Fiberoptiska kablar går under nästan alla stadsnät över hela USA och ger internet och kabel-TV till miljoner, men tänk om dessa system också kunde ge värdefull information relaterad till farliga händelser som jordbävningar och översvämningar? Ett team av forskare vid Penn State har funnit att de kan göra just det.

Forskarna använder fiberoptisk distribuerad akustisk avkänningsteknik (DAS) för att förvandla befintlig telekommunikationsinfrastruktur som redan är installerad under jord till en värdefull resurs för att övervaka markvibrationer.

"Vi upptäckte att fibrerna kunde ta upp en mängd olika signalvibrationer, från åskväder till mänskliga gångsteg till musikkonserter, " sa Tieyuan Zhu, biträdande professor i geofysik vid Penn State och huvudutredare på projektet. "Vi kan till och med särskilja den specifika låten på en konsert genom mönstren av de höga och låga tonerna. Det är en bra demonstration av känsligheten hos dessa sensorer."

Traditionella seismiska övervakningsanordningar, kallade geofoner, är svåra att använda i tätorter. Få tillstånd och utrymme för att installera sensorer, skydda sensorer mot stöld och vandalism, och de höga kostnaderna för att underhålla dem gör det oöverkomligt att få tillförlitliga långtidsdata, sa forskarna.

DAS-teknik gör det möjligt för forskare att ansluta till oanvänd fiber, kallas mörk fiber, kraftigt minska kostnaderna och installationstiden som hindrar traditionella seismiska övervakningsanordningar. En laserförhörsenhet behöver helt enkelt anslutas till ena änden av en fibersträcka för att börja samla in data, sa forskarna.

"Flera experiment i Kalifornien har utförts av team som använder befintlig telekommunikationsinfrastruktur, "Men att använda den här tekniken på östkusten är viktigt eftersom vi har väldigt speciell geologi här."

Jorden och den grunda berggrunden i Allegheny Mountains-regionen skapar komplexa geofysiska egenskaper nära ytan. Den underliggande berggrunden kan sakta lösas upp på grund av cirkulerande grundvatten, som kan bilda sänkhål och grottor. Särskilt i tätorter, sjunkhålskollaps och lösa problem kan hota människors säkerhet och egendom. Dessutom, Starka säsongsvariationer i temperatur och nederbörd skapar en helt annan miljö än den i Kalifornien.

Zhu och hans forskargrupp skapade Penn State Fiber-Optic for Environmental SenSEing (FORESEE)-projektet, den första implementeringen av DAS-tekniken i östra USA. Målet med detta projekt var att ta itu med den långvariga utmaningen med realtidsövervakning av miljö och fysiska underjordiska, kemiska och biologiska förändringar i stadsområden. FORESEE siktar också på att utveckla DAS-fiberavkänningsmatriserna för att förvandla Penn State University Park campus och omgivande områden till ett levande labb för insamling av högupplösta data om miljö, energi- och infrastruktursystem. Forskarna redovisar sina resultat i Fast jord .

Teamet fick tillgång till mörka fiberoptiska kablar under campus och konverterade kabeln till 2, 300 seismiska sensorer med DAS. De registrerade sedan kontinuerligt markvibrationsdata längs den 3 mil långa sträckan med start i april 2019. Experimentet genererade många tiotals terabyte med data, som lagrades i en nätverksansluten lagringsserver. Servern var sedan ansluten till ett internetnätverk, ge forskarna fjärråtkomst till data i realtid. Tätheten av DAS-inspelningarna gav extraordinär upplösning som möjliggjorde insikt i deras orsak och gjorde det möjligt för forskarna att skilja mellan olika signaler, sa forskarna.

De preliminära resultaten tyder på att DAS har förmågan att känna av bredbandsvibrationer och skilja mellan de seismiska signaturerna från olika jordbävningar och antropogena källor från händelser som gruvsprängningar, fordon, musikkonserter och promenadsteg.

Men DAS kommer inte utan begränsningar. Traditionella geofoner har tre komponenter, två horisontella sensorer och en vertikal sensor, så att de kan fånga vibrationer i alla riktningar. DAS-teknik, dock, kan endast känna av vibrationer horisontellt eftersom det inte finns något behov av vertikala sensorer i fiberoptiska kablar avsedda för internet och kabel. Därför, data är inte lika omfattande som data från traditionella geofoner.

"Vi vet att detta är en begränsning, " sa Zhu. "Förhoppningsvis inom de kommande fem åren, detta kan övervinnas med ny fiberoptisk teknik."

Förutom dess geologiska användningsområden, DAS kan ge insikter i olika mönster av mänskliga aktiviteter som är relevanta för folkhälsa och stadsplanering. Trafikövervakning och omdirigering som inte kräver privat mobiltelefondata, skottdetektering, Industriell bullerövervakning och övervakning av vattenverk under ytan kan alla förbättras genom användning av DAS-teknik, sa forskarna. Värdet av DAS har också uppmärksammats i otillgängliga och tuffa miljöer, möjliggöra havsobservationer till havs och förmågan att övervaka permafroststabilitet i Arktis.

Nu när forskarna vet vad tekniken kan göra, Zhu sa att deras nästa steg är att använda DAS för att övervaka mindre händelser på lång sikt, som de underjordiska rörelserna som leder till sjunkhål och översvämningar. De vill också titta på de händelser som inträffar där atmosfären möter jorden eftersom det för närvarande inte finns något sätt att övervaka hur ett åskväders energi påverkar den fasta jordens nära yta.

"DAS-matriser som använder befintliga telekommunikationsfibrer kan spela en allt större roll i utvecklingen av elastiska, hållbara städer, " sa Zhu.