DE112021004482T5

DE112021004482T5 - Erkennung und lokalisierung akustischer impulse im stadtmassstab

Info

Publication number: DE112021004482T5
Application number: DE112021004482.6T
Authority: DE
Inventors: Sarper Ozhahar; Yue Tian; Shaobo HAN; Yangmin DING; Ting Wang
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: NEC Laboratories America Inc
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-06-15
Also published as: JP2023538196A; US20220065977A1; WO2022046949A1

Abstract

Aspekte der vorliegenden Offenbarung beschreiben Systeme, Verfahren und Strukturen zur verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS (= Distributed Fiber Optic Sensing)), die vorteilhaft Erkennung und Lokalisierung akustischer Impulse im Stadtmaßstab unter Verwendung von Standard-Live-Antennen-Telekommunikations-Glasfaserkabeln durch die Verwendung von verteilter akustischer Erfassung während eines Zeigens eines Fehler von weniger als 1,22 m ermöglichen.

Description

TECHNICHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein Systeme, Verfahren und Strukturen einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS (= Distributed Fiber Optic Sensing)). Insbesondere gehört sie zur Erkennung und Lokalisierung akustischer Ereignisse quer durch eine Umgebung im Stadtmaßstab unter Verwendung von DFOS.
HINTERGRUND
Systeme, Verfahren und Strukturen einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS) haben sich aufgrund ihrer intrinsischen Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien in einer Anzahl einzigartiger Erfassungsanwendungen als sehr nützlich erwiesen. Sie können in normalerweise unzugängliche Bereiche integriert werden und können in sehr rauen Umgebungen funktionieren. Sie sind immun gegen Hochfrequenzstörungen und elektromagnetische Störungen und können kontinuierliche Echtzeitmessungen entlang gesamter Längen von Glasfaserkabel(n) liefern.
Jüngste Fortschritte bei DFOS-Technologien sind gezeigt worden, um eine kontinuierliche Fernerkundung über bestehende Telekommunikationsnetze zuzulassen, was ermöglicht, dass Telekommunikationsbetreiber nicht nur Kommunikationsdienste, sondern auch eine Vielzahl von Erfassungsdiensten, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, einer Überwachung von Verkehrs- und Straßenzustand, einer Infrastrukturüberwachung und einer Einbruchsmeldung, unter Verwendung desselben Netzwerks anbieten können. Wenn es auf diese Weise verwendet wird, kann ein gesamtes Telekommunikationsnetz nun als Sensor in großem Ausmaß fungieren, der - zum Beispiel - eine ständige Überwachung einer Umgebung einschließlich einer solchen ermöglicht, die sich über eine gesamte Stadt oder eine andere große Gemeinde erstreckt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fortschritt auf dem Gebiet wird gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung gemacht, die gerichtet ist auf Systeme, Verfahren und Strukturen einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS), die eine gesamte Gemeinde einschließlich einer Stadt oder anderer städtischer Umgebung(en) unter Verwendung akustischer DFOS-Techniken überwachen. Im Mittelpunkt unserer Offenbarung steht unser erfinderisches Verfahren, das akustische Ereignisse analysiert und deren Quelle(n) lokalisiert.
In scharfem Gegensatz zum Stand der Technik transformieren Systeme, Verfahren und Strukturen einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS) gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung Glasfaserkabel - die bereits in einer Umgebung eingesetzt sein können, wie beispielsweise wie Telekommunikationskabel - effektiv in ein „Mikrofonarray“, das vorteilhafterweise Erfassung und Lokalisierung akustischer Ereignisse erlaubt, während akustische Ereignisse von Interesse von normalen, alltäglichen akustischen Ereignissen, die in einer solchen Umgebung auftreten, unterschieden werden.
Von besonderem Vorteil - und im weiteren Gegensatz zum Stand der Technik - erfordern Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung nur ein System einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS), das bequem zentral angeordnet sein kann, ein Glasfaserkabel - vorzugsweise eines (solche), das (die) bereits eingesetzt ist (sind) - das/die als Mikrofonarray verwendet wird/werden, und unser erfinderisches Verfahren, das, wie wir bereits erwähnt haben, akustische Ereignisse analysiert und deren Quelle(n) lokalisiert.
Wie wir zeigen und beschreiben werden, enthalten besondere Unterscheidungsaspekte von Systemen, Verfahren und Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung - sind aber nicht darauf beschränkt - ein Verwenden eines vorhandenen eingesetzten Glasfaserkabels, um dadurch irgendwelche zusätzlichen Bereitstellungskosten zu eliminieren; einen stadtweiten/gemeindeweiten Überwachungsbereich bereitzustellen, der durch Hinzufügen einer weiteren Faserstrecke (oder mehrerer) auf ein größeres Gebiet (oder mehrere) skalierbar ist; und eine Fähigkeit zu zeigen, Hörpunkte (d.h. Faser-„Mikrofone“) adaptiv zu „bewegen“ oder zu ändern (hinzufügen/löschen), ohne irgendetwas physisch/mechanisch zu bewegen. Unsere erfindungsgemäßen Verfahren und Systeme werden evaluiert und demonstrieren eine verteilte akustische Erkennung und Lokalisierung akustischer Ereignisse unter Verwendung von Standard-Live-Antennen-Telekommunikations-Glasfaserkabeln, während eines Zeigens eines Fehlers von weniger als 1,22 m.
Figurenliste
Ein vollständigeres Verstehen der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung realisiert werden, in welcher:

