Capteurs sismiques sensibles basés sur l'interférométrie à fibre hyperfréquence dans les câbles déployés commercialement

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14000 (2022) Citer cet article

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L'utilisation d'infrastructures à fibres optiques pour la détection environnementale suscite un intérêt mondial, car les fibres optiques émergent comme des plates-formes à faible coût et facilement accessibles présentant un large déploiement terrestre. De plus, les réseaux de fibres optiques offrent l'avantage unique de fournir des observations de zones sous-marines, où la faible existence d'instruments sismiques permanents en raison du coût et des difficultés de déploiement limite la disponibilité d'informations sous-marines à haute résolution sur les risques naturels dans le temps et dans l'espace. L'utilisation de techniques optiques qui exploitent l'infrastructure de fibre préexistante peut fournir efficacement une couverture à plus haute résolution et ouvrir la voie à l'identification de la structure détaillée de la Terre, en particulier sur les failles sous-marines sismogènes. La technique optique dominante utilisée dans la détection des séismes et l'analyse structurelle est la détection acoustique distribuée (DAS) qui offre une résolution et une sensibilité spatiales élevées, mais dont la portée est limitée (< 100 km). Dans ce travail, nous présentons une nouvelle technique qui repose sur la diffusion d'une fréquence micro-onde stable le long de fibres optiques en boucle fermée, formant ainsi un interféromètre sensible à la déformation. Nous appelons la technique proposée Microwave Frequency Fiber Interferometer (MFFI) et démontrons sa sensibilité à la déformation induite par des tremblements de terre modérés à importants provenant d'épicentres locaux ou régionaux. Les signaux MFFI sont comparés aux signaux enregistrés par des accéléromètres de l'Observatoire national d'Athènes, du Réseau sismique national de l'Institut de géodynamique et par un interrogateur DAS disponible dans le commerce fonctionnant en parallèle au même endroit. Un accord remarquable dans le comportement dynamique et l'estimation du taux de déformation est atteint et démontré. Ainsi, MFFI apparaît comme une nouvelle technique dans le domaine des sismomètres à fibre offrant des avantages critiques en termes de coût de mise en œuvre, de portée maximale et de simplicité.

L'imagerie détaillée de la structure de la Terre, y compris les zones de rupture active, est d'une importance primordiale pour l'estimation des risques naturels1,2,3. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés concernant l'investigation des propriétés sismiques et de l'aléa des zones de failles dans les zones terrestres4,5, la structure des failles sous-marines sismogènes reste souvent mal contrainte. De plus, les glissements de terrain et les courants de turbidité posent des géorisques importants pour les infrastructures marines6,7. Ces zones géographiques d'intérêt ne sont pas facilement accessibles, souvent à des centaines de kilomètres du rivage. Actuellement, la seule solution viable pour l'acquisition de données sismiques est l'utilisation de sismomètres de fond océanique, ce qui pose cependant des obstacles au positionnement et à la récupération8.

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses études ont démontré que les câbles à fibres optiques dans les installations terrestres, et surtout dans les installations sous-marines, peuvent fonctionner comme des sismomètres distribués de haute précision offrant la possibilité de télémétrie et de fonctionnement continu. Bien que les fibres optiques aient été progressivement installées depuis le début des années 1980 afin de permettre la communication à large bande dans le monde entier9,10, étonnamment, la sensibilité des fibres optiques aux vibrations mécaniques les transforme en une plate-forme mondiale potentielle pour la détection et la surveillance d'un large éventail de effets géophysiques et environnementaux. L'exploitation de tels capteurs dans le monde entier permet des applications importantes dans les systèmes d'alerte précoce et pourrait également fournir une grande quantité de données au service de la science ouverte dans les études géophysiques et sur les changements climatiques. Néanmoins, un déploiement massif nécessite également une méthode de mesure optique à la fois sensible et rentable. La technique de détection dominante pour détecter les événements sismiques et autres perturbations environnementales est la détection acoustique distribuée (DAS)11,12,13,14,15. Le DAS est basé sur la rétrodiffusion Rayleigh (RBS) de la lumière et peut détecter et mesurer les vibrations le long de la fibre dans les domaines d'amplitude, de fréquence et de phase16,17,18. Les interrogateurs DAS disponibles dans le commerce basés sur la démodulation de phase peuvent offrir une résolution spatiale de l'ordre de 1 m, une couverture de distance jusqu'à environ 100 km à une contrainte détectable maximale et minimale de quelques nanosouches et inférieures19,20. Les systèmes DAS ont été utilisés avec succès dans la détection des tremblements de terre et dans la caractérisation détaillée de la structure des failles sous-marines21,22,23, prouvant ainsi que les fibres optiques peuvent fournir une meilleure visibilité dans les endroits où l'accès humain et l'installation d'instruments spéciaux sont difficiles. Malgré ses superbes mérites en termes de résolution spatiale et de sensibilité dans la mesure de la déformation, le DAS présente des limitations fondamentales en raison de sa dépendance intrinsèque au RBS. Notamment, le principal inconvénient du DAS est qu'il est très sensible aux réflexions causées par des connexions non idéales entre différents segments de fibre dans les déploiements installés et ne peut généralement pas fonctionner au-delà de distances d'environ 50 à 100 km en raison de la faible valeur du rapport signal sur bruit du signal rétrodiffusé20. Cette contrainte rend le DAS assez incompatible avec les études qui cherchent à tirer parti de longs câbles transocéaniques pour les explorations en haute mer. De plus, afin d'améliorer la portée du DAS avec l'utilisation d'une amplification distribuée, de lasers puissants et d'un codage24, il doit être déployé de préférence dans des fibres sombres22, ce qui signifie qu'aucun autre canal de communication n'est censé se propager dans la fibre sous interrogation, ce qui n'est pas conforme avec les plans des opérateurs télécoms pour un déploiement à 100% des fibres installées. Enfin, les outils DAS, en tant que produits commerciaux, sont assez chers (de l'ordre de 100 k$) ce qui rend leur utilisation massive dans plusieurs liaisons fibre simultanément peu rentable25.

