CN108474674A - 使用分布式光纤传感进行追踪 - Google Patents

Abstract

本申请描述了用于在光纤分布式声学传感（DAS）网络（100）中追踪目标（105）的方法和装置。DAS网络包括询问沿感兴趣的路径部署的传感光纤（102）的多个询问器单元（103），以提供DAS传感器。在DAS网络的多个追踪器节点（106‑1、106‑2、106‑3）中的每个处追踪（303）目标，其中每个追踪器节点从一个或多个DAS传感器接收测量信号并应用追踪算法以追踪相应追踪器分区中的任何目标。每个追踪器节点针对每个目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集。该方法涉及标识（307）第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区，并且从第一追踪器节点向第二追踪器节点供应（308）用于第一目标的目标描述符。第二追踪器节点使用目标描述符来追踪第一目标到第二追踪器分区中的任何进入。

Description

使用分布式光纤传感进行追踪

本申请涉及用于使用分布式光纤传感器追踪物体的方法和装置，并且特别涉及通过多个光纤分布式声学传感器追踪目标。

光纤分布式声学传感（DAS）是一种已知类型的传感，其中光纤被部署为传感光纤并且用电磁辐射被重复地询问以提供沿其长度的声学活动的传感。通常，辐射的一个或多个输入脉冲被发射到光纤中。通过分析从光纤内反向散射的辐射，光纤可以有效地分成可以是（但不是必须是）连续的多个离散传感部分。在每个离散传感部分内，光纤的机械干扰（例如，由于入射声波引起的应变）引起从该部分反向散射的辐射的属性的变化。该变化可以被检测和分析并用于给出在该传感部分处的光纤的干扰的度量。因此，DAS传感器有效地充当光纤的声学传感部分的线性传感阵列。光纤的传感部分的长度由询问辐射的特性和应用于反向散射信号的处理确定，但是通常可以使用约为几米到几十米的传感部分。

DAS已被用于许多应用中，诸如周边安全性和线性资产（诸如管道）的监视。其中已经提出可以采用DAS传感器的一个特定应用在于监视运输网上的交通的移动中，例如监视在铁路网络上移动的列车。

对于交通监视，传感光纤可以部署成大致沿运输网的至少部分的路径布设，例如其中（多个）传感光纤被部署成大致沿一个或多个铁路轨道或铁路网络或者道路网的道路的路径布设。与DAS传感光纤邻近的运输网上的车辆（例如，列车轨道上的列车）的移动将生成声学信号，声学信号可以用于在车辆移动时追踪车辆，从而沿监视部段的整个长度连续地提供到几十米分辨率的实时位置信息。

DAS具有用于这样的交通监视的若干个优点。DAS可以应用于在长的光纤长度之上提供许多传感通道，例如DAS可以应用于长达40km或更长的光纤长度上，其中具有约为10m长的连续传感通道。因此，可以使用单个DAS传感器来监视长段的运输网。对于超过40km左右的长度，可以以各种间隔部署若干个DAS传感器单元，以提供对任何期望长度的运输网的连续监视。

传感光纤可以是标准的电信光纤，因此相对便宜。光纤可以简单地在狭窄通道中沿运输网旁边（例如，沿边）或在轨道或道路下方掩埋，并且相对容易安装。光纤可以装在保护壳中，并且可以在没有维护的情况下在长时间内存放。因此安装和维护成本很低。在许多运输网中，可能已经存在沿至少主要路线部署的光纤，并且这样的现有通信基础设施可以包括可以用于DAS的冗余光纤。

光纤被询问器单元所生成的光学脉冲询问，因此功率仅需要用于询问器单元。

因此，在运输网设置中，DAS系统提供了实现期望的空间分辨率和覆盖范围的能力，使用其他传感技术来实现其将是非常困难且昂贵的并且其允许对运输网的实时监视和/或控制。

如上所述，为了提供在大的感兴趣区域之上的覆盖，诸如在典型的运输网的情况下，可能需要具有覆盖感兴趣区域的不同部分的多个传感光纤，每个传感光纤被合适的DAS询问器单元询问。因此，这可以涉及在要监视的区域中部署多个DAS询问器单元，其至少一些可以彼此远离。

本发明的实施例涉及用于利用多个DAS询问器单元提供DAS传感器网络中的目标追踪的方法和装置。

因此，根据本发明，提供了一种在光纤分布式声学传感（DAS）网络中追踪目标的方法，包括：

在DAS网络的多个追踪器节点中的每个处追踪目标，其中每个追踪器节点：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的追踪器分区中的任何目标；以及

针对每个目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

该方法还包括：

标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区，并且从第一追踪器节点向第二追踪器节点供应用于第一目标的目标描述符，其中目标描述符包括用于第一目标的追踪数据集的至少一些；以及

在第二追踪器节点处使用目标描述符来追踪第一目标到第二追踪器分区中的任何进入。

因此，该方法将关于被追踪的目标的数据从第一追踪器节点切换到第二追踪器节点。在使用中，如下面将更详细描述的，追踪算法将维护与目标有关的追踪数据集以用于追踪的目的。该追踪数据集可以基于来自追踪目标的历史数据。在该实施例中，第一追踪器节点提供追踪数据集的至少一些作为目标描述符的部分，以帮助由第二追踪器节点获取目标。这避免了第二追踪器节点必须犹如目标是完全新的目标那样完全重新获取和追踪目标。实际上，目标在追踪器节点之间切换。

目标描述符也可以包括跨DAS网络是唯一的用于第一目标的标识。

在一些实施例中，追踪数据集包括以下中的至少一个：当前位置、速度、加速度、以及加速度的变化率。在一些实施例中，追踪数据集可以包括用于卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵。

