NTT宣佈，利用支撐網際網路網路的既有光纖作為感測器，藉助高精度捕捉地下微弱振動的「分佈式聲學感測（DAS）」技術，成功開發出了一種可推斷地下空洞化狀況的方法。DAS技術原本通過鋪設光纖用於裝置的維護和安防，而在利用既有光纖網路的情況下，不僅可以用於通信網路自身的維護管理，還能夠開展地下地質評估及其隨時間變化的常態化觀測。一旦推進實用化，有望以較低成本在廣域範圍內應用於防災減災以及基礎設施的維護管理。
圖1在驗證用於推斷地下空洞化的方法時，將在地面佈設微動陣列探勘設備獲取的地下振動數據，與通過DAS測量得到的地下振動數據進行了對比（供圖：NTT）。
通過捕捉返回的散射光變化來測量何處發生了何種變化
DAS是由Distributed、Acoustic、Sensing三個英文單詞首字母組成的縮寫。據從事光纖傳輸線路測試技術和光學測量技術研究的NTT接入服務系統研究所的飯田大輔主任研究員介紹，當向光纖中注入脈衝狀光時，光在向前傳播的同時，也會產生向後返回的散射光。當車輛通行等地面社會活動產生的微弱振動向地下傳播時，也會使光纖以類似彎曲的方式發生形變，每米會出現從數十奈米（奈米為十億分之一）到約1微米（微米為百萬分之一）程度的伸縮，通過接收器捕捉光注入後返回的散射光變化，便可測量沿光纖不同位置發生了何種振動（聲學）現象，這就是DAS技術。
圖2 光通信與基於DAS技術的光纖感測概要：通信用於將資訊向前傳輸，而光感測則可通過光纖中返回的反射光來探測周邊環境狀況（供圖：NTT）。
從工廠和光纖網路的維護管理，到地震監測與地基評估
自2010年起，DAS的研發在全球範圍內不斷推進。由於只需沿管道鋪設光纖，便可在無需敲擊檢測的情況下對管道劣化等情況進行常態化監測，因此已被應用於石油和天然氣裝置等領域。在軍事設施等高保全等級場所，也有通過鋪設DAS光纖網路來感知人員或物資侵入的應用實例。
在日本國內，大學等機構正在利用既有光纖網路開展地震觀測研究。NTT則一方面將DAS用於光纖網路本身的維護管理，另一方面也在推進相關研究，探索其是否可用於地基評估等領域。
可獲取約3至30米深度範圍內的地基特性
在地基評估方面，NTT於2025年7月至9月與國立研究開發法人產業技術綜合研究所（產綜研）合作，在茨城縣筑波市和埼玉縣草加市同步開展了地下空洞化調查，分別採用DAS光纖感測技術以及產綜研已經擁有應用成果的微動陣列探勘技術。
微動陣列探勘是將多台微動儀按照既定的縱橫布局排列在地表，各設備同步記錄極其微弱的振動並進行解析。雖然具備可簡便推定地下深部狀況的優勢，但每次探勘都需要搬運設備，在對道路地下進行探測時還必須臨時封路，因此難以在大範圍內、高頻次地開展地基監測。
另一方面，DAS利用的是原本為通信而鋪設的既有光纖網路，可以大幅減少作業量。若將微動陣列探勘與DAS獲取的數據進行對比並確認結果一致，便可認為通過DAS同樣能夠獲取用於領域監測及空洞化推定所需的數據。
將約20分鐘的微動陣列探勘結果與約1天的DAS監測結果進行比較後發現，在反映地下約3米至30米深度範圍的頻率區間內，雙方的測量數據高度一致。這表明可通過DAS評估土體的柔軟程度，並實現每天一次的遠程監測。通過觀測領域特性的時間變化，有望推定地下空洞化逐步發展的前兆。
圖3 DAS（白色圓點）與微動陣列探勘（紅色方塊）所得的地基特性測量結果顯示，橫軸頻率越高，表示對應的地表深度越淺，縱軸的相速度越大，則土體越堅硬，無論在筑波還是草加，均獲得了總體上高度一致的結果（供圖：NTT）。
相關成果已在11月19日至26日舉行的「NTT R&D論壇2025」上展出。在城市地區，因老化的上下水道等設施導致土砂流入、引發地中空洞並伴隨道路塌陷事故的問題已成為社會關注的焦點，可能造成交通受阻、生命線中斷等情況，對區域社會產生重大影響。今後，NTT將以向基礎設施監測和防災系統提供技術為目標，持續推進解析演算法的高度化，並與地方政府及上下水道運營單位合作，在真實的城市環境中不斷積累驗證實驗。
有望實現低成本、高頻次的地基監測
據悉，NTT在日本全國鋪設的光纜總長度約為240萬公里。此次實證實驗中，使用的是鋪設在道路下方等位置、用於通信電纜的管道（即「管路」）內的光纖，全國管路長度約為62萬公里。若能以更低成本、更高頻次對這一範圍內的地基狀況進行監測，便有望避免類似2025年1月日本埼玉縣八潮市發生的道路塌陷事故再次發生。
原文：長崎綠子、JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
