Preliminary landslides detection using optical fiber as sensor element

Abstract

Landslides are natural events with severe socio-economic impacts in the world with expressive lives disappearing and losses. The climate changes are influencing the glaciers causing the melting quickly and consequently affecting the stability of mountains in some regions of the world. Currently, different technologies are being used to detect severe phenomena in nature (hurricanes, floods, earthquakes, typhoons, and landslides), thus assisting society and government entities (body firefighters, research institutes, natural disaster detection centers, among others) against natural disasters and loss of life. Those technologies work remotely detecting by either by optical data, which are image-processing techniques for mapping, characterization, and monitoring, or underground systems collecting temperature, pressure, humidity, water volume through sensors. The mentioned technologies present high costs of implementation and complex accessibility of installation in already urbanized areas. This study aims to validate a system in the laboratory for detecting landslides using optical fiber as a sensor element in areas susceptible to natural disasters to save lives. The principle of the Fiber Bragg Grating (FBG) will be the technique to be studied in the laboratory to detect, along with the optical fiber, where pressure and temperature disturbances are occurring. With the completion of the study, we will have (1) a Comprehensive theoretical foundation of natural disasters. (2) Socioeconomic consequences. (3) Panoramic overview of the technology employed in Brazil for monitoring landslides in the national center. (4) FBG and laser concepts. (5) Systematic literature review. (6) Cost survey comparing a hypothetical FGB topology with the technology employed by National Center for Monitoring and Natural Disaster Alerts (CEMADEN) in Brazil. (7) Outcomes from the workshop with the Federal University of São Paulo (UNIFESP), Technological Institute of Aeronautics (ITA), and CEMADEN. (8) Evidenced results in a laboratory operating and measuring the lasers, photo-detector characterization, splicing and connecting the fiber, transmission and reception spectrum measures, and FBG strain measures. The technique proposed using FBG inscriptions along with the optical fiber and positioned at strategic underground points will be periodically interrogated to allow constant monitoring in real-time and enable the Civil Defense to issue evacuation alerts on time, minimizing damage and mainly saving lives.

Deslizamentos de terra são eventos naturais com graves impactos socioeconômicos no mundo com expressivos desaparecimentos e perdas de vidas. As mudanças climáticas estão influenciando as geleiras causando o derretimento rápido e consequentemente afetando a estabilidade das montanhas em algumas regiões do mundo. Atualmente, diferentes tecnologias estão sendo utilizadas para detectar fenômenos severos na natureza (furacões, enchentes, terremotos, tufões e deslizamentos de terra), auxiliando assim a sociedade e entidades governamentais (corpos bombeiros, institutos de pesquisa, centros de detecção de desastres naturais, entre outros) contra desastres naturais e perda de vida. Essas tecnologias funcionam detectando remotamente por meio de dados ópticos, que são técnicas de processamento de imagens para mapeamento, caracterização e monitoramento, ou sistemas subterrâneos que coletam temperatura, pressão, umidade, volume de água por meio de sensores. As tecnologias mencionadas apresentam altos custos de implantação e acessibilidade complexa de instalação em áreas já urbanizadas. Este estudo tem como objetivo validar um sistema em laboratório para detecção de deslizamento de terra utilizando fibra óptica como elemento sensor em áreas suscetíveis a desastres naturais para salvar vidas. O princípio da Grade de Bragg em Fibra (FBG) será a técnica a ser estudada em laboratório para detectar, junto com a fibra óptica, onde estão ocorrendo distúrbios de pressão e temperatura. Com a conclusão do estudo, teremos (1) uma fundamentação teórica abrangente dos desastres naturais. (2) Consequências socioeconômicas. (3) Panorâmica da tecnologia empregada no Brasil para monitoramento de deslizamentos no centro nacional. (4) Conceitos de FBG e laser. (5) Revisão sistemática da literatura. (6) Levantamento de custos comparando uma hipotética topologia FGB com a tecnologia empregada pelo Centro Nacional de Monitoramento e Alerta de Desastres Naturais (CEMADEN) no Brasil. (7) Resultados do workshop com a Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) e CEMADEN. (8) Resultados comprovados em laboratório operando e medindo os lasers, caracterização do fotodetector, emenda e conexão da fibra, medidas de espectro de transmissão e recepção e medidas de deformação de FBG. A técnica proposta utilizando inscrições FBG juntamente com a fibra óptica e posicionada em pontos estratégicos subterrâneos será periodicamente interrogada para permitir monitoramento constante em tempo real e possibilitar que a Defesa Civil emita alertas de evacuação em tempo hábil, minimizando danos e principalmente salvando vidas.