在一些实施例中，用于第一目标的目标描述符可以包括由第一追踪器节点针对第一目标维护的所有追踪数据集。

用于第一目标的目标描述符还可以包括指示追踪数据集被更新或验证的最后时间的时间戳。

标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区的步骤可以由第一追踪器节点执行。在这种情况下，每个追踪器节点可以至少觉知它的具有与它的追踪器分区接界或重叠的追踪器分区的相邻追踪器节点。

然而，在一些情况下，标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区的步骤可以由接收关于由每个追踪器节点追踪的目标的信息的控制网络节点执行。控制节点可以标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区，然后可以生成到第一追踪器节点的指令它传送相关目标描述符的控制信号。控制信号可以指令第一追踪器节点将相关目标描述符发送到第二追踪器节点。替代地，控制节点可以接收相关目标描述符并将其转发到第二追踪器节点。

目标描述符可以包括指示哪个追踪器节点负责第一目标的第一字段。在一些实施例中，第一追踪器节点可以向第二追踪器节点提供其中第一字段被设置成指示第一追踪器节点负责第一目标的至少一个目标描述符，并且随后向第二追踪器节点提供其中第一字段被设置成指示第一追踪器节点不再负责第一目标的经更新的目标描述符。

在一些实施例中，每个追踪器节点可以被配置为针对被追踪的至少一些目标维护用于目标的至少一个匹配滤波器模板，并使用至少一个匹配滤波器来追踪相关目标。在这种情况下，目标描述符可以包括由第一追踪器节点针对第一目标维护的至少一个匹配滤波器模板。第二追踪器节点可以使用来自目标描述符的至少一个匹配滤波器模板来在第二追踪器分区中获取并追踪第一目标。

DAS网络可以被配置为追踪运输网上的交通的移动。运输网可以是铁路网络。

在另一方面，提供了一种用于光纤分布式声学传感（DAS）网络的追踪器节点，包括：

处理器，其被配置为在使用中：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；以及

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，追踪算法被配置为针对任何这样的目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

其中，处理器被配置为使得当第一目标接近DAS网络的另一追踪器节点的第二追踪器分区时，处理器将用于该第一目标的目标描述符传送到用于所述第二追踪器分区的适当追踪器节点，

其中，所述目标描述符包括所述追踪数据集的至少部分。

该方面的追踪器节点可以被布置为实现第一方面的任何变型的方法。

处理器还可以被配置为：接收用于第二目标的目标描述符，其中用于第二目标的目标描述符对应于关于正在接近第一追踪器分区的DAS传感器网络的另一追踪器节点的追踪器分区中的目标的数据。处理器可以被配置为使用所述目标描述符来追踪第二目标到第一追踪器分区中的任何进入。

在另一方面，提供了一种用于光纤分布式声学传感（DAS）传感器网络的追踪器节点追踪器节点，包括：

处理器，其被配置为在使用中：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；以及

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，追踪算法被配置为针对任何这样的目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

其中，处理器被配置为接收用于第一目标的目标描述符，其中用于第一目标的目标描述符对应于关于正在接近第一追踪器分区的DAS传感器网络的另一追踪器节点的第二追踪器分区中的目标的数据，并且

处理器被配置为使用所述目标描述符来追踪第一目标到第一追踪器分区中的任何进入。

该方面的追踪器节点也可以被布置为实现第一方面的任何变型的方法。

还提供了一种用于光纤分布式声学传感（DAS）传感器网络的控制节点，包括：

控制器，其被配置为从多个追踪器节点接收目标参数，每个追踪器节点包括一个或多个DAS传感器和处理器，处理器被配置为应用追踪算法以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，控制器被配置为确定第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器分区，并控制目标描述符从与第一追踪器分区相关联的追踪器节点传输到与第二追踪器分区相关联的追踪器节点，其中目标描述符包括用于追踪第一目标的目标属性的追踪数据集的至少部分。

现在将仅通过示例的方式关于附图来描述本发明，其中：

图1图示了DAS传感器网络的一个示例；

图2图示了DAS询问器单元；以及

图3图示了根据本发明的实施例的方法的流程图。

图1图示了光纤分布式声学传感（DAS）网络100的一个示例。DAS网络100被布置为提供对感兴趣区域的监视，并且在该示例中，网络被布置为提供对包括一个或多个铁道或铁路轨道101的运输网的监视。DAS网络100包括多个光纤102-1至102-5，每个沿感兴趣路径部署。在该示例中，光纤102-1至102-5中的每个（本文将称为传感光纤）被部署成使得传感光纤的至少部分大致沿铁路轨道101的部分的路径布设。每个传感光纤102-1至102-5附接到相应的DAS询问器单元103-1至103-5。在使用中，DAS询问器单元可以在传感光纤上执行分布式声学传感。DAS询问器单元103和传感光纤102的组合在本文应称为DAS传感器。

图2图示了DAS询问器单元103的一个示例。如所讨论的，传感光纤102直接通过一些合适的可移除连接或者在一些情况下间接地例如经由中间光纤等在一端处光学地耦合到询问器单元103。如所述，传感光纤102在长度方面可以是许多千米，并且例如在长度方面可以是40km或更长。传感光纤可以是标准的、未经修改的单模光纤，诸如通常用于电信应用中而不需要有意引入的反射位点，这样的光纤布拉格光栅等。使用未经修改长度的标准光纤来提供传感的能力意味着可以使用低成本的可易于获得的光纤。然而，在一些实施例中，传感光纤可以包括已经被制造或布置成对入射振动尤其灵敏的光纤。通常，传感光纤将形成光纤电缆结构的部分，可能作为电缆内的一束光纤之一，并且可选地具有其他组件，诸如加强或铠装元件或者布置成调整对横向应变的响应的元件。由于传感光纤通常相对便宜，所以传感光纤可以以相对永久的方式部署在某一位置中，因为使光纤保持原位的成本并不明显。例如，传感光纤的至少部分可以沿铁路轨道旁边掩埋在地下。

