que MFFI proporciona trazas de tiempo altamente correlacionadas con las capturadas por el acelerómetro y DAS en eventos sísmicos significativos seleccionados desde distancias locales y regionales (> 400 km de distancia epicentral ). Además, la comparación entre MFFI y DAS confirmó que MFFI estima la tensión promedio experimentada por la fibra óptica como se esperaba teóricamente.

La configuración experimental/esquema conceptual de MFFI: El banco de pruebas experimental se instaló en OTE Academy. El transmisor consta de un láser de retroalimentación distribuida (DFB) seguido de un controlador de polarización y un modulador Mach-Zehnder de 10 GHz de ancho de banda, impulsado por un tono de 10 GHz. Se utiliza un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) para aumentar la potencia transmitida. La luz se propaga desde OTE Academy siguiendo el camino hacia Marousi–Kifisia–Nea Kifisia–Ekali–Afidnes y viceversa (bucle cerrado) ingresando al EDFA del receptor en OTE Academy después de aproximadamente 50 km de transmisión, lo que se traduce en 25 dB de pérdidas debido a conexiones ineficientes a lo largo del enlace que se insertaron para emular un enlace más largo (125 km). La señal recibida, después de la amplificación óptica y el filtrado óptico adecuado con el uso de un filtro de paso de banda óptico (OBPF) para la reducción del ruido del amplificador, es fotodetectada y mezclada con la señal del transmisor para extraer el ruido de fase atribuido a la transmisión óptica. La señal de banda base del ruido de fase se digitaliza con el uso de un convertidor de analógico a digital y se procesa por una computadora (ver métodos). Las deformaciones de la fibra debidas a eventos sísmicos se imprimen en el ruido de fase. El mapa ha sido creado utilizando el software abierto QGIS ver 3.16LTR (https://www.qgis.org/en/site/index.html).

Arquitectura MFFI El esquema conceptual de MFFI se presenta en la Fig. 1. El láser es un láser de diodo típico de 1550 nm o 1310 nm. Se prefiere 1550 nm debido a las pérdidas más bajas y las técnicas de amplificación óptica eficientes que permiten la extensión del alcance. El láser se modula externamente como en la Fig. 1 con una señal de microondas de alta frecuencia (≥ 10 GHz). Cuanto mayor sea la frecuencia, mejor será la resolución de fase, como se mostrará, sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, los requisitos de la electrónica de alta calidad aumentan proporcionalmente. La frecuencia de microondas superpuesta en la portadora óptica viaja a lo largo de la fibra y regresa al lado del transmisor utilizando una segunda fibra del mismo cable; por lo tanto, se requiere una conexión de bucle invertido al final de la ruta. En consecuencia, la señal se puede amplificar a lo largo de la ruta óptica utilizando los amplificadores de fibra dopada con erbio ya instalados que sirven a los enlaces WDM. La señal es detectada por un fotodiodo rápido y luego se compara con la portadora generada localmente con el uso de un mezclador de microondas. Esta comparación interferométrica proporciona la diferencia de fase entre los dos tonos de RF que es proporcional al retraso de propagación acumulado a lo largo del enlace. Las perturbaciones externas en la fibra provocan la modulación del retardo de propagación como resultado combinado de variaciones tanto en el índice de refracción como en la longitud de la fibra. Estos cambios están impresos en las medidas de fase de nuestro sistema. La diferencia de fase entre el viaje de ida y vuelta detectado y la señal de microondas transmitida viene dada por $\varphi =\frac{2\pi {f}_{RF}{n}_{g}L}{c}$ donde fRF es la frecuencia de microondas del oscilador, ng es el índice de refracción de la fibra, L es la longitud de fibra de ida y vuelta y c la velocidad de la luz en el vacío (ver información complementaria). La fase φ es estacionaria, siempre que no haya perturbaciones mecánicas o variaciones térmicas a lo largo de la fibra. Las mediciones de fase se pueden transformar fácilmente en deformación $\varepsilon =\frac{d\varphi }{\varphi }$, donde dφ es la variación acumulada de la fase de propagación estacionaria φ de la fibra como resultado de una deformación mecánica, para tasa de deformación ($\frac{d\varepsilon }{dt}$) para comparar en términos de propiedades espectro-temporales con qué sismómetros (proporcional a $\frac{d\varepsilon }{dt}$) o acelerómetros (proporcional a ${d}^{2}\varepsilon /d{t}^{2}$) medida. El efecto de las variaciones de temperatura en dφ se elimina con el posprocesamiento de la señal (ver información complementaria). Del análisis anterior, podemos deducir fácilmente que la deformación promedio se puede calcular directamente de la siguiente manera:

El parámetro ξ es el coeficiente de deformación de la fibra óptica debido al efecto fotoelástico38 y es igual a 0,78 aproximadamente.

En la configuración experimental de la Fig. 1, la parte crítica es el receptor que se describe explícitamente en Métodos. Cabe señalar que se han utilizado dos amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) en el transmisor como refuerzo y en el receptor como preamplificador para mejorar la relación señal/ruido. Tanto el transmisor como el receptor residen en la academia OTE y el enlace óptico atraviesa Marousi–Kifisia–Nea Kifisia–Ekali–Afidnes y viceversa (bucle cerrado) formando un enlace de 50 km de largo con pérdidas totales cercanas a los 25 dB debido a conexiones ineficientes en puntos intermedios que se introdujeron intencionalmente para imitar un enlace de casi 125 km de largo.

La MFFI instalada ha sido evaluada como un acelerómetro a través de su comparación con acelerómetros convencionales. Utilizamos datos de forma de onda de tres componentes registrados en ATHP (Atenas—Neo Psichiko), el más cercano a la estación acelerométrica de enlace óptico de la Red Nacional Acelerográfica del Instituto de Geodinámica, Observatorio Nacional de Atenas. Hemos recopilado grabaciones de terremotos seleccionados que tuvieron lugar durante el período de prueba del sistema (de julio de 2021 a febrero de 2022). Las ubicaciones epicentrales (Creta, Marousi, Ikaria, Kefalonia, Florina, Chalkidiki) de diversos eventos sísmicos seleccionados para el análisis se representan en el mapa de la Fig. 2 (lado izquierdo), mientras que en el recuadro de la misma figura podemos ver el ubicaciones de la MFFI y ATHP. La comparación entre los datos de MFFI y ATHP para todos los diferentes epicentros (estrellas rellenas de negro en la Fig. 2) se incluyen en la información complementaria. La Figura 2, a la derecha, compara la serie temporal de aceleración del suelo de tres componentes en la estación ATHP (HN indica la tasa de muestreo alta, 200 muestras/seg para un sensor acelerómetro de tres componentes, con Z la componente vertical y E, N la E– componentes horizontales W y N–S, respectivamente) contra la primera derivada de la tasa de deformación medida por MFFI para el terremoto del 12 de octubre de 2021, ML = 6.3, en Creta. Los tiempos de llegada teóricos de Pn/Sn y Pg/Sg basados en el modelo de velocidad ak135 se muestran en azul como referencia39. El modelo ak135 es un modelo de velocidad radial 1D, isotrópico, derivado de tiempos de viaje empíricos con el propósito de adaptarse a una amplia gama de fases sísmicas, como fases directas, fases difractadas, reflexiones centrales, reflexiones superficiales y fases centrales. Como resultado, es muy efectivo y se usa ampliamente para la ubicación de eventos globales y asociaciones de fase. Cabe señalar que, dada la poca profundidad del terremoto de Creta de Mw = 6,3 (7,6 km), las fases sísmicas Pn/Sn representan las fases de onda primaria (P) y onda secundaria (S) respectivamente, tocando fondo en el manto superior, mientras que Pg/Sg son ondas P y S que tocan fondo en la corteza superior40. Los datos se filtran con paso de banda de 0,1 Hz a 1,0 Hz y las series de tiempo de MFFI se normalizan en amplitud para transformar la derivada de la tasa de deformación en aceleración. Aunque es factible una conversión precisa de deformación a movimiento del suelo si se conoce la velocidad de fase aparente de la onda41, en este trabajo, por simplicidad, aplicamos un factor de escala que normaliza ambas fuentes de datos con respecto a su potencia media. Se observa una concordancia entre los datos de movimiento fuerte y los inicios de MFFI P y S, especialmente en los componentes horizontales. En particular, las dos señales parecen estar en fase y los criterios de identificación de fase P/S (diferencia en amplitud y frecuencia en los dos componentes horizontales) también parecen cumplirse para la señal MFFI, lo que revela el potencial de MFFI para constituir una nueva herramienta. para la selección/reconocimiento de la hora de llegada de las ondas corporales que podría integrarse en los sistemas de alerta temprana.

