Jaringan seismik padat yang canggih untuk mendeteksi gempa mikro telah menarik perhatian dalam beberapa tahun terakhir. Penggunaannya untuk aplikasi di berbagai bidang termasuk seismologi gunung berapi dan pemantauan rekahan hidrolik, karena jaringan tersebut mengungkapkan aktivitas dan strukturnya di kedalaman. Terjadinya gempa secara tradisional dideteksi dengan membandingkan rata-rata jangka pendek (Short Term Averages) dengan rata-rata jangka panjang (Long-Term Averages) dari transformasi amplitudo seismogram dan deteksi dinyatakan ketika rasio melebihi ambang batas yang telah ditentukan. Umumnya, peningkatan tiba-tiba dalam perubahan amplitudo karena kedatangan fase gempa impulsif agak mudah untuk diidentifikasi. Namun, karena sinyal yang relatif lemah terkubur dalam kebisingan sekitar dan jaringan seismik yang tidak memadai, deteksi gempa mikro sering diabaikan. Oleh karena itu, peningkatan teknik seismologi yang ada untuk mendeteksi gempa dan lokasinya masih diperlukan dan banyak teknik baru juga dikembangkan.
Baru-baru ini, struktur serat singlemode-multimode-singlemode (SMS) juga telah menarik minat yang meningkat untuk berbagai aplikasi penginderaan karena sensitivitasnya yang tinggi dan biaya yang rendah. Misalnya, Kumar dkk telah mendemonstrasikan pengukuran micro-bent mekanik statis menggunakan sensor serat SMS. Di sisi lain, sistem pemantauan seismik dekat permukaan yang efektif harus menggunakan pengukuran dengan resolusi yang cukup untuk memberikan peringatan dini sebelum aktivitas seismik berkembang dan gempa bumi terjadi. Array padat berbiaya rendah dan perawatan rendah pada skala kilometer sekarang dimungkinkan berkat teknik Distributed Acoustic Sensing (DAS). DAS memberikan peluang baru untuk pemantauan seismik dekat permukaan. Dalam makalah ini, struktur SMS diusulkan dan didemonstrasikan untuk pengukuran amplitudo dan frekuensi sinyal seismograf. Sinyal tersebut dibangkitkan oleh generator seismograf. Sensor yang diusulkan didasarkan pada teknik modulasi intensitas dan menggunakan struktur serat SMS sebagai probe. Teknik ini merupakan penyempurnaan dari pekerjaan sebelumnya..
Metode dan Hasil
Diagram skematik dari sensor berbasis SMS yang diusulkan, disajikan yang merupakan diagram skematik dari struktur serat SMS yang terdiri dari bagian multimode fiber (MMF), yang disambungkan di antara dua single mode fibers (SMFs). Ketika transfer cahaya dari SMF ke MMF, serangkaian mode eigen akan tereksitasi dalam MMF. Eigenmode ini kemudian mengalami interferensi multimode saat merambat di MMF dan terakhir berpasangan kembali ke output SMF untuk menghasilkan interferensi. Pembuatan struktur serat SMS dilakukan dengan menggunakan penyambung fusi komersial. MMF adalah tipe step-index dengan diameter inti 105 m dan panjang sekitar 10 mm. Itu terhubung di kedua ujungnya ke SMF indeks langkah dengan diameter inti 8.2 µm. Untuk operasi utama pemantauan seismograf dengan menggunakan struktur serat SMS, gelombang seismograf buatan dihasilkan oleh generator gelombang seismik untuk mensimulasikan sinyal seismograf pada frekuensi yang berbeda mulai dari 2.0 Hz hingga 2.6 Hz. Sinyal diperkuat dan ditransfer ke getaran mekanis oleh amplifier audio dan loudspeaker. Sumber cahaya optik (optical light source/ASE) dengan panjang gelombang puncak 1550 nm diluncurkan ke probe serat SMS sementara MMF ditempatkan di tengah loudspeaker. Pita dengan diameter 15 mm digunakan di kedua ujung MMF untuk memperbaiki probe sensor. Daya output dari struktur serat SMS dicatat oleh optical voltmeter. Sedangkan sinyal seismograf yang dihasilkan diukur dan ditangkap oleh osiloskop. Ketika cahaya mentransmisikan dari SMF ke MMF dan kemudian SMF, karena efek interferensi multimode, spektrum interferensi diamati pada output. Perubahan kondisi eksternal yang disebabkan oleh gelombang seismik dapat mengubah distribusi intensitas interferensi di MMF, yang karenanya dapat dideteksi dengan perubahan transmisi cahaya.
Pertama, untuk pengukuran gelombang seismik, probe serat SMS ditempatkan di tengah speaker saat disetel pada kondisi getaran nol. Saat tegangan penggerak diberikan, getaran dideteksi oleh sensor. Diamati bahwa sensor yang diusulkan dapat mengukur sinyal gelombang seismik dalam rentang frekuensi 2.0-2.6 Hz. Hasilnya menunjukkan sinyal pulsa terukur pada frekuensi getaran yang berbeda secara berturut-turut; 2.0, 2.2, 2.4 dan 2.6 Hz. Dalam percobaan, sinyal input dideteksi setelah pembangkit gelombang seismik sedangkan sinyal pulsa output yang keluar dari serat penerima diukur menggunakan detektor silikon. Terlihat bahwa sinyal output lebih lemah tetapi masih mengikuti pola sinyal masukan. Hasilnya juga membandingkan Fast Fourier Transform (FFT) sinyal seismograf antara sinyal input dari pembangkit gelombang dan sinyal yang dideteksi oleh fotodetektor pada frekuensi 2.0 Hz. Seperti yang diharapkan, frekuensi sinyal output sangat cocok dengan frekuensi sinyal seismograf.
Hasilnya memplot hubungan antara frekuensi terukur dari sensor output dan frekuensi input dari generator seismograf. Ini menunjukkan fungsi linier dengan kemiringan lebih dari 0.99 untuk frekuensi modul seismograf dari 2.0 hingga 2.6 Hz. Hasilnya menunjukkan hubungan antara output amplitudo terukur pada fotodetektor dan amplitudo masukan dari generator seismograf ketika frekuensi ditetapkan pada 2.0 Hz. Terlihat pada gambar bahwa variasi amplitudo seismograf dari sensor output memiliki hubungan fungsi linier dengan amplitudo masukan seismograf. Dengan peningkatan tekanan akustik pada probe SMS, sinyal tegangan output dari fotodetektor meningkat. Kemiringan diperoleh dengan linearitas 0.95. Hasil ini menunjukkan bahwa sensor yang diusulkan dapat secara akurat memperkirakan amplitudo sinyal seismograf. Kesederhanaan desain, sensitivitas tingkat tinggi, jangkauan dinamis, dan biaya fabrikasi yang rendah membuatnya cocok untuk aplikasi lapangan nyata.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si. (Corresponding & First Author)
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
