NTT宣布，利用支撑互联网网络的既有光纤作为传感器，借助高精度捕捉地下微弱振动的“分布式声学传感（DAS）”技术，成功开发出了一种可推断地下空洞化状况的方法。DAS技术原本通过铺设光纤用于装置的维护和安防，而在利用既有光纤网络的情况下，不仅可以用于通信网络自身的维护管理，还能够开展地下地质评估及其随时间变化的常态化观测。一旦推进实用化，有望以较低成本在广域范围内应用于防灾减灾以及基础设施的维护管理。
图1在验证用于推断地下空洞化的方法时，将在地面布设微动阵列勘探设备获取的地下振动数据，与通过DAS测量得到的地下振动数据进行了对比（供图：NTT）。
通过捕捉返回的散射光变化来测量何处发生了何种变化
DAS是由Distributed、Acoustic、Sensing三个英文单词首字母组成的缩写。据从事光纤传输线路测试技术和光学测量技术研究的NTT接入服务系统研究所的饭田大辅主任研究员介绍，当向光纤中注入脉冲状光时，光在向前传播的同时，也会产生向后返回的散射光。当车辆通行等地面社会活动产生的微弱振动向地下传播时，也会使光纤以类似弯曲的方式发生形变，每米会出现从数十纳米（纳米为十亿分之一）到约1微米（微米为百万分之一）程度的伸缩，通过接收器捕捉光注入后返回的散射光变化，便可测量沿光纤不同位置发生了何种振动（声学）现象，这就是DAS技术。
图2 光通信与基于DAS技术的光纤传感概要：通信用于将信息向前传输，而光传感则可通过光纤中返回的反射光来探测周边环境状况（供图：NTT）。
从工厂和光纤网络的维护管理，到地震监测与地基评估
自2010年起，DAS的研究与开发在全球范围内不断推进。由于只需沿管道铺设光纤，便可在无需敲击检测的情况下对管道劣化等情况进行常态化监测，因此已被应用于石油和天然气装置等领域。在军事设施等高安全级别场所，也有通过铺设DAS光纤网络来感知人员或物资侵入的应用实例。
在日本国内，大学等机构正在利用既有光纤网络开展地震观测研究。NTT则一方面将DAS用于光纤网络本身的维护管理，另一方面也在推进相关研究，探索其是否可用于地基评估等领域。
可获取约3至30米深度范围内的地基特性
在地基评估方面，NTT于2025年7月至9月与国立研究开发法人产业技术综合研究所（产综研）合作，在茨城县筑波市和埼玉县草加市同步开展了地下空洞化调查，分别采用DAS光纤传感技术以及产综研已经拥有应用成果的微动阵列勘探技术。
微动阵列勘探是将多台微动仪按照既定的纵横布局排列在地表，各设备同步记录极其微弱的振动并进行解析。虽然具备可简便推定地下深部状况的优势，但每次勘探都需要搬运设备，在对道路地下进行探测时还必须临时封路，因此难以在大范围内、高频次地开展地基监测。
另一方面，DAS利用的是原本为通信而铺设的既有光纤网络，可以大幅减少作业量。若将微动阵列勘探与DAS获取的数据进行对比并确认结果一致，便可认为通过DAS同样能够获取用于地盘监测及空洞化推定所需的数据。
将约20分钟的微动阵列勘探结果与约1天的DAS监测结果进行比较后发现，在反映地下约3米至30米深度范围的频率区间内，双方的测量数据高度一致。这表明可通过DAS评估土体的柔软程度，并实现每天一次的远程监测。通过观测地盘特性的时间变化，有望推定地下空洞化逐步发展的前兆。
图3 DAS（白色圆点）与微动阵列勘探（红色方块）所得的地基特性测量结果显示，横轴频率越高，表示对应的地表深度越浅，纵轴的相位速度越大，则土体越坚硬，无论在筑波还是草加，均获得了总体上高度一致的结果（供图：NTT）。
相关成果已在11月19日至26日举行的“NTT R&D论坛2025”上展出。在城市地区，因老化的上下水道等设施导致土砂流入、引发地中空洞并伴随道路塌陷事故的问题已成为社会关注的焦点，可能造成交通受阻、生命线中断等情况，对区域社会产生重大影响。今后，NTT将以向基础设施监测和防灾系统提供技术为目标，持续推进解析算法的高度化，并与地方政府及上下水道运营单位合作，在真实的城市环境中不断积累验证实验。
有望实现低成本、高频次的地基监测
据悉，NTT在日本全国铺设的光缆总长度约为240万公里。此次实证实验中，使用的是铺设在道路下方等位置、用于通信电缆的管道（即“管路”）内的光纤，全国管路长度约为62万公里。若能以更低成本、更高频次对这一范围内的地基状况进行监测，便有望避免类似2025年1月日本埼玉县八潮市发生的道路塌陷事故再次发生。
原文：长崎绿子、JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