Comparación de MFFI con el acelerómetro ATHP. (Izquierda) Un mapa de Grecia que muestra en un recuadro rojo la ubicación del sistema MFFI y la estación acelerométrica ATHP (el recuadro amplía el área contenida en el marco rectangular) y los epicentros con estrellas negras de los terremotos seleccionados para el análisis en el presente estudio. (Derecha) Comparación de la serie temporal recopilada por MFFI y ATHP sobre el terremoto que tuvo lugar al este de la isla de Creta (12 de octubre de 2021, 09:24:03 UTC, Creta (ML = 6.3)). Los tiempos teóricos de llegada de Pg/Sg, Pn/Sn están marcados con líneas de puntos azules como referencia. El mapa de la izquierda se creó con el software abierto GMT versión 5.4 (https://www.generic-mapping-tools.org/).

En la Fig. 3, se representan los espectrogramas sin filtrar para el mismo evento (densidad de potencia en dB/Hz). Los espectrogramas comparan el componente HNE de los registros de aceleración del suelo en la estación ATHP con la derivada de la serie temporal de tasa de deformación capturada por MFFI para el terremoto de Creta del 12 de octubre de 2021, ML = 6,3. Un aumento sustancial en la energía observada desde 0,1 Hz hasta 3 Hz coincide con los tiempos de llegada de las ondas P y S, excitadas por el terremoto de Creta. En particular, la primera llegada de la onda P a la estación ATHP se observa a las 09:25:02 UTC, mientras que la primera llegada de la onda S se observa aproximadamente 50 s después. Esto es evidente en la Fig. 3, donde los componentes horizontales de HNE muestran niveles de energía pico, por debajo de 0,5 Hz, solo después de las 09:26:00 UTC aproximadamente. Más allá de las 09:27:00 UTC, las llegadas de ondas corporales de alta frecuencia se han atenuado sustancialmente, mientras que las ondas superficiales con períodos más largos (10–20 s) dominan los sismogramas. Se observan características similares en el espectrograma producido en base a la serie temporal de MFFI, sin embargo, la relación señal-ruido es significativamente menor que la de los datos de movimiento fuerte. El nivel muy alto de ruido de frecuencia por encima de 5 Hz en todo el rango de tiempo se debe a nuestra elección de demostrar la eficacia del sistema basándose únicamente en componentes de bajo costo y al aumento del ruido que caracteriza a los enlaces terrestres como resultado de la actividad humana. Este ruido se amplifica a frecuencias más altas (> 5 Hz) como efecto de la diferenciación de segundo orden. Las técnicas para una mayor optimización del sistema se describen en los métodos.

Espectrogramas: el espectrograma generado por la serie temporal de MFFI (primera derivada de la velocidad de deformación) se compara con el espectrograma de los componentes ΗΝΕ de los registros de aceleración ATHP. Se deduce una dinámica similar, a pesar del alto ruido que perjudica los componentes espectrales de MFFI por encima de 5 Hz, atribuido a las soluciones de bajo costo empleadas y al alto ruido que perjudica el enlace terrestre.

