[논문 리뷰] Fiber-optic detection of snow avalanches using telecommunication infrastructure

Pascal Edme, Patrick Paitz외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 23.

Cryospheric studies and observations인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 기존 통신 섬유광선 케이블을 이용해 분산 음향 센싱(DAS)을 통해 눈 avalanches를 감지할 수 있음을 입증한다. 눈 avalanches가 케이블에 직접 영향을 주지 않더라도 가능하다. 스위스 알프스의 플뤼엘라패스에서 10km 길이의 섬유를 사용하여 DAS는 눈 avalanches에 의해 유도된 지진파를 기록하였으며, 이들의 상시 속도는 1500 m/s 이상이었고, 변형률 변동은 최대 3 μm/m/s에 이르렀다. 드론 및 카메라 영상으로 검증된 결과, 장거리에서 저비용으로 실시간에 가까운 눈 avalanches 모니터링이 가능하다.

ABSTRACT

We demonstrate the detectability of snow avalanches using Distributed Acoustic Sensing (DAS) with existing fiber-optic telecommunication cables. For this, during winter 2021/2022, we interrogated a 10 km long cable closely following the avalanche prone Fluelapass road in the Swiss Alps. In addition to other signals like traffic and earthquakes, the DAS data contain clear recordings of numerous snow avalanches, even though most of them do not reach the cable. Here we present two examples of snow avalanche recordings that could be verified photographically. Our results open new perspectives for cost-effective, near-real-time avalanche monitoring over long distances using pre-installed fiber-optic infrastructure.

연구 동기 및 목표

• 기존 통신 섬유광선 케이블을 활용해 분산 음향 센싱(DAS)을 통해 눈 avalanches 감지 가능성 평가
• 눈 avalanches가 케이블에 직접 도달하지 않더라도 DAS가 신호를 감지할 수 있는지, 지진파 전파 기반으로 평가
• 실제 눈 avalanches 사례에서 사진 및 현장 증거로 DAS 기록 검증
• DAS를 실시간에 가까운 눈 avalanches 및 지반 이동 모니터링을 위한 저비용 대규모 솔루션으로서의 잠재성 탐색
• 차량 운행 및 지진과 같은 다른 환경 소음원과의 신호 구분 가능성 탐구

제안 방법

• 스위스 알프스의 플뤼엘라패스 지역에 위치한 약 10km 길이의 기존 통신 섬유광선 케이블을 Silixa iDAS TM 2.0 인터로게이터로 조사
• 100 Hz 샘플링 주파수와 2m 공간 채널 간격으로 원시 DAS 데이터 기록으로 케이블 상 약 5000개 측정 지점 확보
• 채널 매핑을 위한 탭 테스트를 통해 케이블 위치 정확도 약 20m 이내 추정
• 현장 방문 및 드론 조사로 케이블 근처 눈 avalanches 사례의 사진 증거 확보
• 케이블 끝부분에 고정 카메라 설치로 계곡의 타임랩스 영상 촬영을 통한 사례 검증
• DAS 신호와 시각 자료 비교를 통해 눈 avalanches 발생 여부 및 특성 확인

Figure 1: Summary of the experimental setup. a) Geometry of the fiber-optic telecommunication cable starting in Susch and leading up to the Flüelapass top. The cable following the pass road is marked in red. Yellow pins are distance markings in km. Thick orange lines indicate the locations of the av

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 통신 섬유광선에서의 DAS 신호가 케이블에 직접 영향을 주지 않는 눈 avalanches도 감지할 수 있는가?
• RQ2 눈 avalanches의 DAS 신호 특성(예: 상시 속도, 변형률 변동)이 차량 운행 및 지진 소음과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 사진 및 타임랩스 영상 증거가 DAS로 식별된 눈 avalanches 사례를 어느 정도까지 확인할 수 있는가?
• RQ4 DAS 데이터는 차량 운행 또는 지진과 같은 다른 환경 신호와 눈 avalanches 신호를 구분할 수 있는가?
• RQ5 눈 avalanches가 국소적으로 발생하더라도 섬유광선 상에서 감지 가능한 신호의 공간 범위는 어느 정도인가?

주요 결과

• 2022년 3월 19일, 눈 avalanches가 강 반대편에서 케이블로부터 약 350m 떨어진 곳에서 멈추었음에도 불구하고 DAS는 약 1.5km 길이의 섬유에서 큰 눈 avalanches를 감지했다.
• 눈 avalanches는 상시 속도가 1500 m/s를 초과하고, 변형률 변동이 최대 3 μm/m/s에 이르는 복잡한 DAS 신호를 생성했으며, 물리적 눈 avalanches 폭은 200m 미만이었다.
• 2022년 4월 15일, 강 남쪽에 위치한 작은 눈 avalanches는 수백 미터에 걸쳐 DAS 데이터에서 감지되었으며, 변형률 변동은 약 3 μm/m/s였고, 고정 카메라의 영상 차분 분석으로 확인되었다.
• 큰 눈 avalanches의 DAS 신호는 약 1.5km 길이의 섬유에서 공간적으로 일관되게 나타나, 지반 및 섬유에 강한 지진파 결합이 이루어졌음을 시사한다.
• 교통 소음은 상시 속도가 <40 km/h 이하이며, 케이블의 첫 1.2km 구간에서 일관된 공간 패턴을 보여 눈 avalanches 신호와 구분 가능했다.
• 본 연구는 눈 avalanches가 케이블에 직접 영향을 주지 않더라도, 지반을 통해 전파되는 지진파 덕분에 몇 km 거리까지 DAS로 감지 가능하다는 점을 확인했다.

Figure 2: Example of a larger snow avalanche that was clearly recorded along $\sim$ 1.5 km of the fiber-optic cable. a) Photograph of the snow avalanche traversing the Flüelapass road and reaching the Susasca river in the valley (opposite the cable location). b) DAS recording along the complete $\si