一、引言
2011年3月11日，一场9.0级的巨大地震撕裂了日本东北部的海岸线，海啸裹挟着20米高的黑色浪潮吞噬城镇，福岛核电站的警报声响彻天际，2万余人在这场浩劫中失去生命。14年后的今天，这场灾难的伤痕仍在警示人类：在地球狂暴的脉动面前，我们能做的不仅是哀悼，更要让科技成为守护生命的“先知”。
传统地震监测网受限于固定台站的密度与响应速度，而埋藏于地下的光纤，却以另一种方式“觉醒”——它们如同大地的神经末梢，将每一次微弱的震颤转化为精准的数据脉冲。2025年3月，恰逢日本“3.11大地震”纪念周，上海交通大学信息与电子工程学院何祖源教授率领由我校智能光子学研究中心（CIP）和宁波联河光子技术有限公司（联河光子）科研人员组成的团队，与东京大学地震研究所的科学家们，在位于日本岩手县釜石市的海底地震与海啸观测站共同完成了海底地震观测实验，用这种特殊方式进行了一场为期5天的“静默守护”。
实验背景：为什么是DAS技术？
近年来，分布式声学传感（DAS）技术在地球物理领域掀起革新浪潮。这项技术通过将通信光纤转化为高密度传感阵列，能以米级空间分辨率和千赫兹级采样率，实现超100公里范围的连续应变监测。其线性部署特性，尤其为海洋地震观测提供了颠覆性解决方案——借助海底光缆的全球覆盖监测网络。
传统地震监测手段如同“稀疏的灯塔”照亮广袤的海洋，虽不可或缺却力有不逮：地震台站受限于地理分布，海洋、偏远山区覆盖率不足（全球约70%地震带缺乏密集台网），同时，深海地震仪单台部署成本超百万美元，且难以长期维护，制约大范围应用。
分布式声波传感（DAS）重新定义了地震监测的底层逻辑：将普通通信光纤转化为连续分布的“声学传感器”。激光脉冲在光纤中传输时，外界振动（如地震波）会引发背向瑞利散射光的相位变化，通过解析这些变化，可实时反演出每米光纤的应变数据。“光纤即传感器”的颠覆性理念，让每条光纤瞬间成为成千上万个监测点。
CIP和联河光子的DAS技术优势
高灵敏度：可检测极其微弱的应变信号，相当于感知百米外蝴蝶振翅的扰动；
高空间分辨率百公里级覆盖：米级空间分辨率监测范围超100公里，适用于跨断层跨海域的高密度长距离监测；
毫秒级响应：数据刷新率高达10微秒，远超传统手段的秒级延迟。
合作契机
东京大学地震研究所拥有全球最高水平的地震研究成果积累和完善的海底地震观测设施；CIP研发完成了全球领先的DAS关键技术，并通过“完成人实施”成果转化创立联河光子，提供全球最高性能的DAS装备产品及解决方案。
本次实验选址在3.11大地震受灾核心区附近的釜石市，该区域具有活跃断层与复杂沉积层，能更清楚地感受到地震波传播。实验主要目标是验证CIP和联河光子研制的高性能DAS产品ixDAS-3000A对地震波的高密度长距离捕获能力，并与国外某行业龙头企业生产的对照DAS产品以及地震计/海啸计的性能进行实测比对。
二、现场直击：5天实验的“高光时刻”
东京大学地震研究所早在20世纪末就前瞻性地布局了海底地震与海啸观测体系。1996年，于日本三陆海域建成全球首个海底地震与海啸光缆综合观测网（釜石观测站），敷设海底光缆长达110 km，其中包含用于连接3台海底地震计和2台海啸计的光纤传输通道以及冗余光纤通道。2019年起，东京大学研究团队利用冗余光纤通道开展DAS技术验证，成功构建海底地震监测超阵列。据称该系统已累计捕获太平洋板块俯冲带内逾200次地震事件，包括7次6级以上强震，为理解海底断层动力学提供了前所未有的高分辨率数据集。
此次实验将CIP和联河光子研制的高性能DAS产品ixDAS-3000A和某对照DAS产品同时接入东京大学地震研釜石观测站的海底光缆，进行对照监测。如下图所示，上部：海底光缆系统的深度剖面图，海底逐渐向日本海沟变深。下部：海底光缆的位置，黑色和蓝色线条表示光缆路径（其中蓝色线段表示埋入海床的光缆部分），黑色和红色圆圈分别表示地震计和海啸计的位置[1]。
为期五天的实验记录了丰富的数据，平均每天记录地震二十余次，还记录到海底浪涌引发的低频应变信号，为海底地震和海啸动力学研究提供了新视角。详细数据分析还在进行中。
在对比实验中，ixDAS-3000A展示了兼具长距离、高空间分辨率、高灵敏度的优越特性，其性能远优于常规DAS产品。下图是ixDAS-3000A与对照DAS产品本底噪声功率谱密度（PSD）分析的结果示例（实验参数：采样速率500 Hz，标距10.2 m，空间采样间距2.04 m）。图中采样通道为第24510道，对应光缆50 km处。可以看到，ixDAS-3000A的本底噪声低于对照DAS产品20 dB以上，表明ixDAS-3000A的灵敏度优于对照DAS产品百倍以上。
三、科学意义与应用价值：
从陆地到深海，重塑地震预警与海啸防范
利用既设通信光缆，实时监测大地微振动与应变异常。全球130万公里海底通信光缆可复用为DAS传感器，填补大洋地震监测网空白（目前深海地震仪覆盖率不足5%）。环太平洋国家可共享光缆数据，构建全球首个实时海啸预警网络。广域连续监测技术为认识和理解地球物理规律提供了有力观测仪器与技术手段。
四、结语
此次中日联合DAS海底地震监测实验，验证了DAS技术在地球物理学中应用的可行性和优异监测性能，并将推动地球物理勘探前沿领域的科学探索。随着DAS逐步接入全球130万公里海底光缆，人类有望建成“全海洋、全天候”地震监测网络。此外，DAS因其高分辨率、高灵敏、广域监测空间的特点，还可进一步应用于各类基础设施和大型装备的结构健康监测，为建立一个安全安心的社会提供技术支撑。
[1]Shinohara, M., Yamada, T., Akuhara, T., Mochizuki, K., & Sakai, S. (2022). Performance of seismic observation by distributed acoustic sensing technology using a seafloor cable off Sanriku, Japan. Frontiers in Marine Science, 9(844506). https://doi.org/10.3389/fmars.2022.844506
来源：“上海交大电子系”微信公众号
