海底传感器 MIT研发的海底传感器由来自表面的声波提供动力

MIT研发的海底传感器由来自表面的声波提供动力

为了不断收集有关海洋条件的信息，科学家已经提出一种将从海底传输数据的传感器网络。然而，更换电池可能非常具有挑战性。这就是麻省理工学院(MIT)研究团队决定设计新系统的原因。

该系统由助理教授Fadel Adib领导的团队创建，包括两个主要部分：无电池海底传感器和表面发射器/接收器。后者是电池供电的，可以放在船上，锚定的浮标或岸上。

发射器定期将声波向下发送到传感器。该波导致传感器内的压电材料振动，产生弱电流。然后，传感器利用该电流将修改后的声学信号反射回接收器 - 它类似于现有RFID(射频识别)标签工作的方式。

该信号实际上由一些声波组成，并且它们之间存在一些间隙，其中没有波被反射。因为接收器将波和间隙用1和0表示，所以传感器因此能够以二进制代码的形式传输海洋学数据。

在水箱测试中，“压电 - 声反向散射系统”已经成功地用于传输每秒3KB的准确数据，从传感器和接收器之间距离为10米(33英尺)的两个传感器中。该数据包括水温和水压。

未来传感器的互连网络也有望用于诸如研究气候变化和长时间跟踪海洋生物。这些装置甚至可以放置在其他星球上的湖泊或海洋中，提供比通过航天器偶尔访问可能进行的长期监测。

“你怎么能把一个传感器放在泰坦的水下，这个传感器在一个难以获得能量的地方长时间持续？” Adib说道。“没有电池通信的传感器为在极端环境中进行传感提供了可能性。”

加州理工用海底光纤检测到海啸信号，为海啸预警提供新的廉价方案

海啸是一种全球性灾害，由海底地质活动如地震、山崩或火山爆发引起的海水突然位移所产生的巨大波浪。

它们有时候造成的破坏极为严重，比如 2004 年印度洋海啸和 2011 年日本的福岛海啸，不仅导致超过 30 万人死亡，还引发了如核泄漏等严重后果。

因此，建立有效的海啸预警系统显得至关重要。目前，DART（Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis）系统是全球广泛使用的一种预警机制，该系统由美国国家海洋和大气管理局监管，通过一系列海底压力计和浮标组成的网络来监测潜在的海啸活动。

尽管 DART 系统非常有效，但其安装和维护成本极高，每个浮标的安装成本约为 50 万美元，加上年维护费用 30 万美元，对于一些资源有限的国家来说，这是一个巨大的负担。

在过去几十年里，电信行业已经在全球海底铺设了价值高达数千亿美元的光纤电缆网络。这些已经存在的基础设施为开发更经济高效的预警系统提供了独特的机遇。

最近十几年，通过采用尖端的光学技术和先进的计算技术，这些光纤电缆可以被转换成一个高密度的海底传感器网络。

一个关键的创新点在于利用所谓的“暗光纤”，即利用那些已经铺设但尚未用于数据传输的光纤。这种利用方式意味着光纤电缆的主要通信功能不会受到任何干扰，同时能够实现成本效益高的监测。

利用暗光纤作为传感器，可以在不增加显著成本的情况下，实现对海洋深部的连续监测。

这种方法的成本效益主要体现在充分利用了已有的通信基础设施，避免了额外的硬件投资和维护费用。

但是由于光纤传感器对于低频的信号监测能力较差，所以研究人员一直不能够用光纤传感的方法监测海啸。

基于此，目前在德国亥姆霍兹地学研究中心担任研究科学家一职的肖晗博士和合作者，提出了一种新的阵列方法，首次成功捕捉到了海啸信号，使得这种监测成为可能。

图 | 肖晗（来源：肖晗）

利用位于美国俄勒冈州沿岸的光纤电缆，他们成功检测到了来自 17000 公里外桑德威奇群岛的地震引发的海啸。

值得注意的是，这次海啸的发生地点与他们所使用的电缆和设备并没有位于同一片海洋。

当该海啸波及俄勒冈州时，其波高仅为几厘米，未造成任何明显破坏。尽管如此，他们依旧成功捕获到了它的存在。

这一成果不仅展示了光纤传感技术在监测遥远海啸活动方面的潜力，也为全球海啸预警系统提供了重要的技术支撑，证明即便是微弱的海啸信号也能被有效检测，从而为提早预警和减轻潜在损害提供了可能。

