Sensores sísmicos sensíveis baseados em interferometria de fibra de frequência de micro-ondas em cabos implantados comercialmente

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14000 (2022) Citar este artigo

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O uso de infraestruturas de fibra para sensoriamento ambiental está atraindo interesse global, pois as fibras ópticas surgem como plataformas de baixo custo e facilmente acessíveis, exibindo uma grande implantação terrestre. Além disso, as redes de fibra óptica oferecem a vantagem única de fornecer observações de áreas submarinas, onde a escassa existência de instrumentação sísmica permanente devido ao custo e dificuldades de implantação limita a disponibilidade de informações submarinas de alta resolução sobre perigos naturais no tempo e no espaço. O uso de técnicas ópticas que aproveitam a infraestrutura de fibra pré-existente pode fornecer com eficiência uma cobertura de maior resolução e abrir caminho para a identificação da estrutura detalhada da Terra, especialmente em falhas submarinas sismogênicas. A técnica óptica predominante para uso na detecção de terremotos e análise estrutural é a detecção acústica distribuída (DAS), que oferece alta resolução espacial e sensibilidade, porém tem alcance limitado (< 100 km). Neste trabalho, apresentamos uma nova técnica que se baseia na disseminação de uma frequência de micro-ondas estável ao longo de fibras ópticas em uma configuração de malha fechada, formando assim um interferômetro sensível à deformação. Chamamos a técnica proposta de Interferômetro de Fibra de Frequência de Microondas (MFFI) e demonstramos sua sensibilidade à deformação induzida por terremotos moderados a grandes de epicentros locais ou regionais. Os sinais MFFI são comparados aos sinais registrados por acelerômetros do Observatório Nacional de Atenas, Instituto de Geodinâmica da Rede Sísmica Nacional e por um interrogador DAS disponível comercialmente operando em paralelo no mesmo local. Acordo notável em comportamento dinâmico e estimativa de taxa de deformação é alcançado e demonstrado. Assim, o MFFI surge como uma nova técnica no campo dos sismômetros de fibra, oferecendo vantagens críticas com relação ao custo de implementação, alcance máximo e simplicidade.

Imagens detalhadas da estrutura da Terra, incluindo zonas de ruptura ativas, são de suma importância para a estimativa de perigos naturais1,2,3. Embora um progresso significativo tenha sido feito em relação à investigação de propriedades sísmicas e risco de zonas de falha em áreas terrestres4,5, a estrutura de falhas submarinas sismogênicas geralmente permanece pouco restrita. Além disso, deslizamentos de terra e correntes de turbidez representam riscos geológicos significativos para a infraestrutura marinha6,7. Essas áreas geográficas de interesse não são facilmente acessíveis, muitas vezes a distâncias de centenas de quilômetros da costa. Atualmente, a única solução viável para aquisição de dados sísmicos é o uso de sismômetros de fundo oceânico, o que, no entanto, apresenta obstáculos no posicionamento e recuperação8.

Durante a última década tem havido muitos estudos demonstrando que os cabos de fibra óptica em instalações terrestres, e principalmente em instalações submarinas, podem operar como sismômetros distribuídos de alta precisão, proporcionando a possibilidade de telemetria e operação contínua. Embora as fibras ópticas tenham sido progressivamente instaladas desde o início dos anos 1980 para permitir a comunicação em banda larga em todo o mundo9,10, surpreendentemente, a sensibilidade das fibras ópticas a vibrações mecânicas as transforma em uma plataforma global potencial para a detecção e monitoramento de uma ampla gama de efeitos geofísicos e ambientais. A exploração desses sensores em todo o mundo permite aplicações significativas em sistemas de alerta precoce e também pode fornecer uma grande quantidade de dados para servir à ciência aberta em estudos geofísicos e de mudanças climáticas. No entanto, a implantação massiva também requer um método de medição óptica sensível e econômico. A técnica de detecção predominante para detectar eventos sísmicos e outros distúrbios ambientais é a detecção acústica distribuída (DAS)11,12,13,14,15. O DAS é baseado na retrodifusão de Rayleigh (RBS) da luz e pode detectar e medir vibrações ao longo da fibra nos domínios de amplitude, frequência e fase16,17,18. Os interrogadores DAS disponíveis comercialmente baseados em demodulação de fase podem oferecer resolução espacial da ordem de 1 m, cobertura de distância de até cerca de 100 km com deformação máxima e mínima detectável de poucos nanostrain e abaixo19,20. Os sistemas DAS têm sido utilizados com sucesso na detecção de terremotos e na caracterização detalhada da estrutura de falhas submarinas21,22,23, provando assim que as fibras ópticas podem fornecer visibilidade aprimorada em locais onde o acesso humano e a instalação de instrumentação especial são difíceis. Apesar de seus excelentes méritos em termos de resolução espacial e sensibilidade na medição de deformação, o DAS apresenta limitações fundamentais devido à sua dependência intrínseca do RBS. Notavelmente, a principal desvantagem do DAS é que ele é muito sensível a reflexões causadas por conexões não ideais entre diferentes segmentos de fibra em implantações instaladas e geralmente não pode operar além de distâncias de aproximadamente 50 a 100 km devido ao baixo valor da relação sinal-ruído do sinal retroespalhado20. Essa restrição torna o DAS bastante incompatível com estudos que buscam alavancar longos cabos transoceânicos para explorações oceânicas profundas. Além disso, para aumentar o alcance do DAS com o uso de amplificação distribuída, lasers fortes e codificação24, ele deve ser implantado preferencialmente em fibras escuras22, o que significa que nenhum outro canal de comunicação deve se propagar na fibra sob interrogação, o que não cumpre com os planos das operadoras de telecomunicações para implantação de 100% das fibras instaladas. Por fim, as ferramentas DAS, como produtos comerciais, são bastante caras (na ordem de 100 k$), tornando seu uso massivo em múltiplos enlaces de fibra simultaneamente ineficaz25.