研究人員可以用一束激光來照射光纖，通過計(jì)算散射光傳播所需的時(shí)間來測(cè)量不同長(zhǎng)度光纜的振動(dòng)
北京時(shí)間7月1日消息，汽車和行人所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使地下線纜產(chǎn)生獨(dú)特的信號(hào)�，F(xiàn)在，科學(xué)家利用這一特性展示了新冠疫情對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憽?/P>
2020年春天，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的主校園區(qū)（稱為“州學(xué)院”，行政級(jí)別為自治鎮(zhèn)）因?yàn)榉獬嵌萑爰澎o，但與此同時(shí)，一個(gè)臨時(shí)配備的儀器正“聆聽”著地下的動(dòng)靜。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將該儀器接入了一條長(zhǎng)達(dá)4公里、貫穿校園的地下電信光纜，將其變成了一種科學(xué)監(jiān)控設(shè)備。
通過向光纖發(fā)射激光，科學(xué)家可以探測(cè)到地面上的振動(dòng)，這是由于振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光纜發(fā)生輕微變形。當(dāng)有汽車駛過，或者有人走過地下光纜上方時(shí)，地面會(huì)將這些獨(dú)特的地震信號(hào)傳遞給光纜。因此，在沒有對(duì)地面進(jìn)行影像監(jiān)控的情況下，科學(xué)家可以通過這種方法詳細(xì)描繪出一個(gè)曾經(jīng)繁華的社區(qū)是如何陷入停滯，又如何隨著封鎖的放松而慢慢恢復(fù)生機(jī)。
通過對(duì)這些地震信號(hào)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在封鎖開始后的4月份，校園里的人流量幾乎減少為0，并一直持續(xù)到6月份。相比之下，車流量在最初的下降之后出現(xiàn)了回升�！澳憧梢钥吹�，與平時(shí)相比，行人少了很多，但車流量幾乎已經(jīng)恢復(fù)正常，”研究第一作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的地震學(xué)家朱鐵源說，“這條光纜確實(shí)可以分辨這種細(xì)微的信號(hào)。”他們的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《地震記錄》（The Seismic Record）雜志上。
更確切地說，光纜可以記錄不同頻率的振動(dòng)信號(hào)。人的腳步產(chǎn)生的振動(dòng)頻率在1到5赫茲之間，而汽車行駛產(chǎn)生的振動(dòng)頻率接近40或50赫茲。工程機(jī)械的振動(dòng)會(huì)超過100赫茲。
光纜的工作原理是完美地捕獲光脈沖，將其作為信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。但是，當(dāng)一輛汽車或一個(gè)人從光纜上方經(jīng)過時(shí)，振動(dòng)就會(huì)帶來干擾（或者說“缺陷”），即會(huì)有少量的光散射回光源。由于光速是已知的，因此賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員可以用一束激光來照射光纖，通過計(jì)算散射光傳播所需的時(shí)間來測(cè)量不同長(zhǎng)度光纜的振動(dòng)。這種技術(shù)在地球科學(xué)中被稱為分布式光纖聲傳感技術(shù)（distributed acoustic sensing，簡(jiǎn)稱DAS）。
傳統(tǒng)的地震儀通過內(nèi)部元件的物理運(yùn)動(dòng)來記錄振動(dòng)信號(hào)，只能測(cè)量地球上某一個(gè)點(diǎn)的活動(dòng)。但使用DAS技術(shù)，科學(xué)家就可以沿著4公里長(zhǎng)的光纜采集2000多個(gè)點(diǎn)的信號(hào)——差不多每2米一個(gè)點(diǎn)——從而獲得地面活動(dòng)的超精細(xì)信息。他們的研究從2020年3月封鎖開始，到2020年6月結(jié)束，當(dāng)時(shí)州學(xué)院的企業(yè)已經(jīng)恢復(fù)營(yíng)業(yè)。
