Science：海底传感器精确定位地震点

       尽管环境光纤传感器已经在实际应用中比较成熟，但是对于极端环境，如海底，仍面临许多挑战。首先，信号衰减限制了沿海地区使用光纤传感器，其次，辅助技术只测量整个海底光缆长度的扰动，而忽略了其它影响因素，难以精确定位目标信号。

图1 海底传感器示意图。（图片来源：imaginima/iStock/Getty Images Plus）

       近日，英国实验物理学家已经将一条跨洋光缆（如图1）转换为一组独立传感器的干涉阵列（Science，doi: 10.1126/Science.ab1939）。该团队利用电缆本身的中继器对两个连接点之间的物理扰动进行独立测量。

       通过以上技术，该小组能够测量一条跨洲电缆上的两次远距离地震，这条电缆连接北美洲和欧洲，全长5860公里。测量结果表明，这两次地震一次发生在秘鲁，一次发生在大洋洲。此外，当数据流通过光缆的其它通道时，这种技术也是有效的，这也成为了所有跨洋电缆应用的重要考虑因素。

光栅和中继器的默契结合

       先前基于背散射技术（如分布式声波传感）的实验表明，由于损耗，高灵敏技术传输的信号逐渐减弱，并在大约100公里后消失，这限制了该技术在离海岸线较远的海域内应用。而其它研究利用海底光缆整体相位或极化的改变，使其可以跨越海洋延伸10000公里及以上。然而，单个传感器长期受到背景噪音的干扰，并且对于地震点的预测也并不准确。

       相反，英国国家物理实验室（以下简称NPL）Giuseppe Marra及其合作者观察连接中继器的单根电缆长度，这种电缆能放大长距离的光信号。大多数中继器使用高耗损回路（以下简称HLLB）装置，这种装置利用一根光纤布拉格光栅将部分光信号沿第二根光纤反射回前一个中继器。

图2 跨大西洋海底电缆图。为了提高可见性，图中减少了中继器数目（实为128个），每个中继器都有一对光纤布拉格光栅反射器（下插图）。上插图为高损耗回路（HLLB）结构和电缆水深测量。（图片来源：转载自文献[1]）

定位地震

       Marra团队利用一个超稳定研究级激光器发射红外光，电缆在加拿大哈利法克斯和英国绍斯波特之间延伸，全长5860公里，并配备128个中继器，两个中继器之间的平均距离为46公里（如图2）。通过发射端的光电探测器和高精度干涉测量技术，该团队能够一次从12个中继器中收集HLLB信号。据Marra团队所说，这项技术也可以用于通讯级激光器。

       2021年11月28日，秘鲁背部发生里氏7.8级地震，Marra团队在九段电缆中的其中六段电缆上捕捉到了这个地震信号。此外，印度尼西亚7.3级地震信号出现在其中5个电缆上。以上两种情况证明，研究人员通过海底电缆得到的地震点与陆地地震仪一致。

       “通过将海底电缆转换成环境传感器阵列，一个由数百甚至数千个永久性实时海底传感器组成的大型网络可以在不改变现有海底基础设施的前提下实现，”Marra团队写道，“这有可能改变我们对地球内部浅层乃至深层路径的认知。”

       除了Marra及其NPL合作者外，英国爱丁堡大学、英国地质调查局、美国谷歌以及意大利INRIM的研究人员也参与了这项工作。