Новый метод использует существующие волоконно-оптические линии для обнаружения, локализации и классификации событий в окружающей среде

Исследователи из Технологического университета Граца (TU Graz) научились определять местонахождение оползней, камнепадов, пожаров и землетрясений, анализируя изменения длины волны световых импульсов в оптоволоконных кабелях.

Изменение климата и связанные с ним трансформации структуры грунта и горных пород делают оползни и камнепады всё более серьёзной угрозой для людей и инфраструктуры. Чем точнее измерения, тем раньше можно обнаружить опасность и минимизировать или вовсе предотвратить ущерб. Команда Института инженерной геодезии и измерительных систем (IGMS) TU Graz разработала метод, который использует уже проложенные оптоволоконные кабели для обнаружения, локализации и классификации событий в окружающей среде. Кроме того, метод позволяет выявлять признаки усталости конструкций, пожары, утечки или землетрясения. Мониторинг осуществляется по всей длине волокна, а не только в отдельных точках, что даёт полный охват без «слепых зон» — уникальное преимущество перед традиционными методами.

Эта технология уже применяется для мониторинга обделки тоннелей, например, в Кор-Альм-тоннеле, базовом тоннеле Земмеринг и Бреннерском базовом тоннеле. Аналогичным образом она может обеспечивать безопасную эксплуатацию мостов и другой гражданской инфраструктуры. Благодаря высокой чувствительности измерений, на тестовой оптоволоконной трассе между кампусами TU Graz удалось зафиксировать даже сильное землетрясение в Турции и Сирии в феврале 2023 года. Метод применим везде, где есть волоконно-оптические линии, особенно подходят неиспользуемые для телекоммуникаций «тёмные волокна». Это позволяет, к примеру, контролировать участки вдоль железнодорожных путей или дорог, подверженные камнепадам, и немедленно подавать сигнал тревоги при попадании камней на полотно.

Измерения основаны на анализе световых импульсов, отправляемых в резервное волокно линии. В зависимости от выбранного метода оценки можно измерять три эффекта: акустические сигналы или вибрации, колебания температуры и медленные изменения деформации. Один измерительный прибор — интеррогатор — охватывает около 40 км измерений в каждом направлении, то есть около 80 км волокна на устройство.

«Мы посылаем свет с определённой длиной волны в волокно и анализируем отражённый спектр. Если по пути происходит какое-либо событие, возникают нелинейные эффекты, которые проявляются как небольшие смещения длин волн или изменения интенсивности. Используя эти изменения и время прохождения сигнала, можно определить, в какой точке волокна произошла вибрация, изменение температуры или деформации. Как показали лабораторные и полевые измерения, чувствительность наших измерений находится в нанометровом диапазоне», — поясняет Вернер Линхарт, руководитель Института инженерной геодезии и измерительных систем TU Graz.

Для обнаружения события, такого как камнепад или оползень, не обязательно, чтобы оно произошло в непосредственной близости от волокна. События, происходящие в нескольких сотнях метров, также могут быть зафиксированы. Для точного позиционирования исследователи анализируют временную задержку, с которой одно и то же событие наблюдается в разных точках вдоль измерительного пути. Это позволяет триангулировать положение события, и при необходимости на месте можно проложить дополнительную измерительную линию для более пристального наблюдения.