Desde finales de septiembre hasta mediados de octubre de 2021, tuvimos la oportunidad de comparar MFFI con un interrogador iDAS disponible comercialmente producido por Silixa ltd. Los dos sistemas habían estado operando simultáneamente en la misma ruta de fibra durante tres semanas. Para este experimento utilizamos una resolución espacial de 2 m, una longitud de calibre de 10 m y una velocidad de registro de 400 Hz en DAS. Para estos parámetros, el alcance máximo de iDAS fue cercano a los 25 km para el enlace específico caracterizado por exceso de pérdidas. Realizamos la comparación entre DAS y MFFI basándonos en los datos del terremoto de Creta (12 de octubre de 2021, ML = 6.3 Terremoto de Creta). En la Fig. 4a, vemos datos producidos por DAS que representan la velocidad de deformación en función del tiempo y la ubicación en la fibra con una resolución espacial de 2 m. La manifestación del terremoto sobre la evolución de la velocidad de deformación es evidente. Lo que es importante observar es que la velocidad de deformación no se registra uniformemente a lo largo del enlace. Por el contrario, hay ciertas partes de la fibra que muestran una velocidad de deformación más fuerte que otras. Para comparar los dos sistemas, calculamos la tasa de deformación promedio de todos los sensores locales (canales) registrados por DAS con una separación espacial de 2 m (ver Fig. 4a) (ver métodos). Dado que tanto la resolución espacial como la longitud de calibre son más cortas que la longitud de onda de la onda sísmica, esto nos permite ignorar sus efectos y aproximar la integral a lo largo de la fibra mediante una simple suma. La tasa de deformación de MFFI y la tasa de deformación promedio de DAS se representan en la Fig. 4b después de filtrar las señales de 0.1 a 1.5 Hz. Se hace evidente que la medición de MFFI coincide con la tensión promedio experimentada por el enlace de fibra óptica como se esperaba de acuerdo con la ecuación. (1). Las dos señales tienen amplitudes ligeramente diferentes porque la señal MFFI es más susceptible al ruido, principalmente relacionado con el rendimiento del convertidor analógico a digital (ADC) (consulte la información complementaria). Por lo tanto, la técnica MFFI proporciona mediciones de tasas de deformación promediadas espacialmente que también son proporcionadas por un sistema DAS comercialmente disponible de alta madurez.

Comparación de MFFI con el interrogador DAS. (a) registros DAS correspondientes al terremoto que tuvo lugar al este de la isla de Creta [12 de octubre de 2021, 09:24:03 UTC, Creta (ML = 6.3)], (b) tasa de deformación de MFFI frente a la deformación media de DAS sobre la dimensión espacial . La concordancia en la estimación de la tasa de deformación entre los dos sistemas es obvia.