当前，海底光纤传感技术正开辟着一片新的应用领域，它不仅能够用于海啸和地震的早期预警，还能广泛应用于军事监控、船只追踪、内波测量、海洋温度监测以及气候变化的深入研究。

（来源：Geophysical Research Letters）

对于相关论文审稿人也评价称：“看到光纤传感数据能够探测到这类海洋现象，我感到非常惊讶，因为我从未想过光纤传感数据有足够的灵敏度去检测这类长周期波动现象。”

如前所述，肖晗目前在德国工作。但是这项研究完成于他在美国做博士后期间。

几年前，肖晗从美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士毕业之后，来到美国加州理工学院的地震学实验室做博士后。

那时，他想趁着没有论文发表毕业的压力，做一些之前未被探索、相对“冒险”的研究。因此，他和博后导师一拍即合，决定着手这个新课题。

起初，他们面临不少挑战，尝试了多种传统方法却屡屡碰壁，只能捕捉到一些模糊不清的信号。然而，有一晚回家的路上，肖晗忽然意识到他们并没有充分利用手头的数据。

因此他认为应该尝试新的分析方法来全面挖掘这些数据。按照这个想法，第二天他们就捕获到了明显的低频信号，一周后又发现了高频海啸信号。

起初，他们对这是否真的是海啸信号持保留态度，因为相关的研究资料十分有限。但经过仔细数值模拟后，他们确认了这确实是海啸信号。

虽然一开始他们对结果感到困惑和不确定，但在实验室同事的鼓励和支持下，他们的信心逐渐增强。

最终，相关论文以《用分布式水声传感探测地震亚重力波和海啸波》（Detection of Earthquake Infragravity and Tsunami Waves With Underwater Distributed Acoustic Sensing）为题发在 Geophysical Research Letters[1]，肖晗是第一作者兼通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Geophysical Research Letters）

目前，肖晗等人正在开发一套软件，这套软件通过利用人工智能技术，能够实时从光纤电缆中提取关键信息如海啸警报，从而为全球提供更经济、更高效的预警机制。

他希望未来不仅能够大幅降低海啸和地震预警的成本，也能为海洋环境的持续监测、海底生态系统的研究提供有力的技术支持。

此外，肖晗也正在参与一个在德国启动的、由欧盟十几个国家共同参与的大项目，该项目旨在进行为期三年的海底光纤观测研究。

这是一个规模庞大的跨国合作项目，他和同事在欧洲的多个地点布设了大量的光纤传感器。

项目的核心目标是探索海底光纤技术在实际应用中的前景，特别是在海洋观测和灾害预警领域。

而肖晗个人的研究重点在于探索如何将人工智能技术集成到自动检测算法中。

他希望通过结合海底光纤技术和先进的人工智能，开发出能够自动预警海啸、地震以及其他自然灾害的系统，从而为人们争取更多的逃生时间，确保能被及时转移到安全地带。

通过这个项目，肖晗期待能够将这一前沿科技转化为实际的应用工具，为全球的灾害预防和应对提供创新的解决方案。

参考资料：

1.Xiao, H., Spica, Z. J., Li, J., & Zhan, Z. (2024). Detection of earthquake infragravity and tsunami waves with underwater distributed acoustic sensing. Geophysical Research Letters, 51(2), e2023GL106767.

运营/排版：何晨龙

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