Оптические кабели на службе у сейсмологов: технология DAS
С давних времён для передачи информации используется свет. Раньше всего стали применять сигнальные костры на высоких местах. Позднее этот способ развился в отдельную систему с постоянными служащими, запасом дров и других горючих материалов. С IV века до н. э. в пустыне Гоби строили башни, с помощью которых поддерживалась сложная система оповещения световыми сигналами — кострами ночью и дымом днём. Костры зажигали на вершинах башен, сигнал передавался с башни на башню.
Другой пример — гелиограф — устройство для передачи информации на расстояние с помощью световых вспышек. Первое упоминание об этом приборе относится к Марафонской битве между греками и персами в 490 году до н. э. Но переданный сигнал не был понят, так как его значение не было заранее чётко определено.
Использование света для измерений геометрических величин стало возможным с появлением оптической интерферометрии. Первым примером можно считать кольца Ньютона, описанные им в 1675 году. С помощью колец Ньютона до сих пор измеряют отклонения формы оптических деталей. Отклонение кривизны поверхности выражают числом интерференционных колец, возникающих благодаря зазору с пробным стеклом.
Кольца Ньютона. Интерференционная картина возникает при отражении света от двух соприкасающихся поверхностей почти одинаковой геометрии, например двух плоских пластин. Световые волны, отражённые от каждой поверхности, интерферируют между собой. Интерференционная картина состоит из тёмного пятна, в месте соприкосновения поверхностей, и чередующихся светлых и тёмных концентрических колец.
В 1881 году Александр Белл продемонстрировал изобретённый им фотофон. В нём солнечный луч модулируется с помощью зеркала, вибрирующего под влиянием человеческого голоса. Материал приёмника (селеновые ячейки) изменяет электропроводимость под действием световых лучей, то есть преобразует сигнал в электрический и его можно прослушать с помощью динамика.
Крупнейшими шагами в использовании света для передачи информации стали изобретения лазера и оптического волокна. С помощью лазерных импульсов информацию можно эффективно передавать по оптоволокну с огромной скоростью на большие расстояния. Однако есть и другие сферы его применения. На основе оптических волокон производят различные измерительные приборы, используемые, в том числе, и для геофизики. Это оптоволоконные гироскопы, акселерометры и сейсмометры, волоконно-оптические гидрофоны и другие датчики.
Чуть более десяти лет назад появилось ещё одно очень интересное применение оптических волокон — в качестве линейного набора сейсмических приборов. Эта технология получила название «распределённое акустическое зондирование» — Distributed Acoustic Sensing — DAS (см. табл. 1). С нашей точки зрения, термин этот не очень удачный, но он прочно вошёл в практику. С помощью DAS можно измерять растяжение/ сжатие в оптоволоконном кабеле, то есть фиксировать сейсмический сигнал. Основаны эти измерения на процессах рассеяния света в оптических волокнах. Материал оптического волокна имеет неоднородности. При прохождении импульса света каждый участок волокна во все стороны рассеивает часть света. Свет, рассеянный в обратном направлении, может быть записан в начале кабеля. При этом каждому участку записи соответствует свой участок волокна, так как от разных участков рассеянный свет возвращается в начало в разное время. Если при прохождении следующего импульса обратное рассеяние на этом участке изменяется, значит, оптоволоконный кабель подвергается какому-то воздействию. Характеристики рассеяния могут изменять деформация, температура, магнитное поле, электрическое поле, акустические поля, вращение, влажность и другие эффекты. Проанализировав направленную обратно часть света, можно оценить и измерить эти воздействия. То есть в данном случае оптическое волокно используется как для передачи информации, так и в качестве набора виртуальных датчиков.
Сейчас технология DAS коммерчески освоена в таких областях, как мониторинг строительных конструкций, дамб и насыпей, склонов и оползней, проседаний грунта и трещин, а также в охранных системах. Всё активнее DAS применяется в геофизических приложениях. Чем же обусловлено столь стремительное развитие этой технологии и чего от неё ждать в дальнейшем? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим подробнее, что такое DAS.
Деформация, температура и ослабление света в оптоволокне
Два главных элемента оптоволокна — это сердцевина и оптическая оболочка. Обычно они изготовляются из кварцевого стекла, однако применяются и различные виды пластика.
Проще всего прохождение света по оптоволокну описывать в терминах геометрической оптики. Лучи света, входящие в сердцевину в пределах определённого угла, испытывают полное внутреннее отражение в волокне и, в первом приближении, без изменений проходят его до конца. Однако на самом деле изменения происходят: импульс света ослабляется, искажается и растягивается. При распределённых измерениях, чтобы избежать перекрытия сигналов от соседних импульсов, период их следования должен быть больше времени пролёта импульса до конца рабочей длины волокна и возврата рассеянного света в начальную точку.
Для распределённых измерений используется та часть рассеянного света, которая направлена обратно к источнику. (Напомним, что рассеяние света — это усвоение некоторой доли энергии электромагнитной волны и дальнейшее её излучение.) Важно, чтобы на одинаковых участках волокна было примерно равное число источников рассеяния.
Оптическая рефлектометрия, то есть измерение отражения и обратного рассеяния в оптоволокне, была создана для контроля оптических кабелей. С помощью рефлектометра можно надёжно исследовать параметры волокна, его дефекты, стыки, обрывы, повреждения и прочие неоднородности, определить их местонахождение. Если место в кабеле, дающее сильный обратный сигнал, подвергнется растяжению или сжатию, это будет заметно на рефлектограмме. Однако это ещё не распределённое, а точечное измерение. В сейсмологических приложениях используются гораздо более слабые компоненты сигнала, которые есть в любой части рефлектограммы.
Как же по рефлектограмме определить параметры движения грунта, в данном случае его деформацию или скорость деформации, которая как раз и интересуют сейсмологов? Для измерений используются эффекты ослабления света, которые происходят равномерно по всему объёму волокна и чувствительны к его осевой деформации. Чаще всего используется рассеяние Рэлея