En 2018, Marra et al. ont proposé l'utilisation de l'interférométrie laser comme technique innovante de détection des séismes dans les fibres optiques26. Leurs travaux ont prouvé que l'interférométrie laser ultra-stable est capable de détecter des séismes distants (distance épicentrale de 25 à 18 000 km par rapport à la liaison fibre interrogée) dans de longues liaisons fibre (75 à 500 km). Cette technique est compatible avec le multiplexage en longueur d'onde, offre des performances de sensibilité remarquables à la résolution en longueur d'onde optique et peut supporter de longues portées spatiales (> 100 km). Sa principale faiblesse est qu'il nécessite des lasers sub-Hz à faible largeur de raie qui sont coûteux - du même ordre de prix que les systèmes DAS en termes de coût - et des dispositifs complexes et assez bruyants dans la région des basses fréquences, du fait de leur sensibilité aux le bruit 1/f2 attribué à la marche aléatoire de la phase du laser27,28. Cette technique pourrait en effet émerger comme une alternative solide au DAS, à condition que les sources laser photoniques intégrées de largeur de raie ultra-faible deviennent un homologue mature des solutions en vrac dans un avenir proche29. Très récemment, Zhan et al. ont révélé la possibilité de suivre les déformations des fibres dues aux forces externes en surveillant simplement les variations de polarisation dans les liaisons transocéaniques déployées commercialement en utilisant les émetteurs-récepteurs numériques cohérents déjà installés30. Le fondement théorique de cette méthode est présenté par Mecozzi et al.31 et montre clairement la dépendance des fluctuations de polarisation sur le carré de la déformation locale. Cette détection de polarisation est une technique très élégante qui est directement prise en charge par les émetteurs-récepteurs en fonctionnement des systèmes de communication optique longue distance. Cependant, il est moins sensible que les techniques basées sur la détection de phase26 et la surveillance de l'état de polarisation est presque impossible dans les fibres terrestres "bruyantes" en raison de la forte sensibilité de la polarisation à la température et aux variations mécaniques causées principalement par l'activité humaine30.

Dans ce travail, nous présentons en détail une nouvelle technique de détection réalisant la détection d'effets géophysiques avec l'utilisation de la transmission optique sur de longues distances32. Il repose sur la diffusion de porteuses optiques modulant la fréquence hyperfréquence le long d'une liaison fibre dans une configuration en boucle fermée comme illustré à la Fig. 1, que nous appelons interféromètre à fibre hyperfréquence (MFFI). A la réception, le signal revient vers l'extrémité émettrice via la liaison en boucle fermée, et après photodétection est mélangé avec le signal hyperfréquence émis afin d'extraire les déphasages qui correspondent aux déformations de la fibre et aux variations de température (Fig. 1). Les techniques de photonique micro-ondes ont été utilisées dans des applications de détection afin de mesurer, par exemple, les variations de température33, la contrainte34 et le déplacement35. Ici, pour la première fois, une technique hyperfréquence est proposée comme plate-forme habilitante pour la sismologie à fibre optique, évaluée dans un réseau de fibre terrestre installé. La technique MFFI s'inspire des expériences difficiles de transfert de normes de fréquence micro-ondes ultra-stables sur des liaisons à fibre optique "bruyantes"36,37. A cette époque, il s'agissait de compenser le bruit de phase attribué aux variations de température et aux vibrations mécaniques affectant le support de transmission et la stabilité de la référence diffusée. Le présent travail vise à proposer une technique qui enregistre efficacement ce bruit de phase et analyse de manière transparente son comportement dynamique. L'utilisation d'une fréquence micro-onde stable au lieu d'une fréquence optique26 réduit la précision spatiale (de l'ordre du μm au lieu de nm35), mais ce processus est beaucoup plus stable - par exemple, le système est immunisé contre les effets de polarisation - et plus facile à contrôler avec des signaux rapides. vitesse de détection et faible coût. De plus, pour l'application spécifique où un interféromètre long de l'ordre de milliers de km est déployé, la pureté spectrale de la source est très importante. Les oscillateurs micro-ondes de haute pureté spectrale (stabilité de fréquence inférieure à Hz) sont des ordres de grandeur moins chers que leurs homologues laser, réduisant ainsi considérablement le coût global du mécanisme de détection (< 5 k$) et permettant son déploiement massif. La technique permet la copropagation du signal optique modulé avec d'autres longueurs d'onde de communication dans un système de transmission par multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) et présente une tolérance élevée aux pertes et aux effets de dispersion, car elle repose sur la transmission et la détection d'une fréquence micro-onde. Même pour des centaines de km de transmission, un signal à rapport signal sur bruit élevé peut être atteint à l'extrémité de réception pour la comparaison de phase. Dans ce travail, nous évaluons cette technique en utilisant des composants à faible coût prêts à l'emploi dans une liaison terrestre, souterraine, longue de 25 km (50 km dans la configuration en boucle fermée) fournie par l'Organisation hellénique des télécommunications SA (OTE) à la région de Marousi, dans les locaux de l'Académie OTE à Attika, Grèce. Le système fonctionne de manière presque transparente depuis juillet 2021 et a enregistré avec succès plusieurs tremblements de terre locaux et régionaux avec une sensibilité suffisante qui peut être considérablement améliorée si les composants critiques du système global sont optimisés dans une prochaine génération du prototype actuel. Il est également important de préciser que la technique s'est avérée efficace pour détecter les tremblements de terre dans une fibre terrestre plutôt bruyante s'étendant sur des zones densément peuplées proches du centre-ville d'Athènes. Son efficacité dans les environnements sous-marins devrait être encore plus élevée. Les séries chronologiques de MFFI sont analysées par rapport aux signaux obtenus par une station accélérométrique de l'Observatoire national d'Athènes, Institut de géodynamique (NOA), exploitée à proximité et une unité DAS fabriquée par Silixa Ltd qui utilisait la même fibre, en expériences qui ont eu lieu à Marousi de fin septembre à mi-octobre 2021. Les deux comparaisons révèlent que MFFI fournit des traces temporelles hautement corrélées avec celles capturées par l'accéléromètre et le DAS lors d'événements sismiques sélectionnés importants à partir de distances locales et régionales (> 400 km de distance épicentrale ). De plus, la comparaison entre MFFI et DAS a confirmé que MFFI estime la contrainte moyenne subie par la fibre optique comme théoriquement prévu.

