水災學是一門數據驅動的科學量子通訊陣列,其重大進步往往始于我們觀測能力的增強。水災檢測為幾乎所有水災學分支提供重要觀測資料,構成了整個觀測余震學的基礎。水災檢測的最基本方式是從連續的水災波形中提取基本的水災信息(時間、位置和震級),因而形成水災目錄。在過去六年中,新的水災檢測軟硬件技術層出不窮,其中硬件方面包括節點水災儀、分布式光纖等,軟件方面包括模板辨識、人工智能等。這種技術極大地增強了我們對小余震的檢測能力,對當代水災檢測方式形成了革命性的影響。
中國科學技術學院月球和空間科學大學李澤峰研究員在中文刊物上發表了論文inI:of(《地震檢測的技術改革I:水災儀器的持續改革》)。本文是針對水災檢測軟硬件進展兩篇綜述文章中的第一篇,注重對硬件方面的發展進行梳理,以期給讀者一個概覽式的了解。
近六年來,低成本大規模密集水災陣列舉現了革命性的進展,節點臺陣,MEMS傳感,分布式光纖是其中的典型代表。
圖1基于節點(node)、微電機械系統(MEMS)、分布式光纖(DAS)的大規模密集水災陣列。(a)日本蘇梅地區節點陣列,約5200個節點;(b)中國大陸地區P-Alert水災預警臺網,超過700個MEMS;(c)日本亞利桑那地區分布式光纖陣列,8720個通道。
節點水災儀(node)將濾波器、電池、存儲等集成到一個獨立單元,大大便捷了布設。2011年日本蘇梅地區5200節點陣列在獲取地下高幀率結構和余震監測上取得成功,極大推動了節點臺網在水災學研究的普及。但節點水災儀在電瓶和數據儲存方面存在限制量子通訊陣列,因而適宜作為流動臺網。而更低成本的微電機械系統(MEMS),在水災預警方面得到關注和使用,包括加拿大加洲地區的系統和中國大陸地區的P-Alert系統,而且MEMS靈敏度不足,在微震檢測的好處有限。
從2017年以來,分布式光纖傳感器(DAS)作為一種迅速獲得密集陣列的嶄新技術步入天然水災學。它可以通過終端聯接外部電源和儲存,實現實時運行,因而突顯出成為下一代永久檢測臺網的潛力。尤其在現代城市已具有充足的通信光纖網路,DAS可以在城市迅速構建一個兗州度檢測臺網。
圖2基于城市通信網路的分布式光纖陣列記錄到2019M7.1加洲水災的一個M3.9地震波場,顯示了大量波場細節。
另外,DAS提供了一種相比于海底水災儀更便捷、密度更高的觀測技術,有望彌補水災學常年在海底環境的觀測空白。隨著對DAS數據認識的提升和譯碼設備的升級,光纖技術將有可能對觀測余震學形成深遠的影響。
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:LiZF(2021).inI:of.Sci34(2):177–188,doi:10.29382/eqs-2021-0011.