Oppdager snøskred med fiberkabler

Det er ikke å forhåndsvarsle om skred som er målet. Men et system for å avklare om det har gått skred og tatt med seg kjøretøy eller om det er kjøretøy i området, utvikles nå av Norsar sammen med Norconsult og Alcatel Submarine Networks. Oppdraget er for Troms og Finnmark fylkeskommune.

Norsar driver med seismologi og seismisk overvåkning og er blant annet ansvarlig for å overvåke både jordskjelv og atomprøvesprengninger. Nå skal de bruke ekspertisen på å gjøre norske veier sikrere. Ved å benytte fiberkabler langs en skredutsatt veistrekning kan de overvåke alle slags rystelser langs veien, som ras og biltrafikk.

– Vi tester ut dette på Kjeller nå og kan fastslå at en fiberkabel som er gravd ned langs en vei, er godt egnet som rystelsesmåler, sier viseadministrerende direktør Arve E. Mjelva.

– Det betyr at vi kan se hvordan biler kjører langs veien, og vi vil kunne se om veistrekningen rammes av snøskred. Til sammen er dette veldig viktig informasjon. Det er helt vesentlig for redningsmannskaper å vite hva som ligger inne i skredet, sier han.

Mørk fiber

Langs svært mange norske veistrekninger ligger det fiberkabler. Gjerne gravd ned til én meters dyp. Det tror ikke Mjelva er noe problem. Så langt har tester vist at det er god oppløsning på fiberkabler, enten de er armert eller uarmert og enten de ligger i rør eller ikke.

– Systemet måler et bredt frekvensspekter, fra lave til høye frekvenser. Som regel er det ledige fibre, såkalt mørke fibre – som det ikke er lys i, i rør langs veien. Vi kan bruke en av dem til målinger. Alternativt kan vi grave ned egne kabler på 30 til 40 cm dybde langs veiene, sier han.

Interrogator

En helt standard optisk fiber, som også kan brukes til kommunikasjonsformål, benyttes her som en sensor. I stedet for sender og mottaker på endene av fiberen benyttes en elektrooptisk interrogator i den ene enden. Det kommer fra interrogate på engelsk, som betyr å forhøre. Denne interrogatoren modulerer laserlyset som sendes inn på en slik måte at en kan måle fasen på det lyset som reflekteres tilbake. Avansert signalbehandling gjør en i stand til å måle endringer i denne fasen svært nøyaktig og langs hele den optiske fiberen. Teknologien kalles ofte DAS (Distributed Acoustic Sensing). Det man da måler, er de ekstremt små strekkbelastningene de akustiske bølgene påfører glasset i fiberen.

Slike systemer kan benyttes til å måle ørsmå forstyrrelser rundt fiberen over svært lange strekninger. Det er demonstrert at systemet kan måle ørsmå rystelser 150 km fra interrogatoren langs fiberen, og systemet er godt egnet til å måle jordskjelv og andre rystelser, som trafikk og snøras.

Alternativer til denne målemetoden er å bruke geofoner som lytter nede i bakken. Ulempen er at det trengs mange av dem, de er dyre, og de må fungere med batteridrift.

Alternativ til seismometer

En lang fiberkabel med en såkalt interrogator i enden kan fungere som et kontinuerlig og distribuert alternativ til seismometre over lange avstander.

– Vi ønsker å teste ut bruken av den nye målemetoden i Troms og Finnmark. Her kan det gå ras fra skåninger i tusen meters høyde, og det kan ta et halvt til ett minutt før raset treffer veien. Hovedhensikten er ikke å varsle om ras, men å avgjøre om det er biler i rasmassene. Vi håper at vi kan skille ut enkeltbiler hvis det er en rimelig avstand mellom dem. Hvis vi vet det, og omtrent hvor de er, vil redningsarbeidet blir vesentlig enklere, sier Mjelva.

Olje- og gassteknologi

Det er selskapet Alcatel Submarine Networks Norway som har utviklet interrogatoren. De har en historie tilbake til 1985 og sprang den gang ut fra miljøet ved ELAB (nå Sintef) og NTNU. Tidligere het de Optoplan, og hovedmarkedet er å bruke optiske sensorer til måling i olje- og gassindustrien. De har hatt flere eiere, men fra 2014 ble de en del av det franske Alcatel-konsernet. I dag har selskapet 70 ansatte og ledes av sivilingeniør Hilde Nakstad.

– En fiber som utsettes for strekk vil endre både lengde og brytningsindeks i glasset. Dette vil endre tiden lyset bruker gjennom fiberen, og med varierende strekk vil en få varierende forsinkelser – faseendringer – i lyset. Når vi sender en laserstråle inn i glasset og ser på det reflekterte lyset, kan vi måle disse faseendringene. Et snøskred langt unna påvirker fiberen gjennom rystelser i bakken som gir ørsmå strekk i fiberen. Dette strekket kan vi måle. Ved å se på tid fra utsendt lys og amplitude på faseendringene, kan vi bestemme sted og også si noe om størrelsen på skredet. Det samme gjelder biler som vi kan følge langs veien, sier hun.

Nakstad tror ikke teknologien i alle anvendelser kan erstatte seismometre som er basert på svært følsomme akselerometre, men til dette formålet kan den vise seg nøyaktig nok og svært anvendelig fordi en måler langs hele fiberen.

– Vi tror vi kan bruke teknologien i fibre som samtidig benyttes til telekommunikasjon. Men hvis vi skal multiplekse våre signaler sammen telekommunikasjonssignaler, må vi først teste at sensorsystemet og kommunikasjonssystemet ikke påvirker hverandre. Det vil ofte være et overskudd av fibre i et rør og ledige fibre som er avsatt til fremtidig bruk. Teknologiutviklingen har gjort at man får veldig mye mer kapasitet ut av den enkelte fiber enn det man trodde da de ble lagt ned, sier hun.