MFFI se ha evaluado con éxito en condiciones de la vida real y se ha demostrado que es capaz de detectar una amplia variedad de eventos sísmicos con distancias de epicentro que van desde unos pocos kilómetros (Marousi ML = 2,8) hasta unos pocos cientos de kilómetros (Creta ML = 6,3). La prueba exhaustiva de MFFI en una red implementada comercialmente que reside en un área densamente poblada de Atenas proporcionó límites realistas en su desempeño. La sensibilidad del sistema depende de la relación señal óptica a ruido (OSNR) de la señal recibida (OSNR = 43 dB en nuestra configuración), la frecuencia de RF, la estabilidad del transmisor, la resolución del ADC así como en la electrónica. ruido en el extremo del receptor. También depende del ruido del enlace, que es una superposición de las fluctuaciones de temperatura y el ruido acústico causado por la actividad humana (tráfico de automóviles, construcción, metro, etc.). A pesar de que el enlace terrestre se enruta cerca de carreteras y dentro de áreas densamente pobladas con una profundidad desde la superficie que varía de 40 cm a 2,5 m, el MFFI ha demostrado ser muy sólido y selectivo para identificar eventos sísmicos que están contaminados por el ruido del enlace. (ver información complementaria sobre ruido de enlace). Se espera que su eficacia en entornos submarinos libres de ruido sea de varios órdenes de magnitud, como se ha demostrado con técnicas equivalentes26. En la presente implementación que utiliza componentes electrónicos estándar de bajo costo, la sensibilidad está limitada principalmente por el ruido de cuantificación del ADC y se estima en 0,62 mrad. Se estima que el costo total de un dispositivo optoelectrónico enchufable que funciona como MFFI en una longitud de onda separada en un sistema de transmisión de larga distancia, reutilizando así todos los recursos del enlace, como los amplificadores ópticos en línea, es inferior a 1 k$, que es casi dos órdenes de magnitud inferior a la de los sistemas DAS disponibles en el mercado. Los efectos de dispersión cromática podrían constituir una barrera a largas distancias (> 200 km) debido a los efectos de desvanecimiento de potencia que, sin embargo, pueden mitigarse mediante diversas técnicas (consulte también la información complementaria)42,43,44. Se podría lograr una mejora adicional aumentando la frecuencia de modulación de RF y utilizando un ADC de mayor resolución para reducir el ruido de cuantificación. El aumento de la frecuencia de modulación de RF se puede lograr con el uso de supresión de portadora44 o generación de armónicos de orden superior por medio de modulación óptica45. Nuestra implementación, que se basa en componentes listos para usar de bajo costo, puede detectar variaciones de la trayectoria óptica del orden de ΔL ~ 2,5 μm. Prevemos que esto se puede reducir en más de un orden de magnitud con el uso de un ADC de alto rendimiento (resolución de 24 bits, frecuencia de muestreo de 1 kHz) y con un factor de cuatro si la frecuencia de microondas se aumenta a 40 GHz. Las innovaciones de vanguardia en la fotónica de microondas integrada46,47 podrían potencialmente permitir la preparación de portadores de onda milimétrica espectralmente puros que se acerquen a 100 GHz, que pueden detectarse con el uso de fotodetectores de 100 GHz de alto rendimiento48,49. Por lo tanto, teniendo en cuenta que los componentes de 100 GHz pronto estarán disponibles para aplicaciones de telecomunicaciones, los prototipos de MFFI podrían proporcionar una sensibilidad a niveles sin precedentes. Incluso con el uso de componentes optoelectrónicos de 10–20 GHz listos para usar y maduros, se puede lograr una sensibilidad satisfactoria a bajo costo y en tiempo real, lo cual es de gran importancia para el desarrollo de sistemas de alerta temprana. Por el contrario, las técnicas que se basan en la extracción de eventos relacionados con los efectos ambientales mediante el procesamiento de la gran cantidad de datos que ofrecen los receptores digitales coherentes30,50 que operan en la escala de tiempo multi GSa/seg requieren una potencia de procesamiento sin precedentes para ofrecer una identificación en tiempo real de eventos críticos como como tsunamis, terremotos, etc. Se podría lograr una producción masiva de prototipos MFFI de alto rendimiento que ofrezcan detección de eventos en tiempo real a un costo mínimo, allanando así el camino para la instalación a mediano plazo de herramientas MFFI en casi todos los enlaces de fibra de interés en todo el mundo. Por lo tanto, nuestros resultados en una fibra bastante ruidosa ubicada en un área concurrida demuestran que MFFI podría emerger como una tecnología habilitadora clave para la evolución generalizada de la sismología de fibra óptica. MFFI también puede brindar la posibilidad de una mejor localización de las deformaciones de la fibra y convertirse en medidores de tensión distribuidos. La solución más sencilla es utilizar dos sistemas MFFI colocados en los dos extremos del enlace. A través de la correlación cruzada de sus rastros de tiempo correspondientes a las ondas de contrapropagación en forma periódica, uno puede localizar las perturbaciones del enlace26,51. La resolución espacial depende del tiempo de integración y la frecuencia de muestreo en cada lado51 y podría ser del orden de cientos de metros o incluso menos, lo que es adecuado para la detección de terremotos, ya que las longitudes de onda relacionadas con los terremotos son del orden de varios cientos de metros o varios kilómetros. Más allá de ese enfoque sencillo, el análisis de la mecánica continua de la relación entre los cambios de fase óptica y el tensor de deformación revela que la sensibilidad de un segmento de fibra a la deformación es proporcional a la curvatura de la fibra local52. Esto implica que los segmentos fuertemente curvados, como los bucles estrechos, actúan efectivamente como sensores individuales que aportan grandes mediciones de fase $\varphi (t)$ en distintos momentos cuando un frente de onda alcanza el segmento. En consecuencia, un análisis dependiente del tiempo de $\varphi (t)$ puede imitar efectivamente un sistema distribuido de segmentos de fibra fuertemente curvados53. Esto, a su vez, abre nuevas perspectivas para la tomografía sísmica y la ubicación de terremotos en regiones remotas donde no se dispone de conjuntos densos de sismómetros convencionales y puede convertir un solo interrogador MFFI en un motor de medición distribuido.