La configuration expérimentale/schéma conceptuel de MFFI : Le banc d'essai expérimental a été installé à l'OTE Academy. L'émetteur se compose d'un laser à rétroaction distribuée (DFB) suivi d'un contrôleur de polarisation et d'un modulateur Mach – Zehnder d'une bande passante de 10 GHz, piloté par une tonalité de 10 GHz. Un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) est utilisé pour augmenter la puissance transmise. La lumière se propage depuis OTE Academy en suivant le chemin vers Marousi – Kifisia – Nea Kifisia – Ekali – Afidnes et vice versa (boucle fermée) entrant dans l'EDFA du récepteur à OTE Academy après environ 50 km de transmission, ce qui se traduit par 25 dB de pertes dues à des connexions inefficaces le long du lien qui ont été insérés afin d'émuler un lien plus long (125 km). Le signal reçu, après amplification optique et filtrage optique approprié avec l'utilisation d'un filtre passe-bande optique (OBPF) pour la réduction du bruit de l'amplificateur est photodétecté et mélangé avec le signal de l'émetteur afin d'extraire le bruit de phase attribué à la transmission optique. Le signal en bande de base du bruit de phase est numérisé à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique et traité par un ordinateur (voir méthodes). Les déformations des fibres dues aux événements sismiques sont imprimées sur le bruit de phase. La carte a été créée à l'aide du logiciel libre QGIS ver 3.16LTR (https://www.qgis.org/en/site/index.html).

Architecture MFFI Le schéma conceptuel du MFFI est présenté à la Fig. 1. Le laser est un laser à diode typique de 1550 nm ou 1310 nm. 1550 nm est préféré en raison de pertes plus faibles et de techniques d'amplification optique efficaces qui permettent l'extension de la portée. Le laser est modulé de manière externe comme sur la figure 1 avec un signal micro-onde de haute fréquence (≥ 10 GHz). Plus la fréquence est élevée, meilleure est la résolution de phase, comme cela sera montré, mais à mesure que la fréquence augmente, les exigences d'une électronique de haute qualité augmentent proportionnellement. La fréquence hyperfréquence superposée à la porteuse optique se déplace le long de la fibre et revient du côté émetteur à l'aide d'une deuxième fibre du même câble - une connexion en boucle est donc nécessaire à la fin du chemin. En conséquence, le signal peut être amplifié le long de la route optique en utilisant les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium déjà installés desservant les liaisons WDM. Le signal est détecté par une photodiode rapide puis est comparé à la porteuse générée localement à l'aide d'un mélangeur à micro-ondes. Cette comparaison interférométrique fournit la différence de phase entre les deux tonalités RF qui est proportionnelle au retard de propagation accumulé le long de la liaison. Les perturbations externes sur la fibre provoquent la modulation du délai de propagation en tant que résultat combiné des variations de l'indice de réfraction et de la longueur de la fibre. Ces changements sont imprimés sur les mesures de phase de notre système. La différence de phase entre l'aller-retour détecté et le signal hyperfréquence transmis est donnée par $\varphi =\frac{2\pi {f}_{RF}{n}_{g}L}{c}$ où fRF est la fréquence micro-onde de l'oscillateur, ng est l'indice de réfraction de la fibre, L est la longueur aller-retour de la fibre et c la vitesse de la lumière dans le vide (voir informations complémentaires). La phase φ est stationnaire, tant qu'il n'y a pas de perturbation mécanique ou de variation thermique le long de la fibre. Les mesures de phase peuvent être facilement transformées en déformation $\varepsilon =\frac{d\varphi }{\varphi }$, où dφ est la variation cumulée de la phase de propagation stationnaire φ de la fibre résultant d'une déformation mécanique, en taux de déformation ($\frac{d\varepsilon }{dt}$) pour comparaison en termes de propriétés spectro-temporelles à ce que sismomètres (proportionnel à $\frac{d\varepsilon }{dt}$) ou accéléromètres (proportionnel à ${d}^{2}\varepsilon /d{t}^{2}$) mesure. L'effet des variations de température en dφ est éliminé avec le post-traitement du signal (voir informations complémentaires). De l'analyse ci-dessus, nous pouvons facilement déduire que la déformation moyenne peut être directement calculée comme suit :

Le paramètre ξ est le coefficient de déformation de la fibre optique dû à l'effet photoélastique38 et vaut environ 0,78.