在操作中，询问器单元103将可以例如包括具有所选频率模式的一系列光学脉冲的相干询问电磁辐射发射到传感光纤中。尽管使用单个询问脉冲或连续调制波的DAS传感器也是已知的并且可以被使用，光学脉冲可以具有如专利公开GB2,442,745或WO2012/137022中所述的频率模式，所述专利公开的内容由此通过引用并入于本文。注意，如本文所使用的，术语“光学”不限于可见光谱，并且光学辐射包括红外辐射和紫外辐射。因此，询问器单元103包括至少一个激光器201和至少一个光学调制器202以用于产生询问辐射，在一个实施例中，其可以包括通过已知的光学频率差分开的多个光学脉冲。

如GB2,442,745或WO2012/137022中所述，瑞利反向散射的现象导致输入到光纤中的光的一些部分被散射回到询问器单元，在询问器单元中其被检测并处理以提供表示作用于光纤上的干扰的测量信号。当询问辐射是相干的时，在任何时刻在询问器处接收回的瑞利反向散射是在光纤内从光纤中的特定位置生成的反向散射的干涉信号。将注意，该瑞利反向散射通过询问辐射与光纤内存在的固有散射位点之间的相互作用而生成。因此，传感功能可以有效地遍及整个传感光纤分布（尽管返回波（return）在时间段（time bin）中被处理以提供来自光纤的各个传感部分的结果）。因此，这样的传感器被称为分布式传感器或本征传感器，因为传感遍及光纤本身且本征分布。这与使用了具有光纤布拉格光栅（FBG）或类似有意引入的非本征反射位点的光纤的传感器形成对照，其中传感功能在限定区域中提供，通常作为点传感器。

遍及传感光纤的散射位点的分布有效地是随机的，因此反向散射干涉信号包括沿传感光纤的长度随机变化的分量。然而，通常，在没有作用于传感光纤上的任何环境刺激的情况下，来自光纤的给定传感部分的反向散射的特性对于连续询问将是相同的（假设询问辐射的特性不改变）。然而，诸如在光纤的部段上创建动态应变的入射声波之类的环境刺激将导致用于该传感部分的有效光学路径长度的改变，其中具有来自该部段的反向散射干涉信号的属性的结果所得的变化。该变化可以被检测并用于指示作用于传感光纤上的干扰的程度。

因此，询问器单元103还包括至少一个光电探测器203，其被布置成检测从光纤102内的本征散射位点瑞利反向散射的辐射。然而，应注意，虽然瑞利反向散射DAS传感器在本发明的实施例中非常有用，但是基于布里渊散射或拉曼散射的系统也是已知的，并且可以用于本发明的一些实施例中。

来自光电探测器的信号由信号处理器204在与到传感光纤的限定传感部分的往返行进时间对应的时间段中处理。每个时间段中的信号被处理以检测反向散射属性的任何变化，并生成用于每个传感部分的测量信号。

在一些示例中，信号处理器基于发射到传感光纤中的询问辐射的光学脉冲之间的频率差来解调返回的信号。询问器可以如例如GB2,442,745或WO2012/137022中所述或者如WO2012/137021中所述那样操作。在一些实施例中，信号处理器还可以应用相位展开算法。

在一些示例中，测量信号的相位从来自光纤的各个部分的反向散射光导出。诸如将由于引起光纤上的应变的入射压力波的、光纤的给定部段内的有效光学路径长度的任何改变将导致重复询问之间的测量相位的改变。因此，作用于光纤上的动态改变因此可以在光纤的多个传感部分中的每个中被检测。

光学输入的形式和检测的方法允许单个连续光纤在空间上分解成离散的纵向（longitudinal）传感部分。也就是说，在一个传感部分处传感的声学信号可以基本上独立于在邻近部分处的传感信号而提供。光纤的传感部分的空间分辨率可以是例如约10m，其对于约为40km的连续长度的光纤来说，提供沿40km的光纤部署的4000个独立的声学通道左右。可以在具有不同通道宽度的光纤上布置更多通道。

注意，术语“声学”应意味着可能导致光纤上的应变的改变的任何类型的压力波或机械干扰，并且为避免疑义，术语“声学”被采取为包括超声波和亚音速波以及地震波。如本说明书中所使用的，术语“分布式声学传感”或“DAS”将被采取为意味着通过光学询问光纤进行传感以提供沿光纤纵向分布的多个离散声学传感部分，并且应相应地解释术语“分布式声学传感器”。

因此，来自询问器单元103的输出可以是用于相关传感光纤的每个传感部分的测量信号，其指示作用于该传感部分上的声学信号或动态应变。各个传感部分也可以称为DAS传感器的通道。询问器单元103的输出可以被传递到处理器单元104，处理器单元104可以被配置为分析用于各个通道的测量信号以寻找感兴趣事件的信号特性。

在图1所示的示例中，处理单元104可以被布置为处理来自一个或多个DAS询问器单元103（即来自一个或多个DAS传感器）的测量信号，以便检测铁路网络上的一个或多个感兴趣事件。特别地，（多个）处理单元可以被配置为检测在铁道101的部段上的列车105的移动的测量信号特性。（多个）处理单元104还可以被配置为追踪在网络上的列车的移动。因此，处理单元可以被布置成实现追踪器，即，将追踪算法应用于来自（多个）DAS传感器的测量信号，以追踪目标——在该示例中为在铁路网络上的列车——的移动。因此，追踪器使用可用于该处理单元的DAS测量数据来操作。