En el extremo del transmisor, un láser de retroalimentación distribuida (DFB) está conectado con un controlador de polarización y un modulador de LiNbO3 que imprime la portadora de microondas de 10 GHz en la portadora óptica. El controlador de polarización se utiliza para maximizar la profundidad de modulación óptica a la salida del modulador. Una combinación de láser DFB con modulador de electroabsorción integrado podría proporcionar una mayor estabilidad del sistema de transmisión, un costo mucho menor del transceptor y se considerará en implementaciones futuras. La señal se amplifica hasta 6 dBm con el uso de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) (Amonics, AEDFA-23-B-FA) y se lanza al enlace de 50 km de largo. Para tal nivel de potencia óptica, no se activan las no linealidades de la fibra. La señal que llega a Afidnes se retroalimenta y se propaga en una fibra separada del mismo haz para ingresar al receptor. En una red WDM desplegada comercialmente, la conexión de loopback se puede realizar sin perturbar los canales de co-propagación con el uso de multiplexores y demultiplexores WDM. En el extremo del receptor, la señal óptica propagada es amplificada por un segundo EDFA (Amonics, AEDFA-23-B-FA), luego filtrada con un OBPF de 0,5 nm de ancho de banda para reducción de ruido fuera de banda y finalmente detectada por un 10 Fotodiodo de ancho de banda de GHz. La señal eléctrica resultante se envía al puerto RF de un mezclador de microondas. El puerto LO del mezclador es impulsado por una réplica controlada por fase de la señal de 10 GHz que se utiliza para la modulación de la señal del transmisor. El control de fase lo realiza un desfasador de microondas HMC642ALC5 con una resolución de 6 bits (5,625°) y asegura que la diferencia de fase entre la señal en el puerto LO y la señal recibida se mantenga alrededor de π/2 para garantizar la máxima pendiente ΔV/Δφ donde ΔV corresponde a la variación de tensión provocada por una variación de fase Δφ. Esto mejora la sensibilidad y evita el recorte de la señal después de la amplificación de CC que sigue. La salida del mezclador se envía a un amplificador acoplado de CC de 30 dB de ancho de banda de 50 Hz que elimina las frecuencias altas de la señal y ajusta su nivel de voltaje de CC para el ADC. El muestreo se realiza a una tasa de 100 Hz por medio del convertidor analógico a digital (ADC) integrado de 10 bits de un microcontrolador de bajo costo (Arduino Uno), que transfiere los datos recopilados al puerto serie de una computadora. Intencionalmente, utilizamos un sistema de tan bajo costo en el procesamiento final para adquirir el control remoto del bloque final de una manera directa y evaluar el desempeño de la MFFI con electrónica de muy bajo costo y en tiempo real, una característica que no puede ser proporcionada directamente por otras técnicas de detección óptica26,30. Además del muestreo, el microcontrolador también es responsable del control del desfasador. La señal registrada es proporcional a la diferencia de fase φ acumulada durante la propagación en la fibra y lleva la firma de variaciones térmicas y vibraciones mecánicas que perturban la fibra óptica (ver información complementaria). La señal registrada luego se procesa digitalmente para rechazar tanto el ruido de alta frecuencia como los efectos térmicos de muy baja frecuencia y finalmente se convierte en deformación y velocidad de deformación según (1).