Dans la configuration expérimentale de la Fig. 1, la partie critique est le récepteur qui est explicitement décrit dans les Méthodes. Il convient de noter que deux amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) ont été utilisés à l'émetteur comme amplificateur et au récepteur comme préamplificateur afin d'améliorer le rapport signal sur bruit. L'émetteur et le récepteur résident à l'académie OTE et la liaison optique traverse Marousi-Kifisia-Nea Kifisia-Ekali-Afidnes et vice versa (boucle fermée) formant une liaison longue de 50 km avec des pertes totales approchant 25 dB en raison de connexions inefficaces aux points intermédiaires qui ont été intentionnellement introduits afin d'imiter une liaison longue de près de 125 km.

Le MFFI installé a été évalué comme un accéléromètre par sa comparaison avec des accéléromètres conventionnels. Nous avons utilisé des données de forme d'onde à trois composantes enregistrées à l'ATHP (Athènes-Neo Psichiko), la plus proche de la station accélérométrique à liaison optique du Réseau national accélérographique de l'Institut de géodynamique, Observatoire national d'Athènes. Nous avons collecté des enregistrements de tremblements de terre sélectionnés survenus pendant la période de test du système (de juillet 2021 à février 2022). Les emplacements épicentraux (Crète, Marousi, Ikaria, Céphalonie, Florina, Chalcidique) de divers événements sismiques sélectionnés pour l'analyse sont représentés sur la carte de la Fig. 2, (côté gauche), tandis que dans l'encart de la même figure, nous pouvons voir le sites du MFFI et de l'ATHP. La comparaison entre les données MFFI et ATHP pour tous les différents épicentres (étoiles remplies de noir sur la Fig. 2) est incluse dans les informations supplémentaires. La figure 2, à droite, compare la série chronologique d'accélération du sol à trois composantes à la station ATHP (HN désigne le taux d'échantillonnage élevé, 200 échantillons/sec pour un capteur accéléromètre à trois composantes, avec Z la composante verticale et E, N l'E– Composantes horizontales W et N – S, respectivement) par rapport à la première dérivée du taux de déformation mesuré par MFFI pour le tremblement de terre du 12 octobre 2021, ML = 6,3, en Crète. Les temps d'arrivée théoriques de Pn/Sn et Pg/Sg basés sur le modèle de vitesse ak135 sont indiqués en bleu pour référence39. Le modèle ak135 est un modèle de vitesse radiale isotrope 1D dérivé des temps de parcours empiriques dans le but de s'adapter à une large gamme de phases sismiques, telles que les phases directes, les phases diffractées, les réflexions de noyau, les réflexions de surface et les phases de noyau. En conséquence, il est très efficace et il est largement utilisé pour la localisation d'événements mondiaux et les associations de phases. Il convient de noter que, compte tenu de la faible profondeur du tremblement de terre de Crète Mw = 6,3 (7,6 km), les phases sismiques Pn / Sn représentent respectivement les phases d'onde primaire (P) et d'onde secondaire (S), atteignant le fond du manteau supérieur, tandis que Pg/Sg sont des ondes P et S descendant sur la croûte supérieure40. Les données sont filtrées par passe-bande de 0,1 Hz à 1,0 Hz et les séries temporelles MFFI sont normalisées en amplitude de manière à transformer la dérivée du taux de déformation en accélération. Bien qu'une conversion précise de la déformation en mouvement du sol soit réalisable si la vitesse de phase apparente de l'onde est connue, dans ce travail, par souci de simplicité, nous appliquons un facteur d'échelle qui normalise les deux sources de données par rapport à leur puissance moyenne. Un accord entre les données de mouvement fort et les apparitions de MFFI P et S est observé, en particulier sur les composantes horizontales. Notamment, les deux signaux semblent être en phase et les critères d'identification de phase P/S (différence d'amplitude et de fréquence dans les deux composantes horizontales) semblent également valables pour le signal MFFI, ce qui révèle le potentiel de MFFI à constituer un nouvel outil. pour la sélection/reconnaissance de l'heure d'arrivée des ondes corporelles qui pourraient être intégrées dans les systèmes d'alerte précoce.

Comparaison MFFI à l'accéléromètre ATHP. (À gauche) Une carte de la Grèce montrant dans une boîte rouge l'emplacement du système MFFI et de la station accélérométrique ATHP (l'encart agrandit la zone contenue dans le cadre rectangulaire) et les épicentres avec des étoiles noires des tremblements de terre sélectionnés pour analyse dans la présente étude. (À droite) Comparaison des séries temporelles collectées par le MFFI et l'ATHP concernant le séisme survenu à l'est de l'île de Crète (12 octobre 2021, 09:24:03 UTC, Crète (ML = 6,3)). Les heures d'arrivée théoriques Pg/Sg, Pn/Sn sont indiquées par des lignes pointillées bleues à titre de référence. La carte de gauche a été créée à l'aide du logiciel ouvert GMT ver 5.4 (https://www.generic-mapping-tools.org/).