处理器单元104可以与询问器单元103共同定位或远离询问器单元103。然而，在实践中，每个询问器单元将在使用中输出相对大量的数据。为了避免必须围绕DAS网络或向某个控制节点107传送大量数据的负担，处理器单元104通常可能倾向于与一个或多个询问器单元共同定位以提供测量信号的本地处理。

因此，处理单元104可以被视为DAS网络的追踪器节点。

参考图1，DAS网络因此可以包括多个分布式追踪器节点106-1至106-3，可能还具有至少一个控制节点107。在一些追踪器节点（例如追踪器节点106-1）中，处理单元104可以仅从单个询问器单元103-1接收数据。然而，在一些追踪器节点中，处理器单元104可以与两个或更多个询问器单元共同定位，如由追踪器节点106-2和106-3所示。因此，追踪器节点处的处理单元104可用的DAS数据可以包括来自一个或多个DAS询问器单元103（即来自一个或多个DAS传感器）的测量信号。

通常，追踪器将被实现为在基本上连续的一组DAS通道上操作，所述DAS通道在空间上被校准，即DAS通道相对于彼此的空间布置是已知的。因此，在追踪器节点106-1处实现的追踪器进行操作以跨传感光纤102-1的通道追踪目标。在追踪器节点106-2处实现的追踪器进行操作以跨在该示例中形成基本上连续的背靠背的一组DAS通道的传感光纤102-2和102-3的通道追踪目标。

每个追踪器可以标识和追踪在其监视的网络部段（即与向给定追踪器节点106供应数据的一个或多个DAS传感器所监视的区域对应的追踪器分区）上移动的目标。可以向控制节点107（例如交通网络控制中心）提供关于追踪的目标的信息，因此避免了传送基本声学测量数据即由（多个）DAS询问器单元所生成的基础数据的需要。

每个追踪器节点通常可以被实现为针对每个标识的目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集。追踪数据集的确切形式将取决于特定追踪器的实现而变化，但是例如追踪器可以维护具有用于以下中的一个或多个的值的用于每个目标的数据集：当前位置、速度、加速度、以及加速度的变化率。在一些实施例中，可以采用更复杂的追踪方法，例如使用卡尔曼滤波器。在这种情况下，由状态向量和协方差矩阵表示的滤波器的内部状态可以形成有关数据集的至少部分。

无论追踪器的复杂度如何，其都可以被实现为在受约束目标（诸如在铁道轨道上的列车）的情况下对一维数据进行操作。为了监视其中传感光纤被部署成大致沿铁路轨道的路径布设的铁道，DAS通道可以在很大程度上映射到沿轨道的前进（progression），并且追踪器可以被约束成追踪沿通道移动的目标。

然而，在一些应用中，追踪器可以对二维数据进行操作例如以用于追踪表面目标，诸如受较少约束的行人或地面车辆。在一些应用中，这样的追踪器可能适于对三维数据进行操作。例如，DAS已经被提出用于确定被用于钻井眼的钻头的三维的位置，并且追踪器可以被实现为追踪钻井进度。在这样的示例中，可能需要来自多于DAS传感光纤的数据以提供三维位置的估计。

参考图1，由追踪器节点106-2的处理单元实现的追踪器因此可以追踪列车105沿铁路轨道的移动。然而，将看出的是，在某个点处，列车将离开由传感光纤102-3所监视的铁路网络的部段，并且前进到由通过与不同处理单元相关联的询问器单元103-4询问的传感光纤102-4所监视的铁路轨道的部段。因此，将理解的是，与该目标（即列车）对应的信号将从追踪器节点106-2处的追踪器可用的数据中消失，并且作为代替开始出现在追踪器节点106-3处实现的单独追踪器可用的数据中。换句话说，目标将从追踪器节点106-2的追踪器分区跨越到追踪器节点106-3的追踪器分区中。

本发明的实施例涉及用于DAS传感器网络的单独追踪器之间的目标切换的方法和装置。因此，实施例涉及标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区，并且从第一追踪器节点向第二追踪器节点供应将改善由第二追踪器节点对目标的获取和追踪的数据。

当标识的目标已经在一些时间内被追踪时即仅在与目标获取之后的某个时段对应的历史数据可用于/已经可用于追踪器之后，就当前位置和/或目标的速度的准确性和/或速度/位置预测的准确性而言的追踪器的性能通常是最佳的。根据本公开的方法，关于目标的数据从第一追踪器节点传递到第二追踪器节点，以减轻与必须在没有任何历史数据的益处的情况下即犹如它是全新的目标那样完全靠自己获取和追踪目标的第二追踪器节点相关联的性能的任何下降。通过从一个追踪器节点向另一个追踪器节点（例如，从DAS网络的一个处理单元向另一个处理单元）提供关于目标的至少一些信息，可以改善跨整个网络的追踪性能。

在根据一个实施例的方法中，从一个追踪器节点传递到另一个追踪器节点的数据包括用于相关目标的目标描述符。目标描述符可以包括如上所述的追踪器针对每个目标维护的数据集中的至少一些并且可能是所有，例如当前位置、速度、加速度、和/或加速度的变化率。目标描述符还包括用于每个目标的唯一标识，例如，跨DAS网络是唯一的唯一目标号码或代码。可以在过程性地（procedurally）例如基于第一次检测到新目标的时间和位置生成标识，以便确保每个追踪器节点可以在需要时生成唯一ID，或者来自预限定列表的接下来的标识可以由追踪器节点的处理单元分配或者从控制节点接收。

