高灵敏度光纤陀螺仪可感知活火山区地震引起的地面旋转运动
2024-09-08 21:56:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
意大利研究人员制造出一种光纤陀螺仪原型，用于高分辨率实时监测意大利那不勒斯坎皮佛莱格瑞活火山区地震引起的地面旋转。更好地了解这个人口稠密地区的地震活动可以改善风险评估，并可能改进预警系统。
据麦姆斯咨询报道，近期，意大利研究人员制造出一种光纤陀螺仪原型，用于高分辨率实时监测意大利那不勒斯坎皮·佛莱格瑞活火山区地震引起的地面旋转。更好地了解这个人口稠密地区的地震活动可以改善风险评估，并可能改进预警系统。
“当地震活动发生时，地球表面会经历线性和旋转运动。”意大利国家地震研究所（CNR-INO）的研究小组负责人Saverio Avino说，“虽然地面旋转通常很小，通常不会被监测到，但捕捉到它们的能力将提供对地球内部动力学和地震源的更全面了解。”
在Optica出版集团的Applied Optics期刊中，研究人员介绍了基于2公里长光纤陀螺仪的旋转传感器的初步观测数据。该传感器在五个月内连续记录数据时表现良好，能够检测到小型到中型局部地震的噪声和地面旋转。
那不勒斯大都市拥有约300万人口和三座活火山。整个地区被多参数传感器网格覆盖，这些传感器可实时监测用于研究地震和火山活动的各种物理和化学参数。
“地面旋转的测量将为这个复杂的传感器网格拼图添加另一块拼图块。”来自意大利国家地球物理和火山学研究所（INGV）的研究团队成员Danilo Galuzzo说道，“这些额外的传感信息还将有助于全面了解火山地震信息，这对于监测火山动态的任何变化都至关重要。”
测量地面旋转运动
陀螺仪是用于检测和测量方向或角速度变化（物体旋转速率）的装置。例如，在智能手机中，MEMS陀螺仪可以检测和测量手机的方向和旋转。为了测量地震或火山活动产生的地震波的旋转运动，研究人员基于萨格纳克效应开发了一种更复杂的光纤陀螺仪。
上图是光纤陀螺仪原型，用于高分辨率实时监测活火山区地震引起的地面旋转。光纤精确地缠绕在铝制线轴上，形成基于萨格纳克效应的陀螺仪。
当光沿着闭合环以相反方向传播时，会表现出不同的传播时间，这时就会发生萨格纳克效应。这会导致光中出现可测量的干涉图案，而干涉图案取决于环的旋转速率。通过测量光干涉，可以高分辨率检测角速度。
“我们的实验室位于活火山区的中心，因此这里是天然的地震源。”Avin说，“由于我们几乎每天都会经历中小型地震，因此我们可以测量和获取大量地面旋转数据，然后可以对这些数据进行连续分析，以研究坎皮·佛莱格瑞地区的地震和火山现象。”
光纤陀螺仪捕捉到了意大利那不勒斯坎皮·佛莱格瑞地区发生的中小型地震数据
捕捉地震活动信息
研究人员使用标准实验室仪器和组件搭建了一个原型光纤旋转传感器。为了测试它的性能，研究人员将光注入了一条2公里长的光纤电缆中，类似于用于光通信的光纤电缆。光纤电缆形成一个连接输入和输出的环路，形成一条连续无间断的光路，并精确地缠绕在一个直径为25厘米的铝制线轴上形成一个线圈。
在实验期间，原型光纤旋转传感器被保存在位于火山口顶部的建筑物中的受控实验室环境中——火山喷发和坍塌时形成的巨大凹陷。“该系统的第一个版本显示出与其它最先进的光纤陀螺仪相当的分辨率。”该论文的第一作者Marialuisa Capezzuto说，“它还具有非常好的占空比——仪器测量/获取数据的时间百分比——这使我们能够连续运行该系统大约五个月。”
意大利航天局（ASI）Luigi Santamaria Amato表示：“该光纤陀螺仪原型只能测量旋转运动的三个方向分量中的一个。但是，将三个相同的陀螺仪组合起来，每个陀螺仪都朝向不同的旋转轴，就可以捕获所有的三个分量。”研究人员计划在提高单轴系统的分辨率和稳定性后安装三轴陀螺仪。最终，他们希望在坎皮·佛莱格瑞地区建立一个永久性的地面旋转观测站。
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