Sur la Fig. 3, les spectrogrammes non filtrés pour le même événement sont représentés (densité de puissance en dB/Hz). Les spectrogrammes comparent la composante HNE des enregistrements d'accélération du sol à la station ATHP à la dérivée de la série chronologique de taux de déformation capturée par MFFI pour le tremblement de terre du 12 octobre 2021, ML = 6,3, en Crète. Une augmentation substantielle de l'énergie observée de 0,1 Hz à 3 Hz coïncide avec les temps d'arrivée des ondes P et S, excitées par le tremblement de terre de Crète. Notamment, la première arrivée d'onde P à la station ATHP est observée à 09:25:02 UTC, tandis que la première arrivée S est observée environ 50 s plus tard. Ceci est évident sur la Fig. 3, où les composants horizontaux HNE montrent des niveaux d'énergie de pointe, inférieurs à 0,5 Hz, seulement après 09:26:00 UTC environ. Au-delà de 09:27:00 UTC, les arrivées d'ondes corporelles à haute fréquence se sont considérablement atténuées, tandis que les ondes de surface ayant des périodes plus longues (10 à 20 s) dominent les sismogrammes. Des caractéristiques similaires sont observées sur le spectrogramme produit sur la base des séries chronologiques MFFI, néanmoins, le rapport signal sur bruit est nettement inférieur à celui des données de mouvement fort. Le niveau très élevé de bruit de fréquence supérieur à 5 Hz sur toute la plage temporelle est dû à notre choix de démontrer l'efficacité du système en s'appuyant uniquement sur des composants à faible coût et à l'augmentation du bruit caractérisant les liaisons terrestres du fait de l'activité humaine. Ce bruit est amplifié à des fréquences plus élevées (> 5 Hz) sous l'effet d'une différenciation de second ordre. Des techniques pour une optimisation supplémentaire du système sont décrites dans des méthodes.

Spectrogrammes : Le spectrogramme généré par les séries temporelles MFFI (première dérivée de la vitesse de déformation) est comparé au spectrogramme des composantes ΗΝΕ des enregistrements d'accélération de l'ATHP. Des dynamiques similaires sont déduites, malgré le bruit élevé altérant les composantes spectrales MFFI au-dessus de 5 Hz, attribué aux solutions à faible coût employées et le bruit élevé altérant la liaison terrestre.

De fin septembre à mi-octobre 2021, nous avons eu l'occasion de comparer MFFI avec un interrogateur iDAS disponible dans le commerce produit par Silixa ltd. Les deux systèmes fonctionnaient simultanément sur le même chemin de fibre depuis trois semaines. Pour cette expérience, nous avons utilisé une résolution spatiale de 2 m, une longueur de jauge de 10 m et une fréquence d'enregistrement de 400 Hz en DAS. Pour ces paramètres, la portée maximale de l'iDAS était proche de 25 km pour le lien spécifique caractérisé par des pertes excédentaires. Nous avons effectué la comparaison entre DAS et MFFI en nous appuyant sur les données du séisme de Crète (12 octobre 2021, ML = 6,3 séisme de Crète). Sur la figure 4a, nous voyons des données produites par DAS qui décrivent le taux de déformation en fonction du temps et de l'emplacement dans la fibre avec une résolution spatiale de 2 m. La manifestation du séisme sur l'évolution du taux de déformation est évidente. Ce qu'il est important d'observer, c'est que le taux de déformation n'est pas enregistré de manière uniforme le long du lien. Au contraire, certaines parties de la fibre présentent un taux de déformation plus élevé que d'autres. Afin de comparer les deux systèmes, nous avons calculé le taux de déformation moyen de tous les capteurs locaux (canaux) enregistrés par DAS avec une séparation spatiale de 2 m (voir Fig. 4a) (voir méthodes). Étant donné que la résolution spatiale et la longueur de jauge sont plus courtes que la longueur d'onde de l'onde sismique, cela nous permet d'ignorer leurs effets et d'approximer l'intégrale le long de la fibre par une simple somme. Le taux de déformation MFFI et le taux de déformation moyen DAS sont représentés sur la figure 4b après filtrage des signaux de 0, 1 à 1, 5 Hz. Il devient évident que la mesure de MFFI coïncide avec la contrainte moyenne subie par la liaison par fibre optique comme prévu selon l'Eq. (1). Les deux signaux ont des amplitudes légèrement différentes car le signal MFFI est plus sensible au bruit principalement lié aux performances du convertisseur analogique-numérique (ADC) (voir informations supplémentaires). Par conséquent, la technique MFFI fournit des mesures de taux de déformation à moyenne spatiale qui sont également fournies par un système DAS de haute maturité disponible dans le commerce.

Comparaison MFFI à l'interrogateur DAS. (a) Enregistrements DAS correspondant au tremblement de terre survenu à l'est de l'île de Crète [12 octobre 2021, 09:24:03 UTC, Crète (ML = 6,3)], (b) Taux de déformation MFFI par rapport à la déformation DAS moyenne sur la dimension spatiale . L'accord dans l'estimation du taux de déformation entre les deux systèmes est évident.

