Telecommunication through geological layers using seismic waves

La télécommunication à travers les couches géologiques par l’utilisation des ondes sismiques

¹ Agence national pour la gestion des déchets radioactifs, Andra, France
² Centre de recherche de Mines Paris – PSL université, Statistique et Images (STIM), France
³ Seismic Smart Solutions, S 3, France

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Abstract

This work investigates the feasibility of transmitting information through geological layers using seismic waves. It is a part of developing wireless underground communication alternatives for the Internet of Underground Things (IoUT). Experiments were conducted at the ANDRA Underground Research Laboratory to transmit for the first time data from 490 m depth to the surface. To that end, we used about 20–25 wavelengths at frequencies [103 Hz -124 Hz] with Vp = 2500 m/s. These small size data (17×11-pixel image) were encoded using the Hamming (7, 4) code. Each pixel was converted to frequency activations and transmitted from an underground tunnel to 30 geophones deployed on the surface. Time–frequency analysis enabled identification of emitted frequencies. Using threshold-based frequency detection followed by Hamming error corrector, the transmitted image was successfully reconstructed. Stacking five repeated experiments significantly improved the signal-to-noise ratio and reducing pixel errors. Although only a few errors were observed in this small test case, larger and more complex datasets are expected to better challenge the robustness of the Hamming code. These findings show the potential seismic waves as a viable communication method in deep geological environments. It also emphasizes the necessity for adaptive decoding algorithms and further testing with larger images.

Résumé

Cette étude examine la possibilité de transmettre des informations à travers des couches géologiques en utilisant des ondes sismiques. Elle se rattache au développement de méthodes de communication sans fil pour l’Internet des objets souterrains (IoUT). Des expériences ont été menées au Laboratoire de Recherche Souterrain de l’Andra pour transmettre, pour la première fois, des données depuis 490 m de profondeur jusqu’à la surface. Pour ce faire, 20–25 longueurs d’onde P ont été utilisées pour des fréquences de 103 à 124 Hz avec Vp=2500 m/s. Les données, incluant une image de 17×11 pixels, ont été codées avec un code Hamming (7,4), converties en activations de fréquence et transmises vers 30 géophones en surface. L’analyse temps-fréquence a permis d’identifier les fréquences émises et, grâce au décodage Hamming, l’image a été correctement reconstituée. La somme de cinq expériences répétées a amélioré le rapport signal-bruit et réduit les erreurs de pixels. Bien que ce test ait révélé peu d’erreurs, des ensembles de données plus grands et complexes permettront d’évaluer plus précisément la robustesse du code. Ces résultats confirment le potentiel des ondes sismiques comme moyen de communication en milieu géologique profond et soulignent la nécessité de méthodes de décodage adaptatives ainsi que de tests supplémentaires avec des images plus volumineuses.