Övervakning av passiva akustiska vibrationer, genererade av rörlig infrastruktur eller gruvdrift, är en kraftfull metod för att avläsa bergets kvalitet. Passiv datainsamling, där källan till den akustiska energin kommer från underjordiska aktiviteter, gör det möjligt att undersöka den djupare delen av bergvolymen. 

Fiberoptiska sensorlösningar har flera fördelar jämfört med konventionella seismiska tekniker. De är billiga, små och lätta, robusta vid höga temperaturer, okänsliga för elektromagnetiska störningar, är mångsidiga och har en låg miljöpåverkan. De är därför en lämplig lösning vid installationer under mark. Särskilt passande är DAS-tekniken som kontinuerligt kan övervaka stora områden längs en optisk fiber, upp till flera kilometer, och gör det möjligt att mäta med en hög spatial upplösning (1–10 m) längs fibern (motsvarande för en geofon vid varje 1–10 meter). 

DAS kan mäta vibrationer från några millihertz till tiotals kilohertz med en enda fiberoptisk kabelinstallation, och kräver endast åtkomst till ena änden av fibern. DAS-instrumentet kan därmed placeras flera kilometer från intresseområdet vilket ökar säkerheten för operatörerna och garanterar övervakningsmöjligheter under lång tid eftersom fibern kan installeras permanent i övervakningsområdet. I detta scenario är fördelarna med DAS-tekniken jämfört med traditionella seismiska sensorer den högre rumsliga upplösningen och förmågan att tillhandahålla flera mätpunkter i en enda och helt passiv optisk fiber som fungerar både som sensor och dataöverföringskabel. 

Möjligheten att installera fiberoptik i komplexa miljöer, till exempel i borrhål eller längs tunnlar, kommer sannolikt att förbättra 3D-karakterisering av bergvolymen även i dessa miljöer.

Samma fiberoptiska teknik, utvecklad och finjusterad i det aktuella projektet, kan också tillämpas vid byggandet av underjordisk infrastruktur i stadsmiljöer, där den geologiska modellen kan uppdateras medan bergbrytning pågår.

Detta projekt är ett genomförbarhetstest som fokuserar på karakterisering av berget i gruvan i Malmberget via en passiv akustisk (seismisk) teknik, baserad på användning av optiska fibrer (Distributed Acoustic Sensing, DAS). Det är ett unikt tillfälle att utvärdera fiberoptisk teknik mot traditionell seismisk datainsamling med geofoner som idag utförs av LKAB.

Makadamballast i järnvägsspår

I ett ballasterat spår förs belastningarna från passerande tåg ner till järnvägsbanken via slipers. Slipers är inbäddade i makadamballasten i banöverbyggnaden som är längt upp i järnvägsbanken. Ballasten utsätts för höga och upprepade belastningar när spåret är i drift. Det leder till en successiv nedbrytning av ballastkornen som skiljer sig åt för olika ställen i ballastlagret.

Nedbrytningsprocesserna är komplexa och beror förutom på belastningarna också på vilka grundegenskaper det valda bergmaterialet har, mikrosprickor i kornen, kornformer och kornstorleksfördelning, hur materialet läggs ut och packas i ett spår. Banunderbyggnadens konstruktion har betydelse för bäddstyvheten. Nedbrytning sker också vid spårarbeten, t ex i samband med spårriktning. Produktionsmetoderna av ballastmaterial påverkar ballastens kvalitet och motståndet mot nedbrytning. 

En litteraturstudie genomförs där nedbrytningsmekanismerna studeras och forskning inom kring ballastnedbrytning sammanställs. Relevans hos dagens krav och standardiserade provningsmetoder utvärderas.

Tillgång på material för höghastighetsbanor

De geologiska förhållandena och befintliga ballasttäkter längs sträckningarna beskrivs. Material från ett antal utvalda täkter väljs ut och utvärderas med de provningsmetoder som anges i standarden för järnvägsmakadam; SS-EN 13450. Materialen representerar olika ballastkvaliteter som har en spridning i tekniska egenskaper inom dagens krav för järnvägsmakadam för konventionella spår som inte är avsedda för höghastighet.