MFFI a été étalonné avec succès dans des conditions réelles et il s'est avéré capable de détecter une grande variété d'événements sismiques avec des distances d'épicentre allant de quelques km (Marousi ML = 2,8) à quelques centaines de km (Crete ML = 6,3). Les tests exhaustifs de MFFI dans un réseau déployé commercialement qui réside dans une zone densément peuplée d'Athènes ont fourni des limites réalistes à ses performances. La sensibilité du système dépend du rapport signal optique sur bruit (OSNR) du signal reçu (OSNR = 43 dB dans notre configuration), de la fréquence RF, de la stabilité de l'émetteur, de la résolution de l'ADC ainsi que de l'électronique bruit côté récepteur. Il est également dépendant du bruit de liaison qui est une superposition des fluctuations de température et du bruit acoustique provoqué par l'activité humaine (circulation automobile, construction, métro, etc.). Malgré le fait que la liaison terrestre est acheminée à proximité des autoroutes et dans des zones densément peuplées avec une profondeur de la surface variant de 40 cm à 2,5 m, le MFFI s'est avéré très robuste et sélectif dans l'identification des événements sismiques qui sont pollués par le bruit de liaison (voir informations supplémentaires sur le bruit de liaison). Son efficacité dans des environnements sous-marins sans bruit devrait être d'un ordre de grandeur supérieur, comme cela a été prouvé pour des techniques équivalentes26. Dans la présente mise en œuvre qui utilise des composants électroniques standard à faible coût, la sensibilité est principalement limitée par le bruit de quantification ADC et est estimée à 0,62 mrad. Le coût global d'un dispositif optoélectronique enfichable fonctionnant comme MFFI dans une longueur d'onde distincte dans un système de transmission longue distance, réutilisant ainsi toutes les ressources de liaison telles que les amplificateurs optiques en ligne, est estimé à moins de 1 k$, ce qui est presque deux ordres de grandeur inférieur à celui des systèmes DAS disponibles dans le commerce. Les effets de dispersion chromatique pourraient constituer une barrière à grande distance (> 200 km) en raison des effets d'évanouissement de puissance qui peuvent cependant être atténués par diverses techniques (voir également les informations complémentaires)42,43,44. Une amélioration supplémentaire pourrait être obtenue en augmentant la fréquence de modulation RF et en utilisant un ADC à plus haute résolution pour réduire le bruit de quantification. L'augmentation de la fréquence de modulation RF peut être obtenue en utilisant la suppression de porteuse44 ou la génération d'harmoniques d'ordre supérieur au moyen d'une modulation optique45. Notre implémentation qui repose sur des composants standard à faible coût peut détecter des variations de chemin optique de l'ordre de ΔL ~ 2,5 μm. Nous envisageons que cela puisse être réduit de plus d'un ordre de grandeur avec l'utilisation d'un CAN haute performance (résolution 24 bits, taux d'échantillonnage de 1 kHz) et d'un facteur quatre si la fréquence micro-onde est augmentée à 40 GHz. Des innovations de pointe dans la photonique micro-onde intégrée46,47 pourraient potentiellement permettre la préparation de porteurs d'ondes millimétriques spectralement purs approchant 100 GHz, qui peuvent être détectés à l'aide de photodétecteurs 100 GHz haute performance48,49. Ainsi, en gardant à l'esprit que des composants 100 GHz seront bientôt disponibles pour les applications télécoms, les prototypes MFFI pourraient potentiellement offrir une sensibilité à des niveaux sans précédent. Même avec l'utilisation de composants optoélectroniques 10–20 GHz prêts à l'emploi et matures, une sensibilité satisfaisante peut être atteinte à faible coût et en temps réel, ce qui est d'une grande importance pour le développement de systèmes d'alerte précoce. Au contraire, les techniques reposant sur l'extraction d'événements liés aux effets environnementaux en traitant l'énorme quantité de données offertes par les récepteurs numériques cohérents30,50 fonctionnant dans l'échelle de temps multi GSa/sec nécessitent une puissance de traitement inégalée pour offrir une identification en temps réel des événements critiques tels que comme les tsunamis, les tremblements de terre, etc. Une production massive de prototypes MFFI hautes performances offrant une détection d'événements en temps réel à un coût minimal pourrait être réalisée, ouvrant ainsi la voie à l'installation à moyen terme d'outils MFFI dans presque toutes les liaisons fibre d'intérêt dans le monde. Ainsi, nos résultats dans une fibre plutôt bruyante située dans une zone encombrée prouvent que MFFI pourrait émerger comme une technologie clé pour l'évolution généralisée de la sismologie de la fibre optique. Le MFFI peut également offrir la possibilité d'une meilleure localisation des déformations des fibres et être converti en extensomètres distribués. La solution la plus simple consiste à utiliser deux systèmes MFFI positionnés aux deux extrémités du lien. En croisant leurs traces temporelles correspondant à des ondes contre-propagatives sur une base périodique, on peut localiser les perturbations de la liaison26,51. La résolution spatiale dépend du temps d'intégration et du taux d'échantillonnage de chaque côté51 et peut être de l'ordre de centaines de mètres ou même moins, ce qui est adéquat pour la détection des tremblements de terre car les longueurs d'onde liées aux tremblements de terre sont de l'ordre de plusieurs centaines de mètres ou plusieurs kilomètres. Au-delà de cette approche simple, l'analyse de la mécanique du continuum de la relation entre les changements de phase optique et le tenseur de déformation révèle que la sensibilité d'un segment de fibre à la déformation est proportionnelle à la courbure locale de la fibre52. Cela implique que des segments fortement incurvés, tels que des boucles serrées, agissent efficacement comme des capteurs individuels qui contribuent à de grandes mesures de phase $\varphi (t)$ à des moments distincts lorsqu'un front d'onde atteint le segment. Par conséquent, une analyse en fonction du temps de $\varphi (t)$ peut efficacement imiter un système distribué de segments de fibres fortement incurvés53. Ceci, à son tour, ouvre de nouvelles perspectives pour la tomographie sismique et la localisation des tremblements de terre dans les régions éloignées où les réseaux denses de sismomètres conventionnels ne sont pas disponibles et peuvent convertir un seul interrogateur MFFI en un moteur de mesure distribué.

