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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13983 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Apresentamos um sensor de deformação ambiental de fibra óptica de longo alcance baseado em cancelamento de ruído de fase ativa (PNC) na disseminação de frequência metrológica. A detecção PNC explora gravações de uma frequência de compensação que é comumente descartada. Sem a necessidade de dispositivos de medição dedicados, opera em sincronia com os serviços metrológicos, sugerindo que as redes metrológicas existentes com fase estabilizada podem ser co-utilizadas sem esforço como sensores ambientais. A compatibilidade da detecção PNC com amplificação em linha permite a interrogação de cabos com comprimentos superiores a 1000 km, tornando-o um potencial contribuinte para a detecção de terremotos e alerta precoce nos oceanos. Usando simulações de campo de ondas de elementos espectrais que levam em conta com precisão a geometria complexa do cabo, comparamos registros observados e computados da frequência de compensação para um terremoto de magnitude 3,9 no sudeste da França e uma ligação de fibra de 123 km entre Berna e Basileia, na Suíça. A correspondência tanto na fase quanto na amplitude indica que a detecção PNC pode ser usada quantitativamente, por exemplo, na detecção e caracterização de terremotos.

Durante a última década, o Sensoriamento Acústico Distribuído (DAS) tornou-se uma tecnologia madura que oferece alta amostragem espacial e grande largura de banda de frequência da faixa de mHz a kHz1,2. Abriu assim diversas oportunidades de investigação com relevância social imediata, por exemplo, em imagens sísmicas e monitorização de estruturas e reservatórios próximos da superfície3,4,5,6,7, a deteção e caracterização da sismicidade vulcânica para potencial alerta precoce8,9, 10,11 e estudos da estrutura e dinâmica de geleiras e mantos de gelo12,13,14,15.

Em sincronia com a popularização do DAS, novas abordagens de detecção foram desenvolvidas para superar duas de suas desvantagens: o alto custo das unidades DAS e a distância máxima de interrogação de normalmente várias dezenas de quilômetros, que pode ser estendida pelo uso de repetidores, nos casos em que o cabo está acessível. Explorando a birrefringência dependente da deformação, foi demonstrado que as mudanças na polarização óptica acumuladas ao longo dos cabos de telecomunicações transoceânicos registram o movimento sísmico do solo . Num estudo anterior, foi demonstrado que as mudanças de fase óptica em sinais de laser ultraestáveis, transmitidos através de redes de metrologia ou de telecomunicações com centenas a milhares de quilómetros de comprimento, são sensíveis a uma ampla gama de sinais ambientais, incluindo terramotos . Adotando uma abordagem conceitualmente semelhante, um interferômetro de fibra de frequência de micro-ondas (MFFI) foi desenvolvido por uma fração do custo das unidades DAS comerciais19, tornando esta tecnologia atraente para aplicações ambientais e de riscos naturais em países de baixa renda. Uma comparação lado a lado entre DAS e MFFI destacou o potencial deste último para a ciência quantitativa20. Embora as tecnologias baseadas na transmissão de fase forneçam apenas medições de deformação espacialmente integradas, em vez de distribuídas, algum nível de resolução espacial pode ser alcançado através do uso de repetidores entre segmentos de fibra ou de uma análise dos sinais dependente do tempo. As tecnologias de detecção de fibra óptica baseadas na polarização ou na transmissão de fase aumentam enormemente a cobertura, especialmente nos oceanos, com benefícios óbvios para imagens sísmicas, bem como para o alerta precoce de terramotos e tsunamis. No entanto, requerem equipamento de medição dedicado18,19 e possivelmente a interrupção do serviço para o qual a fibra deveria ser utilizada principalmente18.

Aqui apresentamos uma abordagem alternativa para detecção de deformação de fibra óptica de longo alcance que é baseada no cancelamento de ruído de fase ativa (PNC). Comumente usado para estabilizar a disseminação de frequência em redes metrológicas de fibra, o PNC produz medições de mudança de fase óptica como um produto secundário que normalmente é descartado ou monitorado apenas para vigilância da saúde do sistema. Através de uma comparação com simulações de forma de onda completa de um terremoto regional, demonstramos que o PNC fornece medições quantitativas da deformação do solo sem qualquer interrupção da disseminação da frequência metrológica. Isto implica que as redes metrológicas existentes podem ser convertidas em sensores de deformação de longo alcance sem custos e esforços adicionais.