在一些实施例中，目标描述符还可以包括用于追踪器数据集的时间戳，即数据集最后被更新/验证的时间的指示。这可以允许利用实时参考进行追踪预测。

当目标移出追踪器节点的追踪器分区即由追踪器（“现任追踪器”）监视的区域时，用于该目标的相关目标描述符可以被传递到与可能的目的地追踪器分区相关联的至少一个追踪器节点（即，可能的“后继追踪器”）。因此，在图1所示的示例中，当列车105从由传感光纤102-3监视的轨道的部段移动到由传感光纤102-4监视的轨道的部段时，在追踪器节点106-2处的处理单元104上运行的现任追踪器将把相关目标描述符交给在追踪器节点106-3的处理单元104上运行的后继追踪器。目标描述符可以在目标在两个数据流之间移动之前不久被传达给后继追踪器。该事件的最优定时可以取决于应用细节，但通常应刚好在来自目标的信号开始出现在后继追踪器的数据流中之前传递目标描述符。

在一些情况下，该方法可以另外包括随后传递将携带更加新近的数据的至少一个经更新的目标描述符。以这种方式，后继追踪器在目标即将出现时接收目标的早期警告，但是也当目标在源和目的地追踪器分区之间转移时接收最最新的数据集细节。如上所述，每个目标描述符携带用于目标的唯一ID，以使得如果应用需求，则该过程可以在没有歧义的情况下重复多次。

方便地，现任追踪器仅向具有可能是用于相关目标的目的地的对应追踪器分区的那些追踪器节点提供目标描述符。换句话说，当列车从沿传感光纤102-3旁边的轨道的部段传递到沿传感光纤102-4旁边的轨道的部段时，相关目标描述符被传递到追踪器节点106-3的处理单元104但不传递到追踪器节点106-1。在一些实施例中，至少本地网络拓扑可以由各个追踪器节点已知，即，第一追踪器节点可以觉知它的具有与第一追踪器节点的追踪器分区接界或重叠的追踪器分区的相邻追踪器节点。然而，在一些实施例中，单独的追踪器节点可以与控制节点107通信，并且它可以是控制节点107，其标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区。在这种情况下，控制节点107可以采取步骤以确保相关目标描述符从第一追踪器节点传达到第二追踪器节点。在一些实施例中，控制节点可以向第一追踪器节点发送指令其将相关目标描述符发送到第二追踪器节点的控制信号。替代地，控制节点可以从第一追踪器节点接收目标描述符并将其转发到第二追踪器节点。

对于铁路网络，这将相对简单。例如，在所示的示例中，如所示那样行进的列车105将不可避免地从由传感光纤102-3监视的轨道的部段传递到由传感光纤102-4监视的轨道的部段。因此，在该方向上行进的列车只能从追踪器节点106-2的追踪器分区传递到追踪器节点106-3的追踪器分区。如果列车继续在相同的总体方向上行进，则它将在适当的时候传入由传感光纤102-5监视的轨道的部段，但留在追踪器节点106-3的追踪器分区中。然而，将注意的是，在该示例中，作为代替，列车可能能够采取不同的分支，即由传感光纤102-1监视并因此与追踪器节点106-1的追踪器分区相关联的分支。当列车接近网络的该分支时，也可以将目标描述符提供给与追踪器节点106-1相关联的候选后继追踪器，以防列车采取该分支。因此，各种追踪器分区的布置相对良好限定且简单。

在铁路网络监视中，给定列车通过网络的意图路径和/或在给定用于网络的控制信号的当前状态的情况下的列车的预期运动也可以是已知的。换句话说，可以预期被追踪的列车在可能的分支点处走某条路。

对于其他应用（例如大规模边界保护系统，其可能需要追踪可以以较少约束的方式自由移动的人员和/或车辆的移动和/或其中可能存在提供至少部分重叠的追踪器分区的多个不同传感光纤），确定可能的候选后继追踪器可能更复杂，并且可以基于目标位置和轨迹的最佳估计将目标描述符提供给若干个候选后继追踪器，即若干个可能的目的地追踪器分区的追踪器节点。

在一些实施例中，现任追踪器可以在目标描述符中包括字段（例如标志），其指示它当前是用于特定目标的负责的追踪器。在这种情况下，后继追踪器可以使用目标数据集来帮助获取目标，但它可能不会开始例如向中央控制207报告目标参数。以这种方式，后继追踪器不提供目标报告，而目标仍由现任追踪器追踪，现有追踪器本身将提供目标报告。当现任追踪器失去目标或失去追踪目标的足够置信度时，可以向后继追踪器提供经更新的目标描述符，其中相关标志被重置成使得后继追踪器然后可以成为新的现任追踪器并开始报告目标参数。另外或替代地，后继追踪器可以被布置成使用目标描述符来帮助获取目标。如果后继追踪器以良好的置信度获取目标，则它可以向现任追踪器发信号通知已经获取了目标，并且此时后继追踪器可以成为新的现任追踪器并接管对报告的责任。

然而，在一些实施例中，可以将多个追踪器布置到每个轨道并报告相同的目标。因此，现任追踪器和后继追踪器两者都可以提供目标报告，只要它们都可以追踪目标。如果用于目标的唯一ID（将由追踪器共享）被包括在报告中，则在报告中将不存在歧义，并且多个报告可能对某个控制节点是有用的，以用于置信度或冗余目的。

