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为解决城市地震信号监测中精准定位和强度估算难题，研究人员开展利用现有光纤网络作为分布式声学传感系统（DAS）定位城市震源的研究。结果显示该方法可准确绘制震源功率时空图，且震源功率（SSP）与城市特征相关。这为城市研究提供了新途径。
在城市发展的进程中，城市环境监测变得愈发重要。城市，作为人类活动的核心区域，蕴含着海量的信息，但要想深入了解城市的 “内在奥秘”，获取精准、全面的数据并非易事。在城市监测众多的 “信号” 里，城市地震信号就像一把隐藏的钥匙，它携带着城市环境、交通状况以及社会活动等丰富信息，能够为城市研究提供独特视角。
可现实却给这把 “钥匙” 的使用带来诸多阻碍。传统的地震监测网络在城市环境中面临着巨大挑战，想要精确探测和定位城市范围内的地震源，就需要超密集的地震阵列。然而，这一方案成本高昂，且在城市中安装部署会带来诸多不便，因此难以实现。所以，城市地震源究竟如何分布，它们与城市的动态变化以及长期特征又有着怎样的联系，这些问题一直悬而未决。
为了攻克这些难题，来自美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）、斯坦福大学（Stanford University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们另辟蹊径，将目光投向了城市中广泛存在的电信光纤，试图利用这些现有的光纤网络，构建一个全新的城市地震监测体系。
研究人员把目光聚焦在现有的光纤网络上，通过分布式声学传感（DAS）技术，将普通的电信光纤转变为超密集且经济高效的地震阵列。这一创新的想法，就像是给城市安装了无数双 “隐形的耳朵”，能够敏锐地捕捉到城市各个角落传来的地震信号。在加利福尼亚州圣何塞，研究人员将一条长达 50 公里的电信光纤改造成了监测网络，成功创建了 50,000 个虚拟动态应变传感器，这些传感器沿着光纤以 1 米的间距分布，能够持续不断地收集地震数据。
在研究过程中，研究人员采用了一系列先进的技术方法。首先是地震干涉测量和波束形成算法，通过这两种算法，他们能够对采集到的地震信号进行深入分析，进而估算出地震源功率（SSP）的时空分布。为了准确估算地表波速度，他们利用车辆诱导的地震信号，借助专门的卡尔曼滤波算法选取合适的地表波窗口，再通过地震干涉测量构建虚拟炮集，从而有效提高了信号的信噪比并降低了计算成本。此外，他们还通过计算频率无关的品质因子，评估了每个区域近地表结构的衰减情况，为精确估算地震源功率奠定了坚实基础。
可扩展的地震源映射
利用现有的电信光纤网络，研究人员借助 DAS 的连续地震监测能力，成功捕获了来自各种城市地震源的信号。他们对这些记录下来的地震信号进行深入分析，绘制出了 SSP 的时空图。在绘制过程中，他们先利用车辆诱导的地震信号估算地表波速度，再结合波束形成技术，实现了对其他城市地震源的有效映射。这种方法不仅具有高度的可扩展性，还能与现有的电信基础设施无缝融合，为城市地震监测带来了全新的可能。
地震源映射的验证
研究人员对地震源映射的结果进行了多方面的验证。他们以火车、卡车等移动车辆以及建筑工地活动为研究对象，利用与道路和铁路共线的光纤准确获取这些地震源的位置和时间信息。然后，通过对比预测的地表波到达时间和实际到达时间，评估了地表波速度估算的准确性。同时，他们构建的 SSP 空间图与实际事件位置高度吻合，充分证明了该方法在检测和定位地震源方面的有效性。此外，研究人员还对六天内的数据集进行分析，发现 SSP 的日变化与人类活动的周期性高度一致，并且 SSP 与环境噪声水平之间存在显著相关性，这进一步验证了他们方法的可靠性。
描绘城市的持久特征
研究人员发现，SSP 地图能够清晰地反映出城市的时空动态变化受到土地利用模式和人口统计学等持久特征的影响。混合用途区域由于城市活动丰富，展现出最高的 SSP 强度；商业、工业和公共用途区域，因交通流量大、城市活动频繁，也呈现出较高的 SSP 强度；而农业或开放空间区域，城市活动较少，SSP 强度则最低。同时，SSP 强度与人口密度、平均日交通量、兴趣点密度以及访问量均呈正相关，与收入水平呈负相关。这表明，在排除自然地震源后，城市 SSP 可以作为评估城市活动强度及其时空分布、城市持久特征的可靠指标。
无处不在的通用城市传感
与传统的城市传感系统相比，基于 DAS 的城市传感系统具有诸多优势。它借助现有的电信基础设施，成本低、效率高，每个传感器的成本仅需几美元。同时，该系统通过常规网络通信实现实时连续传感，避免了对可识别信息的收集，有效保护了隐私。而且，其超密集的阵列特性能够有效检测和定位与城市活动相关的地震源，克服了传统系统的诸多局限性。通过地震干涉测量和波束形成，每个 DAS 阵列可以覆盖周围数百到数千米的区域，实现对地震源的远程映射，从而实现无处不在的城市传感。这一技术在优化城市布局、改善交通管理、减少振动和噪声污染等方面具有巨大的潜力，能够有效提升城市的宜居性，减少对居民健康的不利影响。此外，它还可以为城市安全提供重要支持，帮助人们更好地了解自然和人为灾害，评估地震风险，提高城市的灾害应对能力。
总的来说，这项研究成功地展示了利用现有光纤网络进行城市传感的技术可行性和成本效益，为城市科学研究提供了一种强大的工具。它让我们能够更深入地了解复杂的城市环境和社会现象，为城市的可持续发展提供了有力的支持。然而，研究也存在一些局限性，例如地震源定位对光纤覆盖范围的依赖、对弱高频地震源检测的困难等。未来的研究可以针对这些问题进一步探索，优化光纤配置，开发更有效的算法，以提高地震源映射的准确性和传感覆盖范围，从而推动城市传感技术的不断发展和完善。