El oscilador de RF se basa en el bucle de bloqueo de fase N fraccional (PLL) HMC769 con VCO integrado a 9,05—10,15 GHz. La frecuencia del oscilador se establece exactamente en 10 GHz con una frecuencia de referencia de 50 MHz y el ancho de banda del bucle se establece en 100 kHz. De esta forma, el PLL se configura como un sintetizador de frecuencias enteras –N, evitando los productos espurios fraccionarios que podrían perjudicar el ruido de fase del camino de ida y vuelta. Teniendo en cuenta que el tiempo de ida y vuelta es de 50 km/2 × 108 = 0,25 ms, el ancho de banda del bucle de fibra es de 4 kHz y, dentro de este ancho de banda, el ruido de fase inducido por el oscilador de la señal de microondas transmitida y recibida se correlaciona y, por tanto, se rechaza. Podemos estimar que la contribución del oscilador al ruido de fase total no correlacionado del sistema es del orden de -110 dBc/Hz para el rango de frecuencia de 4 a 100 kHz, muy por fuera del rango de frecuencia de interés para la detección de terremotos. Si se quiere extender el rango a cientos de km, la frecuencia más baja del ruido no correlacionado del oscilador debe reducirse y caer dentro de la banda de frecuencia de interés, por lo que se deben emplear osciladores de microondas de mayor pureza espectral a un costo razonable.

Utilizamos datos de forma de onda de tres componentes registrados en la estación acelerométrica ATHP (Atenas—Neo Psichiko), la más cercana al enlace óptico proporcionado por OTE. La estación pertenece a la Red Acelerográfica Nacional del Instituto de Geodinámica, Observatorio Nacional de Atenas (HL, Observatorio Nacional de Atenas, 1997)54. La estación está instalada en el sótano de un edificio privado de tres pisos, construido con hormigón armado, cimentado sobre piedra arenisca erosionada, y está equipada con un acelerómetro Güralp CMG-5TDE, que consiste en un sensor de acelerómetro de movimiento fuerte de banda ancha con retroalimentación de fuerza, junto con un digitalizador de 24 bits telemedido en tiempo real al centro de registro de sismicidad de NOA en Thissio, Atenas. El sensor está orientado a N20°E en la instalación, lo que hace que el componente NS sea paralelo a la dirección principal del enlace óptico y el componente EW sea perpendicular a él. El instrumento muestra un rango dinámico de más de 130 dB y una respuesta plana desde CC hasta 100 Hz (frecuencia de muestreo a 200 Hz), lo que lo hace ideal para el registro y estudio de terremotos fuertes en distancias epicentrales tanto locales como regionales.

La mayoría de los interrogadores DAS miden los cambios de fase óptica y los transforman en tensión. Con base en la literatura20,31, la relación entre la deformación y los cambios de fase es la siguiente:

donde ng es el índice de refracción, L es la longitud (doble tránsito de la longitud manométrica cuando DAS es el medidor de tensión), ξ es un factor de escala debido al efecto fotoelástico, λ es la longitud de onda de la luz en el espacio libre (1550 nm en nuestro caso). La longitud de calibre en los interrogadores DAS típicos es del orden de unos pocos metros. Por lo tanto, la deformación se mide indirectamente a través de la ecuación

donde G es la longitud de referencia empleada por el sistema DAS. El valor mínimo de dφ que se puede medir determina la sensibilidad a la deformación del sistema. MFFI mide el cambio de fase general experimentado por una portadora sinusoidal superpuesta a una portadora óptica a lo largo de todo el enlace. Por lo tanto, el cambio de fase que medimos es

Teniendo en cuenta el efecto fotoelástico aquí también, los cambios de fase experimentados por la frecuencia de microondas causados por diversas perturbaciones externas y su relación con la deformación pueden proporcionarse mediante la siguiente ecuación

Por lo tanto, la deformación se calcula de la siguiente manera:

MFFI mide la tensión general a lo largo de la fibra, por lo tanto, podría compararse con DAS si promediamos todos los componentes de tensión medidos en todas las ubicaciones espaciales de la medición distribuida de DAS (integración de (3) sobre todos los datos distribuidos y división por el número de canales espaciales) . Se siguió este procedimiento y la serie de tiempo resultante se muestra en la Fig. 4b, que demostró la corrección del enfoque.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles en: https://pithos.okeanos.grnet.gr/public/lBVM2xRXA86Ca8fL5GkD44.

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Todos los autores desean agradecer a Christina Lessi, Dimitris Polydorou, Diomidis Skalistis y Petros Vouddas de OTE por sus esfuerzos para establecer los enlaces que se utilizaron en este experimento. También nos gustaría agradecer a Athena Chalari y Maria Koroni por ayudarnos con la configuración de iDAS. Además, nos gustaría agradecer al laboratorio de Fotónica y Telecomunicaciones del Departamento de Informática y Telemática de la Universidad Harokopio de Atenas (Prof. T. Kamalakis), al Laboratorio de Comunicaciones Ópticas (Prof. D. Syvridis) de la Universidad Nacional y Kapodistriana de Atenas. y el Laboratorio de Investigación de Comunicaciones Fotónicas (Prof. H. Avramopoulos) de la Universidad Técnica Nacional de Atenas por proporcionar equipos críticos (EDFA, PD).

Departamento de Informática e Ingeniería Informática, Universidad de West Attica, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Grecia

Adonis Bogris

Departamento de Informática y Telecomunicaciones, Universidad Nacional y Kapodistriana de Atenas, 15784, Atenas, Grecia

Tomás Nick

Laboratorio de Electrónica y Fotónica, Departamento de Física, Universidad de Tesalia, 35100, Lamia, Grecia

Cristo Simos

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad de West Attica, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Grecia

Iraklis Simos

Observatorio Nacional de Atenas, Instituto de Geodinámica, Atenas, Grecia

Constantine Slow y Nicolás S. Melis

Departamento de Ciencias de la Tierra, ETH Zurich, Zurich, Suiza

Andreas Fichtner, Daniel Bowden y Krystyna Smolinski

Departamento de Ingeniería de Sistemas de Información y Comunicación, Escuela de Ingeniería, Universidad del Egeo, Palama 2, 83200, Samos, Grecia

Charis Mesaritakis

Organización Helénica de Telecomunicaciones SA (OTE), 1, Pelika & Spartis, Maroussi, Atenas, Grecia

Ioannis Chochliouros

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AB y TN concibieron la idea inicial, AB también escribió el borrador inicial. TN, CS, IS, CM e IC implementaron la configuración experimental y realizaron su seguimiento día a día, lo que resultó en su optimización. KL y NSM realizaron el procesamiento de la señal y la comparación de MFFI y DAS con los datos del acelerómetro de la estación ATHP. AF, DB y KS realizaron el procesamiento de la señal para comparar DAS con MFFI. Todos los autores contribuyeron a la edición final del documento y brindaron puntos de vista críticos en la parte de discusión.

Correspondencia a Adonis Bogris.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Bogris, A., Nikas, T., Simos, C. et al. Sensores sísmicos sensibles basados en interferometría de fibra de frecuencia de microondas en cables desplegados comercialmente. Informe científico 12, 14000 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

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Recibido: 13 mayo 2022

Aceptado: 05 agosto 2022

Publicado: 17 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

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