Distributed Acoustic Sensing (DAS) är en avancerad mätteknik som omvandlar optisk telekomfiber till en lång serie fiberoptiska hydrofoner som kan mäta vibrationer med ett par meters spatial upplösning längs flera kilometer fiberkabel. På detta sätt kan seismisk aktivitet kartläggas och analyseras i såväl tids- som frekvensdomänen. Dessa sensorer har också de generella fördelar som fiberoptiken medför. Ingen elektrisk energi behöver tillföras, de är immuna mot elektromagnetiska störningar, de är korrosionsbeständiga, och de är även små till storleken. Alla mätinstrument kan placeras långt ifrån mätpunkterna på fibern vilket ökar säkerheten för operatörerna.

En annan positiv aspekt som DAS-teknologin medför är möjligheten till hög spatial upplösning av seismiska data vilket ger mer detaljerade resultat för seismisk tomografi men även möjliggör analys av ytvågor. Det senare kräver en hög upplösning och kan ge relevant information om berggrundens beskaffenhet genom bestämning av ytvågornas utbredningshastighet. Utöver detta är DAS-system flexibla och mätområde och upplösning kan enkelt ändras under en pågående mätning. 

Projektets mål är att förbättra förundersökning för undervattenspassager (tunnlar) genom att visa möjligheten att använda fiberoptiska mätmetoder som tex distribuerade akustiska sensorer (DAS) för seismiska mätningar istället för konventionella hydrofonkablar.  Särskilt kommer projektpartnerna att utveckla DAS-baserade undersökningsmetoder för undersökningar i grunt vatten med syfte att integrera seismiska och elektriska mätningar i en och samma instrumentuppsättning.

Lösningen kommer att leda till enklare och mer exakta seismiska karakteriseringar, vilket resulterar i mindre tidskrävande och mer kostnadseffektiva geofysiska undersökningar. Dessutom kommer metoden med samtidiga mätningar att ge en mer tillförlitlig bergkvalitetsanalys, vilket resulterar i säkrare och mer robusta konstruktioner av underjordiska anläggningar.

Hastighet är viktigt att mäta både när det gäller fordon och olika industriprocesser. För industriella processer kan det till exempel handla om att mäta hastigheten på produktionslinor för att indirekt räkna ut hur mycket som producerats.

Det finns flera metoder för att mäta hastighet. För större objekt eller fordon är radar eller laser vanligast. För fordonsburna system är tröghetsnavigering med accelerometrar och gyroskop kombinerat med GNSS (globala navigationssatellitsystem så som GPS eller europeiska Galileo) den senaste tekniken. Industriella processer mäts oftast med enkodrar, utrustning som sätts fast direkt på eller byggs in i rörliga delar. Kamerabaserad teknik är också vanligt både för fordon och industriella processer.

Svag spårbarhet till SI

Gemensamt för alla metoder är svag spårbarhet till SI. Ofta handlar det om att validera systemet snarare än att kalibrera det. Det saknas också normaler som kan användas för att jämföra olika hastighetsmätande system med varandra. 

Noggranna mätningar av hastighet kräver noggranna mätningar av både tid och längd. Men även om det är möjligt att mäta både tid och längd med väldigt låg mätosäkerhet är hastighetsmätningar komplicerade och har ofta hög mätosäkerhet. Det beror till exempel på att den tid som ett objekts hastighet kan mätas är begränsad och ofta inte möjlig att upprepa exakt. Jämförande mätningar är också komplicerade då systemen måste samordnas i tid och rum.

RISE har tidigare utvecklat ett spårbart referenssystem för att kunna kontrollera Sveriges system för automatisk trafiksäkerhetskontroll, det vill säga fartkameror. Men behovet av spårbara hastighetsmätningar är stort från industri och näringsliv och idag saknas utrustning för att kunna möta dessa behov.

Ta fram en hastighetsnormal

Principen för en hastighetsnormal är enkel. Systemet behöver innehålla någonting som rör sig med en väl definierad och känd hastighet, med spårbarhet till både längd och tid. Vid kalibrering mäts normalens hastighet med den utrustning som ska kalibreras, och sedan jämförs mätvärdet med den kända hastigheten i systemet. I praktiken är det svårare än det låter. Hastighetsnormaler med etablerad mätosäkerhet och spårbarhetskedja saknas idag i litteraturen och BIPM:s databas innehåller inga godkända kalibreringsmetoder för hastighet. 

Målet är därför att undersöka två principer för hastighetsnormaler, välja utifrån praktisk genomförbarhet och mätosäkerhet och därefter konstruera hastighetsnormalen, utvärdera och sprida resultaten. Hastighetsnormalen ska kunna realisera olika hastigheter för att kunna kontrollera olika existerande referenssystem för hastighetsmätning och andra hastighetsmätande instrument.