依照根据本公开的方法，因此可以跨具有基本上连续的DAS覆盖的任意网络连续地追踪目标，而不必多于一次获取目标。

如上所述，在对铁路网络监视的特定应用中，目标即列车的意图路径可能是已知的，和/或控制网络上的交通的移动的信号的状态可能是已知的。因此，目标追踪的技术可以用于确认目标正在根据信令移动。这可能是对于某些类型的追踪系统的要求，例如，对于安全集成等级4系统（SIL-4）的要求可能是目标如所预测的那样在传感器之间传递。因此，追踪控制和信令控制可以彼此通信，以确保交通的移动如所预测的那样并且传感器正确地运作。

在一些实施例中，为了优化整体系统性能，期望使用目标检测器作为到追踪器的输入，该目标检测器被设计为最大化用于特定目标的SNR。

已经理解的是，在某些情况下，目标可以在DAS数据中生成相对一致和独特的信号。例如，考虑沿由DAS传感器检测的运输网移动的车辆，其中传感光纤埋在地下以大致沿运输网的部分的路径布设。当车辆沿轨道移动时由车辆生成的声学信号可以是合理一致的。这些信号与DAS传感器的耦合也可以是合理一致的。鉴于DAS传感器沿运输网旁边连续地布设，可以发展出关于目标移动的合理量的一致数据——这将难以利用其他类型的传感器获得。

已经理解的是，在这种情况下，可以生成用于特定目标的匹配滤波器。匹配滤波器是线性信号处理技术，其有效地针对特定特性信号进行区分，并因此为感兴趣的信号提供良好的信噪比（SNR）。

已经发现，该技术非常适用于追踪在铁路网络上的铁路车辆的移动，因为铁路的平滑性意味着DAS信号由车轮间距和负载分布支配，其在车辆运动期间保持一致。相比而言，诸如卡车的车辆在相对粗糙的表面（例如，未铺砌的道路等）上的移动可能由于表面粗糙性和凹坑等而导致通常不一致的DAS信号。

因此，在一些实施例中，单独的追踪器可以被配置为导出用于标识的目标的匹配滤波器，或者至少确定是否可以导出改善SNR的匹配滤波器。用于匹配滤波器的模板可以在可以在一些情况下相对较短的一段时间内（例如在利用通用检测器的目标获取之后的前几秒内（即在应用匹配滤波器之前））从DAS数据的若干个通道导出。一旦匹配滤波器在操作中，则它将为特定目标提供SNR的显著改善。这还将改善所报告的目标位置和速度的准确性，并且可以提供对会以其他方式削弱追踪性能的外来信号的一定程度的抗扰度。匹配滤波器的使用还可以提供在对于利用通用检测器可靠地获取所必需的信号电平以下继续准确追踪的能力。

在使用中，当追踪目标时，可以针对速度自动缩放（scale）匹配滤波器模板以确保维持匹配。在一些实施例中，在使用中，当追踪目标时，匹配滤波器模板可以使用自适应滤波器技术来适配，以确保在环境变化的情况下维持最优性能。例如，在追踪铁路车辆的应用中，用于铁路轨道的道碴的道碴密度的改变或者传感光纤与铁路轨道之间的距离的变化可能导致最优匹配滤波器随时间缓慢改变。因此，自适应技术利用上述的相关联益处来维持良好性能。

在一些情况下，为每个被追踪的目标导出和使用多于一个匹配滤波器模板可能是有益的。例如，当追踪在长度方面可能是几百米或甚至几千米的长列车时，在列车的每一端处针对相对较短（例如100m）部段维持匹配滤波器可能是有利的。换句话说，可能存在用于列车的前部的一个匹配滤波器以及用于列车的后部的一个匹配滤波器。两个单独的滤波器可能将在提供列车的前部和后部的位置方面交付更好的性能，这可能是非常重要的，如果DAS传感器网络是自动列车控制系统的部分的话。在这种情况下应用于整个列车的单个匹配滤波器可能失去相干性，因为列车的车厢之间的耦合是相对柔顺的（compliant），因此列车的部分可能经历累积的长度改变，从而影响滤波器的准确性。具有分别针对列车的前部和后部调整的两个单独的匹配滤波器的追踪器将能够以高准确性追踪列车的前部和后部的位置，这可以用于列车位置报告和丢失的车厢检测。

DAS传感器网络的性质促进以这种方式导出和使用匹配滤波器的能力，尤其是在追踪铁路车辆中，并且与DAS传感器数据一起使用匹配滤波器来追踪铁路车辆是本公开的新颖方面。然而，与较早讨论的追踪一样，匹配滤波器的使用需要一定量的历史数据来正确地操作，这些数据当目标从现任追踪器转移到后继追踪器时将丢失。

因此，在一些实施例中，可以从现任追踪器传递到后继追踪器的目标描述符可以包括用于特定目标的匹配滤波器模板。当相关目标在由相应追踪器监视的区域之间转移时在追踪器之间传递与目标相关联的匹配滤波器模板有助于在目标围绕DAS传感器网络移动时维持最优追踪性能。来自DAS传感器的测量数据通常从一个传感器到另一个传感器是非常一致的，因此匹配滤波器模板可以由后继追踪器直接用于其可用的数据上。匹配滤波器对后继追踪器的可用性将显著改善后继追踪器标识目标的能力，这因此可以改善两个追踪器之间的目标的切换的可靠性，尤其是如果由相应追踪器监视的区域之间的边界区域很嘈杂的话。

因此，本发明的实施例涉及跨具有多个DAS传感器的DAS网络追踪目标的、并且特别是用于跨由维持良好追踪性能的不同DAS传感器监视的追踪器分区追踪目标的方法和装置。追踪器可以在传感器网络的不同部分处即在分布式追踪器节点处实现，以避免围绕网络传输大量的测量数据。实施例涉及不同追踪器节点之间的目标的切换。

