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地下光纤能否用来监控城市活动?

更新时间:2021-07-02 17:15:02点击:

研究人员可以用一束激光来照射光纤,通过计算散射光传播所需的时间来测量不同长度光缆的振动

北京时间7月1日消息,汽车和行人所产生的振动会使地下线缆产生独特的信号。现在,科学家利用这一特性展示了新冠疫情对人们日常生活的影响。

2020年春天,美国宾夕法尼亚州立大学的主校园区(称为“州学院”,行政级别为自治镇)因为封城而陷入寂静,但与此同时,一个临时配备的仪器正“聆听”着地下的动静。宾夕法尼亚州立大学的研究团队将该仪器接入了一条长达4公里、贯穿校园的地下电信光缆,将其变成了一种科学监控设备。

通过向光纤发射激光,科学家可以探测到地面上的振动,这是由于振动会导致光缆发生轻微变形。当有汽车驶过,或者有人走过地下光缆上方时,地面会将这些独特的地震信号传递给光缆。因此,在没有对地面进行影像监控的情况下,科学家可以通过这种方法详细描绘出一个曾经繁华的社区是如何陷入停滞,又如何随着封锁的放松而慢慢恢复生机。

通过对这些地震信号的分析,研究人员发现,在封锁开始后的4月份,校园里的人流量几乎减少为0,并一直持续到6月份。相比之下,车流量在最初的下降之后出现了回升。“你可以看到,与平时相比,行人少了很多,但车流量几乎已经恢复正常,”研究第一作者、宾夕法尼亚州立大学的地震学家朱铁源说,“这条光缆确实可以分辨这种细微的信号。”他们的研究结果已经发表在《地震记录》(The Seismic Record)杂志上。

更确切地说,光缆可以记录不同频率的振动信号。人的脚步产生的振动频率在1到5赫兹之间,而汽车行驶产生的振动频率接近40或50赫兹。工程机械的振动会超过100赫兹。

光缆的工作原理是完美地捕获光脉冲,将其作为信号远距离传输。但是,当一辆汽车或一个人从光缆上方经过时,振动就会带来干扰(或者说“缺陷”),即会有少量的光散射回光源。由于光速是已知的,因此宾夕法尼亚州立大学的研究人员可以用一束激光来照射光纤,通过计算散射光传播所需的时间来测量不同长度光缆的振动。这种技术在地球科学中被称为分布式光纤声传感技术(distributed acoustic sensing,简称DAS)。

传统的地震仪通过内部元件的物理运动来记录振动信号,只能测量地球上某一个点的活动。但使用DAS技术,科学家就可以沿着4公里长的光缆采集2000多个点的信号——差不多每2米一个点——从而获得地面活动的超精细信息。他们的研究从2020年3月封锁开始,到2020年6月结束,当时州学院的企业已经恢复营业。

从DAS测量的这些振动信号可以看出,正在建设新停车场的校园西侧到4月份时停止了施工,没有产生任何工业活动的迹象。到了6月,研究人员不仅探测到了机器重启所产生的振动,还能识别出以较低频率嗡嗡作响的施工车辆。不过,他们指出,尽管一些与新冠疫情有关的限制已经放宽,但此时校园里的行人活动基本没有恢复。

DAS或许能作为追踪人们运动的强大工具,研究人员可以不必通过手机定位数据,而是利用光缆来追踪行人和汽车的轨迹。不过,这项技术并不能准确地识别某辆汽车或某个人。“你可以说它是一辆汽车,或者是一辆卡车,或者是一辆自行车。但你不能说,‘哦,这是一辆2019年的日产森特拉’,”斯坦福大学的地球物理学家阿里埃尔·勒卢什说,“实际上,DAS的匿名性是其最大的优势之一。”勒卢什没有参与这项研究,但他在研究工作中也会用到DAS技术,并且参与了这篇论文的同行评议。

另一方面,如果你想要通过光缆来追踪某个人在城市里的行踪,那他就必须一直沿着你所监控的光缆行走。一旦他偏离轨迹,你就会失去地震信号。“粗略地说,假设这是在沙漠中,你有一根埋在地下的光纤,而有人正沿着这根光纤行走,并且还是唯一这么走的人,那么没错,你可以追踪其行踪,”勒卢什说,“你不能把光缆的信号与某个特定的人联系起来。”因此,如果你想要远距离追踪一个人的话,最好使用双筒望远镜,或者追踪他们的手机数据。

近年来,DAS技术在许多科学领域的应用迅速发展,这要归功于“暗光纤”,即已经铺设但没有投入使用的光缆。随着互联网在20世纪90年代的发展,电信公司开始大规模铺设光缆。与挖洞铺设光缆所需的劳动力相比,光缆本身相对便宜。因此,在网络繁荣的预期中,许多公司都铺设了超过他们所需的电缆。如今,这些光纤中的大部分仍未被使用,因此被称为“暗光纤”,可供出租用于科学家的实验。

不过,光纤的可用性还是得取决于位置。美国莱斯大学的地球物理学家乔纳森·阿乔-富兰克林没有参与这项新研究,但他是《地震记录》期刊的副编辑。他说:“可能在纽约市中心,在证券交易所和新泽西之间,会有很多关于这些光纤的争论。但如果你长途旅行穿过内华达州的农村地区,也许能找到一些额外的资源供你利用。”

与传统的地震仪不同,光缆的造价很低廉,而且不需要电源。有了DAS技术,你只需要一个“询问器”设备来发射激光并接收穿过光纤返回的数据。阿乔-富兰克林说:“因此,如果你想通过这些间隔很近的数据来测量地震、表面波或城市流动性,那这真的是一个很好的方法。”例如,阿乔-富兰克林曾经在萨克拉门托附近,用一条约27公里长的暗光纤记录了7个月内发生的大大小小的地震。

土木工程师已经在使用DAS来研究土壤变形,生物学家甚至已经使用远海光缆来监听鲸的活动(毕竟声音是以振动的方式传播)。“DAS的应用无疑是爆发性的,”阿乔-富兰克林说,“人们在冰川中嵌入光纤,然后由处于自由水体的船拖动这些光纤,以此来测量温度。这真的是一套令人难以置信的技术。”


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