從DAS測(cè)量的這些振動(dòng)信號(hào)可以看出，正在建設(shè)新停車場(chǎng)的校園西側(cè)到4月份時(shí)停止了施工，沒有產(chǎn)生任何工業(yè)活動(dòng)的跡象。到了6月，研究人員不僅探測(cè)到了機(jī)器重啟所產(chǎn)生的振動(dòng)，還能識(shí)別出以較低頻率嗡嗡作響的施工車輛。不過，他們指出，盡管一些與新冠疫情有關(guān)的限制已經(jīng)放寬，但此時(shí)校園里的行人活動(dòng)基本沒有恢復(fù)。
DAS或許能作為追蹤人們運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大工具，研究人員可以不必通過手機(jī)定位數(shù)據(jù)，而是利用光纜來追蹤行人和汽車的軌跡。不過，這項(xiàng)技術(shù)并不能準(zhǔn)確地識(shí)別某輛汽車或某個(gè)人�！澳憧梢哉f它是一輛汽車，或者是一輛卡車，或者是一輛自行車。但你不能說，‘哦，這是一輛2019年的日產(chǎn)森特拉’，”斯坦福大學(xué)的地球物理學(xué)家阿里埃爾·勒盧什說，“實(shí)際上，DAS的匿名性是其最大的優(yōu)勢(shì)之一�！崩毡R什沒有參與這項(xiàng)研究，但他在研究工作中也會(huì)用到DAS技術(shù)，并且參與了這篇論文的同行評(píng)議。
另一方面，如果你想要通過光纜來追蹤某個(gè)人在城市里的行蹤，那他就必須一直沿著你所監(jiān)控的光纜行走。一旦他偏離軌跡，你就會(huì)失去地震信號(hào)�！按致缘卣f，假設(shè)這是在沙漠中，你有一根埋在地下的光纖，而有人正沿著這根光纖行走，并且還是唯一這么走的人，那么沒錯(cuò)，你可以追蹤其行蹤，”勒盧什說，“你不能把光纜的信號(hào)與某個(gè)特定的人聯(lián)系起來�！币虼�，如果你想要遠(yuǎn)距離追蹤一個(gè)人的話，最好使用雙筒望遠(yuǎn)鏡，或者追蹤他們的手機(jī)數(shù)據(jù)。
近年來，DAS技術(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，這要?dú)w功于“暗光纖”，即已經(jīng)鋪設(shè)但沒有投入使用的光纜。隨著互聯(lián)網(wǎng)在20世紀(jì)90年代的發(fā)展，電信公司開始大規(guī)模鋪設(shè)光纜。與挖洞鋪設(shè)光纜所需的勞動(dòng)力相比，光纜本身相對(duì)便宜。因此，在網(wǎng)絡(luò)繁榮的預(yù)期中，許多公司都鋪設(shè)了超過他們所需的電纜。如今，這些光纖中的大部分仍未被使用，因此被稱為“暗光纖”，可供出租用于科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)。
不過，光纖的可用性還是得取決于位置。美國(guó)萊斯大學(xué)的地球物理學(xué)家喬納森·阿喬-富蘭克林沒有參與這項(xiàng)新研究，但他是《地震記錄》期刊的副編輯。他說：“可能在紐約市中心，在證券交易所和新澤西之間，會(huì)有很多關(guān)于這些光纖的爭(zhēng)論。但如果你長(zhǎng)途旅行穿過內(nèi)華達(dá)州的農(nóng)村地區(qū)，也許能找到一些額外的資源供你利用。”
與傳統(tǒng)的地震儀不同，光纜的造價(jià)很低廉，而且不需要電源。有了DAS技術(shù)，你只需要一個(gè)“詢問器”設(shè)備來發(fā)射激光并接收穿過光纖返回的數(shù)據(jù)。阿喬-富蘭克林說：“因此，如果你想通過這些間隔很近的數(shù)據(jù)來測(cè)量地震、表面波或城市流動(dòng)性，那這真的是一個(gè)很好的方法。”例如，阿喬-富蘭克林曾經(jīng)在薩克拉門托附近，用一條約27公里長(zhǎng)的暗光纖記錄了7個(gè)月內(nèi)發(fā)生的大大小小的地震。
土木工程師已經(jīng)在使用DAS來研究土壤變形，生物學(xué)家甚至已經(jīng)使用遠(yuǎn)海光纜來監(jiān)聽鯨的活動(dòng)（畢竟聲音是以振動(dòng)的方式傳播）�！癉AS的應(yīng)用無疑是爆發(fā)性的，”阿喬-富蘭克林說，“人們?cè)诒ㄖ星度牍饫w，然后由處于自由水體的船拖動(dòng)這些光纖，以此來測(cè)量溫度。這真的是一套令人難以置信的技術(shù)�！�
