巨型“地震传感器”从哪来？斯坦福教授：光纤网络就可以！

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光纤不仅仅能传输数据，实际上还能探测周边发生的事件，包括地震最初期的轰隆声。

过去一年，斯坦福大学的地球物理学教授 Biondo Biondi 利用一条安装在校园里长达 4.8 千米（3 英里）的试验环路来记录地震引起的振动，并将这些振动和诸如汽车驶过造成的其他来源的振动区分开来。

从 2016 年 9 月起，他的团队利用这个光纤地震观测站一共记录了 800 次地震事件，其中包括来自近期墨西哥地震的信号和附近地区采石场爆破造成的振动。而光纤能够区分两种类型的地震波，P 波和 S 波。这一点对于地震预警系统非常重要，因为 P 波传播得更快，而 S 波破坏力更强。

利用光纤监测地震事件并非什么新技术，这本来就是油气公司的标准作业程序。不过，原本的技术涉及到先要固定住光纤，比如将其固着在输油管道之类的某个表面上，或者用水泥将其包裹。Biondi 却模拟了光学通信的标准安装方式，使用的是放置在塑料管子里、未经固定的光纤。

“人们可不认为这么做能行”，这一项目的研究生 Eileen Martin 在一份事先准备好的声明中说，“他们总是认为未固定的光纤会产生太多的信号噪声。”

不论是否经过固定，光纤地震监测系统都利用了光纤内固有的杂质充当虚拟传感器，安装在光纤一端的“应答器”，向光纤内部发射激光脉冲，同时监测反射回来的光线——反向散射。当地震引起地面运动时，光纤会产生伸长和缩短，于是反向散射的时间会发生变化。

Biondi 称，一个“应答器”就可以用于大约 40 千米长的光纤，每隔几米监测一个虚拟传感器。而这类系统的分辨率正在稳步提升。他说他的项目已经证明“数以百万甚至亿万的传感器组成的网络已经存在于电信线路中”，我们只需要接入其中就行。

Biondi 的主要研究兴趣是将油气开采公司收集到的地震数据转化成地质构造图像。他在大约五年前开始思考有关光纤的问题，那时他家被接入到 Google Fiber 项目的早期试验当中。

当 Biondi 发现他研究组里之前的某个学生正供职于一家硬件公司，而该公司为监测光纤电缆内的反向散射制造硬件，这个项目的第三块拼图也就位了。于是 2015 年夏天，他启动了被他称为“十亿传感器地震观测站”的项目。

图 | 斯坦福光纤地震观测站探测到的 2017 年 9 月墨西哥大地震

Biondi 指出，利用基于光纤的虚拟传感器，“总是会比地震学家使用的标准传感器质量差。但那些传感器十分昂贵，因此地震探测网络只能负担得起每隔 20 千米一个的密度，即使在湾区也是如此。有了光纤就可以将密度提升到几米一个传感器。因此大量的光纤传感器会比单一的地震传感器更敏感；或许能记录下普通传感器无法识别的微小地震。”

Biondi 的团队计划从 2018 年开始在更大范围内安装另一个测试阵列。他希望这能使他的团队可以识别出传统探测网络忽略的地震。“那将会是令学术界和政府为之瞩目的一大步。”

Biondi 指出，这一地震监测方法的伟大之处，也是其最大的挑战在于，“它可以使用已经存在的通信线路，但是说服电信业界使其能够被利用是个问题。”

详细的项目情况将会发表于 12 月期的地球物理学期刊 The Leading Edge，信号处理方法的相关细节将发布于明年 1 月的 IEEE Signal Processing Magazine。

来源于斯坦福试验环路的数据还将单独用于“Stamen Design and the Victoria and Albert Museum”可视化项目的一部分。

“这世界的数字基础设施本身就是一个巨大的传感设备，这种附带设施的想法太令人着迷了”，他说。