图3图示了方法的一个示例的流程图。

在步骤301处，可以由在DAS网络的追踪器节点的处理单元上运行的追踪器标识新目标。新目标是至少在特定时间范围内对DAS网络新的目标，因此新目标不是从另一个追踪器节点切换的目标。新目标可以是从受监视区域外部进入由DAS网络监视的区域中的目标。新目标也可以是在由DAS网络监视的区域内变为活动的目标。例如，当监视铁路网络时，目标可以被标识为活动列车。在一些时间，列车可能是不活动的，例如过夜列车可以有效地停放在已知位置中。列车的位置可以为铁路网络控制器所知，尤其是如果停放在铁路网络的受控部分上的话，但它可能不被归类为活动目标，并且如果静止且无动力则其不会生成由DAS网络检测到的任何声学信号。当列车启动并开始移动时，它可以被DAS传感器检测到并因此被分类为新的活动目标。然而，应注意的是，活动列车可能不时地停在例如车站处或一些控制信号处，但仍被分类为活动目标。

如果检测到对DAS网络新的目标，则它因此将被分配唯一ID。这可以由以使得每个目标ID将是唯一的这样的方式检测新目标的追踪器节点过程性地生成，或者追踪器节点可以简单地从预限定列表分配代码，其中每个追踪器节点具有唯一条目（entry）的列表。替代地，在任何新目标检测时，相关追踪器节点可以将检测发信号通知给分配唯一ID的某个控制节点。

在一些实施例中，在获取目标之后，可以导出302匹配滤波器模板。获取目标之后的一定量的数据可以被收集并且用于导出匹配滤波器模板。本领域技术人员将理解可以如何从历史数据导出匹配滤波器模板。

在任何新目标检测之后，追踪器节点将追踪303目标并且还维护用于追踪器的追踪数据集。如前所述，追踪数据集将取决于所使用的追踪算法的特定实现，但包含对追踪算法有用的信息，诸如位置、速度、加速度等。

在一些实施例中，追踪器节点可以在步骤304处确定它是否是该目标的现任追踪器，即负责关于该目标进行追踪和报告的DAS网络的追踪器。如果是，则追踪器节点将在步骤305中报告目标参数。目标参数的报告可以包括报告目标的当前位置和ID以及诸如航向、速度、加速度等的参数和/或向一些合适的视觉显示器供应数据。目标参数可以被报告给一些DAS网络控制器（例如一些控制节点）和/或取决于应用而传送到一个或多个其他预定实体。例如，在铁路监视的应用中，可以将目标参数提供给一个或多个铁路网络控制站，以在监视和/或控制铁路网络中使用。

对于由单个追踪器节点检测到的全新目标检测，该追踪器节点将是现任追踪器。在一些实施例中，追踪目标的任何追踪器节点一旦其能够追踪目标就可以是现任追踪器，因此在一些时间可能存在用于单个目标的多个现任追踪器。如果存在多个追踪器节点，每个追踪器节点是用于给定目标的现任追踪器，则控制节点可以从每个追踪器节点接收与该目标相关的目标参数。然而，由于目标参数可以包括目标ID，所以中央控制将能够确定所接收的目标参数涉及同一目标并例如通过选择一组或组合数据来相应地处理数据。

然而，在一些实施例中，DAS网络可以被布置成使得能够追踪目标的追踪器节点可能不是用于该目标的现任追踪器。在这种情况下，非现任追踪器可以追踪目标但可能不报告目标参数。

在一些实施例中，在使用匹配滤波器模板的情况下，当跨网络追踪目标时，可以在使用中适配306模板。

在步骤307处，确定被追踪的目标是否正在接近另一个追踪器分区，即其中来自目标的信号可以由DAS网络的另一个追踪器检测到的由DAS网络监视的区域的部分。在DAS网络中，在单独的DAS传感器的覆盖之间存在有限程度的重叠的情况下，当目标接近适于现有追踪器的追踪器分区的边界或者在其中目标的移动相对受约束的诸如列车监视的应用中接近可能的分支点（其中可能的分支之一与另一个追踪器节点相关联）时，目标可能倾向于接近另一个追踪器分区。然而，在一些DAS传感器网络中，可能存在具有追踪器分区的合理程度重叠的网络部分，在这种情况下，目标可能仅仅正在接近这样的重叠区域。

如果目标没有接近另一个追踪器分区，则现任追踪器可以简单地继续追踪目标，更新追踪数据集并报告目标参数，如上所述。然而，如果目标正在接近另一个追踪器分区，则在步骤308处，用于该目标的目标描述符被供应给候选后继追踪器节点。如前所述，目标描述符将包括目标ID和与目标相关的追踪数据集的至少一些。目标描述符还可以包括匹配滤波器模板，如果可用的话。

步骤307和/或308可以由DAS传感器网络的单独追踪器或者至少由实现追踪器的处理单元来执行。然而，在一些实施例中，DAS网络控制节点可以接收目标数据并确定它是否正在接近另一个追踪器分区。如果是，则DAS网络控制节点可以将从现任追踪器接收的目标描述符转发到候选后继追踪器节点，或者可以指令现任追踪器将目标描述符发送到所标识的候选后继追踪器节点。

在一些实施例中，尤其是多于一个追踪器节点可以是现任追踪器的情况下，原始现任追踪器可以继续追踪目标，直到它从该追踪器的输入数据流中丢失。目标也将由相关追踪器分区中的新现任追踪器获取和追踪。目标描述符将被新追踪器用于帮助获取和追踪目标。然而，在至少一些实施例中，可以在步骤309处确定目标是否满足用于该追踪器节点的分区外条件。分区外条件可能是目标已经从用于相关追踪器的输入数据中消失，或者可能是目标已经到达其中它仍可以由原始现任追踪器追踪但可以通过后继追踪器实现更好的追踪性能的预定区域。如果目标不满足分区外条件，则现任追踪器可以继续追踪310，并且在一些实施例中，可以向（多个）后继追踪器供应经更新的目标描述符。

