據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，意大利研究人員制造出一種光纖陀螺儀原型，用于高分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意大利那不勒斯坎皮·佛萊格瑞活火山區(qū)地震引起的地面旋轉(zhuǎn)。更好地了解這個(gè)人口稠密地區(qū)的地震活動(dòng)可以改善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并可能改進(jìn)預(yù)警系統(tǒng)。
“當(dāng)?shù)卣鸹顒?dòng)發(fā)生時(shí)，地球表面會(huì)經(jīng)歷線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。”意大利國(guó)家地震研究所（CNR-INO）的研究小組負(fù)責(zé)人Saverio Avino說(shuō)，“雖然地面旋轉(zhuǎn)通常很小，通常不會(huì)被監(jiān)測(cè)到，但捕捉到它們的能力將提供對(duì)地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)和地震源的更全面了解。”
在Optica出版集團(tuán)的Applied Optics期刊中，研究人員介紹了基于2公里長(zhǎng)光纖陀螺儀的旋轉(zhuǎn)傳感器的初步觀測(cè)數(shù)據(jù)。該傳感器在五個(gè)月內(nèi)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)良好，能夠檢測(cè)到小型到中型局部地震的噪聲和地面旋轉(zhuǎn)。
那不勒斯大都市擁有約300萬(wàn)人口和三座活火山。整個(gè)地區(qū)被多參數(shù)傳感器網(wǎng)格覆蓋，這些傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用于研究地震和火山活動(dòng)的各種物理和化學(xué)參數(shù)。
“地面旋轉(zhuǎn)的測(cè)量將為這個(gè)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)格拼圖添加另一塊拼圖塊。”來(lái)自意大利國(guó)家地球物理和火山學(xué)研究所（INGV）的研究團(tuán)隊(duì)成員Danilo Galuzzo說(shuō)道，“這些額外的傳感信息還將有助于全面了解火山地震信息，這對(duì)于監(jiān)測(cè)火山動(dòng)態(tài)的任何變化都至關(guān)重要。”
測(cè)量地面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
陀螺儀是用于檢測(cè)和測(cè)量方向或角速度變化（物體旋轉(zhuǎn)速率）的裝置。例如，在智能手機(jī)中，MEMS陀螺儀可以檢測(cè)和測(cè)量手機(jī)的方向和旋轉(zhuǎn)。為了測(cè)量地震或火山活動(dòng)產(chǎn)生的地震波的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，研究人員基于薩格納克效應(yīng)開(kāi)發(fā)了一種更復(fù)雜的光纖陀螺儀。
上圖是光纖陀螺儀原型，用于高分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活火山區(qū)地震引起的地面旋轉(zhuǎn)。光纖精確地纏繞在鋁制線軸上，形成基于薩格納克效應(yīng)的陀螺儀。
當(dāng)光沿著閉合環(huán)以相反方向傳播時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的傳播時(shí)間，這時(shí)就會(huì)發(fā)生薩格納克效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致光中出現(xiàn)可測(cè)量的干涉圖案，而干涉圖案取決于環(huán)的旋轉(zhuǎn)速率。通過(guò)測(cè)量光干涉，可以高分辨率檢測(cè)角速度。
“我們的實(shí)驗(yàn)室位于活火山區(qū)的中心，因此這里是天然的地震源。”Avin說(shuō)，“由于我們幾乎每天都會(huì)經(jīng)歷中小型地震，因此我們可以測(cè)量和獲取大量地面旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，然后可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)分析，以研究坎皮·佛萊格瑞地區(qū)的地震和火山現(xiàn)象。”
光纖陀螺儀捕捉到了意大利那不勒斯坎皮·佛萊格瑞地區(qū)發(fā)生的中小型地震數(shù)據(jù)
捕捉地震活動(dòng)信息
研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室儀器和組件搭建了一個(gè)原型光纖旋轉(zhuǎn)傳感器。為了測(cè)試它的性能，研究人員將光注入了一條2公里長(zhǎng)的光纖電纜中，類似于用于光通信的光纖電纜。光纖電纜形成一個(gè)連接輸入和輸出的環(huán)路，形成一條連續(xù)無(wú)間斷的光路，并精確地纏繞在一個(gè)直徑為25厘米的鋁制線軸上形成一個(gè)線圈。
在實(shí)驗(yàn)期間，原型光纖旋轉(zhuǎn)傳感器被保存在位于火山口頂部的建筑物中的受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中——火山噴發(fā)和坍塌時(shí)形成的巨大凹陷。“該系統(tǒng)的第一個(gè)版本顯示出與其它最先進(jìn)的光纖陀螺儀相當(dāng)?shù)姆直媛省！痹撜撐牡牡谝蛔髡進(jìn)arialuisa Capezzuto說(shuō)，“它還具有非常好的占空比——儀器測(cè)量/獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間百分比——這使我們能夠連續(xù)運(yùn)行該系統(tǒng)大約五個(gè)月。”
意大利航天局（ASI）Luigi Santamaria Amato表示：“該光纖陀螺儀原型只能測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)方向分量中的一個(gè)。但是，將三個(gè)相同的陀螺儀組合起來(lái)，每個(gè)陀螺儀都朝向不同的旋轉(zhuǎn)軸，就可以捕獲所有的三個(gè)分量。”研究人員計(jì)劃在提高單軸系統(tǒng)的分辨率和穩(wěn)定性后安裝三軸陀螺儀。最終，他們希望在坎皮·佛萊格瑞地區(qū)建立一個(gè)永久性的地面旋轉(zhuǎn)觀測(cè)站。
