如何利用分布式声学传感（DAS）技术有效探测海啸

密歇根大学的一位研究人员说，排列海底的光缆可以提供一种更便宜、更全面的替代目前作为海啸的早期预警系统的浮标。

一个叫做DART（深海海啸评估和报告系统）的系统，是由监测海啸的专门浮标组成的。在美国国家海洋和大气管理局的监督下，这些浮标的安装成本约为50万美元，每年还有30万美元的维护成本。32个探测浮标点缀在太平洋的周边，每年产生数百万美元的维护——昂贵但至关重要。

现在，密歇根大学的地震学家扎克·斯pica和他的同事使用了一种被称为分布式声学传感或DAS的技术，来利用一种更便宜、更普遍的方式来关注自然灾害：大约100万英里的在海底交错的光缆。

海底光缆位置示意

密歇根大学地球和环境科学助理教授Spica说：“电信公司一直在铺设这些光缆，并为此花费了数千亿美元。”“现在，多亏了先进的光学和强大的计算能力，我们可以将光缆变成超密集、高保真的传感器阵列。”

海啸是由海水突然位移引起的一系列大浪，最典型的是由海底的海底表面突然运动引起的。海啸可能是很小的，也可能是毁灭性的，比如2004年的印度洋海啸，造成近22.8万人死亡。

在发表在《地球物理研究快报》上的一项研究中，Spica和他的同事表明，光缆可以用作早期海啸预警系统。

他说：“不像突然发生的地震，即使存在一些早期预警系统，海啸通常需要更多的时间来建立并到达海岸。”“这意味着早期预警系统对海啸更为有效。然而，很难做到的是在海啸到达海岸之前评估它的大小。因此，需要海上仪器，这既昂贵和难以维护。”

在过去的五年里，Spica和他的同事研究人员在阿拉斯加、日本、西班牙和安大略湖的光纤电信公司安装了DAS询问器，利用水下光缆。利用放置在俄勒冈州佛罗伦萨的其中一种设备，该研究小组能够探测到来自南美洲顶端以东近1300英里的一个岛链的海啸。

“这是桑威奇群岛的一次大地震，引发了一场大海啸。它甚至和我们探测到的电缆和设备都不在同一个海洋里。”“当海啸到达俄勒冈州和阿拉斯加时，它的海浪只有几厘米，并没有造成任何损失。”

DAS技术的工作原理是监测通过光缆传输的光子--光粒子。当光以波的形式穿过光缆时，一些光子被折射回到光缆的起点。这些光子被向后折射，在给定的时间内，返回到询问器的光量与沿电缆的变形成正比。

研究人员最初使用这些光缆来探测地震。地震会在很短的时间内释放出大量的能量。斯派卡说，最大的问题是，这些光缆能否探测到更微妙的海啸运动。海啸中波峰之间的时间可能非常长——波峰之间可达几十分钟和几英里。

斯派卡说：“地震通常有更高的能量，震动非常快，而海啸的海浪则非常宽。”“所以问题是，我们能用这些技术来监测非常长周期的波吗？”

研究人员还不确定海啸的什么特征会导致光缆的变化。由光缆顶部额外的水引起的压力诱导变形可能会导致光缆内部的光纤拉伸，从而改变光子的折射方式。温度可能会引起类似的变化，但Spica说，需要更多的研究来确定光纤是如何受到影响的。

DAS系统可以为电信公司提供一种在未来使用光缆的替代方式，因为卫星将取代光缆作为传输互联网的主要途径。Spica说，这些光缆可以用于军事监视、船只跟踪、测量内部波浪、跟踪海洋温度和进行气候变化的研究。

Spica说：“这些电信公司已经听说了这种传感技术，但现在还为时过早。”“但如果我们认为规模大，如果我们认为未来15年规模大，他们可能应该尝试对自己的基础设施进行再投资。”

这项研究建立在Spica之前的研究基础上，该研究旨在确定光纤是否可以探测到地震中的地面运动。接下来，Spica说，需要开发一些软件来实时记录从光缆探测海啸的信息。

审核编辑：黄飞