一旦达到分区外条件，则最终目标描述符可以被供应给后继追踪器节点，其包括被重置成指示后继追踪器节点现在是现任追踪器的现任追踪器标志。

应注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代实施例。除非在另有明确说明的情况下，否则来自各种实施例的特征可以一起组合并使用。词语“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，并且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所引用的若干个单元的功能。权利要求中的任何附图标记或符号不应被解释为限制其范围。

Claims (22)

1.一种在光纤分布式声学传感（DAS）网络中追踪目标的方法，包括：

在DAS网络的多个追踪器节点中的每个处追踪目标，其中每个追踪器节点：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的追踪器分区中的任何目标；以及

针对每个目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

该方法还包括：

标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区，并且从第一追踪器节点向第二追踪器节点供应用于第一目标的目标描述符，其中目标描述符包括用于第一目标的追踪数据集的至少一些；以及

在第二追踪器节点处使用目标描述符来追踪第一目标到第二追踪器分区中的任何进入。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，目标描述符包括跨DAS网络是唯一的用于第一目标的标识。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，追踪数据集包括以下中的至少一个：当前位置、速度、加速度、以及加速度的变化率。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，追踪数据集包括用于卡尔曼滤波器的状态向量和协方差矩阵。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，用于第一目标的目标描述符包括由第一追踪器节点针对第一目标维护的所有追踪数据集。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，用于第一目标的目标描述符包括指示追踪数据集被更新或验证的最后时间的时间戳。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区的步骤由第一追踪器节点执行。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个追踪器节点至少觉知它的具有与它的追踪器分区接界或重叠的追踪器分区的相邻追踪器节点。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区的步骤由接收关于由每个追踪器节点追踪的目标的信息的控制网络节点执行。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，当控制节点标识第一追踪器节点的第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器节点的第二追踪器分区时，其生成到第一追踪器节点的指令它传送相关目标描述符的控制信号。

11.根据权利要求10所述的方法，何时，控制信号指令第一追踪器节点将相关目标描述符发送到第二追踪器节点。

12.根据权利要求10所述的方法，何时，控制节点接收相关目标描述符并将其转发到第二追踪器节点。

13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，目标描述符包括指示哪个追踪器节点负责第一目标的第一字段。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，第一追踪器节点向第二追踪器节点提供其中第一字段被设置成指示第一追踪器节点负责第一目标的至少一个目标描述符，并且随后向第二追踪器节点提供其中第一字段被设置成指示第一追踪器节点不再负责第一目标的经更新的目标描述符。

15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，每个追踪器节点被配置为针对被追踪的至少一些目标维护用于所述目标的至少一个匹配滤波器模板，并使用所述至少一个匹配滤波器来追踪所述目标。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述目标描述符包括由第一追踪器节点针对第一目标维护的至少一个匹配滤波器模板，并且其中第二追踪器节点使用来自目标描述符的至少一个匹配滤波器模板来在第二追踪器分区中获取并追踪第一目标。

17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，DAS网络被配置为追踪运输网上的交通的移动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，运输网是铁路网络。

19.一种用于光纤分布式声学传感（DAS）网络的追踪器节点，包括：

处理器，其被配置为在使用中：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；以及

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，追踪算法被配置为针对任何这样的目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

其中，处理器被配置为使得当第一目标接近DAS网络的另一追踪器节点的第二追踪器分区时，处理器将用于该第一目标的目标描述符传送到用于所述第二追踪器分区的适当追踪器节点，

其中，所述目标描述符包括所述追踪数据集的至少部分。

20.根据权利要求19所述的追踪器节点，其中，处理器还被配置为：

接收用于第二目标的目标描述符，其中用于第二目标的目标描述符对应于关于正在接近第一追踪器分区的DAS传感器网络的另一追踪器节点的追踪器分区中的目标的数据，并且

处理器被配置为使用所述目标描述符来追踪第二目标到第一追踪器分区中的任何进入。

21.一种用于光纤分布式声学传感（DAS）传感器网络的追踪器节点，包括：

处理器，其被配置为在使用中：

从一个或多个DAS传感器接收测量信号；以及

将追踪算法应用于所述测量信号以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，追踪算法被配置为针对任何这样的目标维护用于追踪该目标的目标属性的追踪数据集；

其中，处理器被配置为接收用于第一目标的目标描述符，其中用于第一目标的目标描述符对应于关于正在接近第一追踪器分区的DAS传感器网络的另一追踪器节点的第二追踪器分区中的目标的数据，并且

处理器被配置为使用所述目标描述符来追踪第一目标到第一追踪器分区中的任何进入。

22.一种用于光纤分布式声学传感（DAS）传感器网络的控制节点，包括：

控制器，其被配置为从多个追踪器节点接收目标参数，每个追踪器节点包括一个或多个DAS传感器和处理器，处理器被配置为应用追踪算法以追踪与由所述一个或多个DAS传感器监视的区域对应的第一追踪器分区中的任何目标；

其中，控制器被配置为确定第一追踪器分区中的第一目标何时接近第二追踪器分区，并控制目标描述符从与第一追踪器分区相关联的追踪器节点传输到与第二追踪器分区相关联的追踪器节点，其中目标描述符包括用于追踪第一目标的目标属性的追踪数据集的至少部分。