À l'extrémité de l'émetteur, un laser à rétroaction distribuée (DFB) est connecté à un contrôleur de polarisation et à un modulateur LiNbO3 qui imprime la porteuse micro-onde 10 GHz sur la porteuse optique. Le contrôleur de polarisation est utilisé afin de maximiser la profondeur de modulation optique en sortie du modulateur. Une combinaison d'un laser DFB avec un modulateur à électro-absorption intégré pourrait fournir une plus grande stabilité du système de transmission, un coût d'émetteur-récepteur beaucoup plus faible et doit être envisagée dans les futures implémentations. Le signal est amplifié jusqu'à 6 dBm à l'aide d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) (Amonics, AEDFA-23-B-FA) et lancé dans la liaison de 50 km de long. Pour un tel niveau de puissance optique, les non-linéarités de la fibre ne sont pas déclenchées. Le signal arrivant à Afidnes est rebouclé et se propage dans une fibre distincte du même faisceau pour entrer dans le récepteur. Dans un réseau WDM déployé commercialement, une connexion en boucle peut être effectuée sans perturber les canaux de co-propagation grâce à l'utilisation de démultiplexeurs et multiplexeurs WDM. Côté récepteur, le signal optique propagé est amplifié par un deuxième EDFA (Amonics, AEDFA-23-B-FA), puis filtré avec un OBPF de 0,5 nm de bande passante pour la réduction du bruit hors bande et enfin détecté par un 10 Photodiode à bande passante GHz. Le signal électrique résultant est envoyé au port RF d'un mélangeur à micro-ondes. Le port LO du mélangeur est piloté par une réplique à phase contrôlée du signal 10 GHz qui est utilisé pour la modulation du signal de l'émetteur. Le contrôle de phase est effectué par un déphaseur hyperfréquence HMC642ALC5 avec une résolution de 6 bits (5,625°) et garantit que la différence de phase entre le signal au port LO et le signal reçu reste autour de π/2 pour assurer une pente maximale ΔV/Δφ où ΔV correspond à la variation de tension provoquée par une variation de phase Δφ. Cela améliore la sensibilité et empêche l'écrêtage du signal après l'amplification CC qui suit. La sortie du mélangeur est envoyée à un amplificateur couplé CC à bande passante de 50 Hz et 30 dB qui supprime les hautes fréquences du signal et ajuste son niveau de tension CC pour l'ADC. L'échantillonnage est effectué à une fréquence de 100 Hz au moyen du convertisseur analogique-numérique (ADC) 10 bits intégré d'un microcontrôleur à faible coût (Arduino Uno), qui transfère les données collectées sur le port série d'un ordinateur. Intentionnellement, nous avons utilisé un tel système à faible coût lors du traitement final afin d'acquérir le contrôle à distance du bloc final de manière simple et d'évaluer les performances du MFFI avec une électronique à très faible coût et en temps réel, une fonctionnalité qui ne peut pas être directement fournies par d'autres techniques de détection optique26,30. Outre l'échantillonnage, le microcontrôleur est également responsable du contrôle du déphaseur. Le signal enregistré est proportionnel au déphasage φ accumulé lors de la propagation dans la fibre et porte la signature des variations thermiques et des vibrations mécaniques qui perturbent la fibre optique (voir informations complémentaires). Le signal enregistré est ensuite traité numériquement pour rejeter à la fois le bruit à haute fréquence et les effets thermiques à très basse fréquence et finalement converti en déformation et taux de déformation sur la base de (1).

L'oscillateur RF est basé sur la boucle à verrouillage de phase fractionnaire N HMC769 (PLL) avec VCO intégré à 9,05—10,15 GHz. La fréquence de l'oscillateur est réglée sur exactement 10 GHz avec une fréquence de référence de 50 MHz et la bande passante de la boucle est réglée sur 100 kHz. De cette manière, la PLL est configurée comme un synthétiseur de fréquence entier –N, évitant les produits parasites fractionnaires qui pourraient altérer le bruit de phase du trajet aller-retour. En tenant compte du fait que le temps aller-retour est de 50 km/2 × 108 = 0,25 ms, la largeur de bande de la boucle de fibre est de 4 kHz et dans cette largeur de bande, le bruit de phase induit par l'oscillateur du signal hyperfréquence transmis et reçu est corrélé et donc rejeté. Nous pouvons estimer que la contribution de l'oscillateur au bruit de phase total non corrélé du système est de l'ordre de -110 dBc/Hz pour la gamme de fréquences 4–100 kHz, bien en dehors de la gamme de fréquences d'intérêt pour la détection des tremblements de terre. Si l'on veut étendre la portée à des centaines de km, la fréquence inférieure du bruit non corrélé de l'oscillateur doit être réduite et tomber dans la bande de fréquences d'intérêt, de sorte que des oscillateurs micro-ondes à pureté spectrale plus élevée doivent être utilisés à un coût raisonnable.

Nous avons utilisé des données de forme d'onde à trois composantes enregistrées à la station accélérométrique ATHP (Athènes-Neo Psichiko), la plus proche de la liaison optique fournie par OTE. La station appartient au Réseau Accélérographique National de l'Institut de Géodynamique, Observatoire National d'Athènes (HL, Observatoire National d'Athènes, 1997)54. La station est installée au sous-sol d'un bâtiment privé de trois étages, construit en béton armé, fondé sur du grès altéré, et il est équipé d'un accéléromètre Güralp CMG-5TDE, composé d'un capteur d'accéléromètre à large bande à retour de force, ainsi que avec un numériseur 24 bits télémesuré en temps réel au centre d'enregistrement de la sismicité NOA à Thissio, Athènes. Le capteur est orienté à N20°E lors de l'installation, ce qui rend la composante NS parallèle à la direction principale de la liaison optique, et la composante EW perpendiculaire à celle-ci. L'instrument affiche une plage dynamique de plus de 130 dB et une réponse plate du courant continu jusqu'à 100 Hz (taux d'échantillonnage à 200 Hz), ce qui le rend idéal pour l'enregistrement et l'étude des tremblements de terre forts aux distances épicentrales locales et régionales.

La plupart des interrogateurs DAS mesurent les changements de phase optique et les transforment en déformation. D'après la littérature20,31, la relation entre la déformation et les changements de phase est la suivante :

où ng est l'indice de réfraction, L est la longueur (double transit de la longueur de jauge lorsque DAS est le déformateur), ξ est un facteur d'échelle dû à l'effet photo-élastique, λ est la longueur d'onde de la lumière dans l'espace libre (1550 nm dans notre cas). La longueur de jauge dans les interrogateurs DAS typiques est de l'ordre de quelques mètres. Par conséquent, la déformation est indirectement mesurée par l'équation

où G est la longueur entre repères utilisée par le système DAS. La valeur minimale de dφ qui peut être mesurée détermine la sensibilité à la déformation du système. Le MFFI mesure le changement de phase global subi par une porteuse sinusoïdale superposée à une porteuse optique sur toute la liaison. Par conséquent, le changement de phase que nous mesurons est

En tenant compte de l'effet photo-élastique ici également, les changements de phase subis par la fréquence micro-onde causés par diverses perturbations externes et leur relation avec la déformation peuvent être fournis par l'équation suivante

Par conséquent, la déformation est calculée comme suit :

Le MFFI mesure la déformation globale le long de la fibre, il pourrait donc être comparé au DAS si nous faisons la moyenne de toutes les composantes de déformation mesurées à tous les emplacements spatiaux de la mesure distribuée DAS (intégration de (3) sur toutes les données distribuées et division par le nombre de canaux spatiaux) . Cette procédure a été suivie et la série chronologique résultante est représentée sur la figure 4b, qui a prouvé l'exactitude de l'approche.

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles sur : https://pithos.okeanos.grnet.gr/public/lBVM2xRXA86Ca8fL5GkD44.

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Tous les auteurs tiennent à remercier Christina Lessi, Dimitris Polydorou, Diomidis Skalistis et Petros Vouddas de l'OTE pour leurs efforts dans la mise en place des liens qui ont été utilisés dans cette expérience. Nous tenons également à remercier Athena Chalari et Maria Koroni pour leur aide dans la configuration d'iDAS. En outre, nous tenons à remercier le laboratoire de photonique et de télécommunications du département d'informatique et de télématique de l'Université Harokopio d'Athènes (Prof. T. Kamalakis), le laboratoire de communications optiques (Prof. D. Syvridis) de l'Université nationale et kapodistrienne d'Athènes et le Laboratoire de recherche sur les communications photoniques (Prof. H. Avramopoulos) de l'Université technique nationale d'Athènes pour la fourniture d'équipements critiques (EDFA, PD).

Département d'informatique et de génie informatique, Université de l'Attique occidentale, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Grèce

Adonis Bogris

Département d'informatique et de télécommunications, Université nationale et kapodistrienne d'Athènes, 15784, Athènes, Grèce

Thomas Nick

Laboratoire d'électronique et de photonique, Département de physique, Université de Thessalie, 35100, Lamia, Grèce

Christos Simos

Département de génie électrique et électronique, Université de l'Attique occidentale, Aghiou Spiridonos, 12243, Egaleo, Grèce

Iraklis Simos

Observatoire national d'Athènes, Institut de géodynamique, Athènes, Grèce

Constantine Slow & Νicolaos S. Melis

Département des sciences de la Terre, ETH Zurich, Zurich, Suisse

Andreas Fichtner, Daniel Bowden et Krystyna Smolinski

Dept. Information and Communication Systems Engineering, Engineering School, University of the Aegean, Palama 2, 83200, Samos, Grèce

Charis Mesaritakis

Hellenic Telecommunications Organization SA (OTE), 1, Pelika & Spartis, Maroussi, Athènes, Grèce

Ioannis Chochliouros

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AB et TN ont conçu l'idée initiale, AB a également écrit le projet initial. TN, CS, IS, CM et IC ont mis en œuvre le dispositif expérimental et entrepris son suivi au jour le jour qui a abouti à son optimisation. KL et NSM ont effectué le traitement du signal et la comparaison de MFFI et DAS avec les données de l'accéléromètre de la station ATHP. AF, DB et KS ont effectué le traitement du signal afin de comparer DAS à MFFI. Tous les auteurs ont contribué à l'édition finale du document et ont fourni des points de vue critiques dans la partie discussion.

Correspondance à Adonis Bogris.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Bogris, A., Nikas, T., Simos, C. et al. Capteurs sismiques sensibles basés sur l'interférométrie à fibre hyperfréquence dans les câbles déployés commercialement. Sci Rep 12, 14000 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

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Reçu : 13 mai 2022

Accepté : 05 août 2022

Publié: 17 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18130-x

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