1 ein schematisches Diagramm eines illustrativen Systems zur faseroptischen Erfassung und eines Betriebs ist, wie es im Stand der Technik allgemein bekannt ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das den Betreib von DFOS gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3 ein schematisches Diagramm ist, das eine illustrative physikalische Ausführung einer Erkennung akustischer Ereignisse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 eine graphische Darstellung eines Wasserfalldiagramms, das sowohl Zeit- als auch Raumcharakteristiken eines akustischen Ereignisses zeigt, gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
5 eine Reihe von graphischen Darstellungen, die bei ausgewählten virtuellen Mikrofonen empfangene Signale im Zeitbereich zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
6 eine Reihe von graphischen Darstellungen, die eine laufende Varianz ausgewählter virtueller Mikrofone als Funktion einer Abtastzahl zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
7 eine Reihe von graphischen Darstellungen, die laufende 1/p-Werte der virtuellen Mikrofone zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
8 eine graphische Darstellung, die einen auf einer 2D-Karte gezeigten Ort für ein berechnetes höchstwahrscheinliches akustisches Ereignis (Schuss) zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
9 eine graphische Darstellung, die eine wärmekartenartige Demonstration eines auf einer 2D-Karte gezeigten Ort für ein mögliches akustisches Ereignis (Schuss) zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
10 ein Plan aus der Vogelperspektive unserer illustrativen Testumgebung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
11 eine graphische Darstellung, die ein illustratives Wasserfallbild eines durch DAS erkannten akustischen Ereignisses zeigt, in welchem eine Ellipse einem anderen Sensorpunkt für unser illustratives experimentelles Testen entspricht, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
12 eine graphische Darstellung, die ein erkanntes akustisches Ereignis durch vier Referenzpunkte a) Spule, b) Mast, c) Mast 2 und d) Mast 3 für unser experimentelles Testen zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist; und
13 eine graphische Darstellung, die illustrative Quellenorte zusammen mit aktuellen Quellenorten auf einer Karte für ein Testumgebung für unser experimentelles Testen zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist.

BESCHREIBUNG
Das Folgende stellt lediglich die Prinzipien der Offenbarung dar. Es wird somit eingesehen werden, dass Fachleute auf dem Gebiet in der Lage sein werden, verschiedene Ausgestaltungen zu entwickeln, die, obwohl sie hierin nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt werden, die Prinzipien der Offenbarung verkörpern und innerhalb ihres Sinngehalts und Schutzumfangs enthalten sind.
Weiterhin ist beabsichtigt, dass alle Beispiele und die bedingte Sprache, die hierin vorgetragen werden, nur pädagogischen Zwecken dient, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte, die von dem (den) Erfinder(n) zum Voranbringen der Technik beigetragen sind, zu helfen und so auszulegen sind, dass sie ohne Beschränkung auf solche spezifisch vorgetragenen Beispiele und Bedingungen sind.
Darüber hinaus ist beabsichtigt, dass alle Angaben, die hierin Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung vortragen, sowie spezifische Beispiele davon sowohl strukturelle als auch funktionale Äquivalente davon umfassen. Zusätzlich ist beabsichtigt, dass solche Äquivalente sowohl derzeit bekannte Äquivalente sowie in der Zukunft entwickelte Äquivalente enthalten, d.h. irgendwelche entwickelten Elemente, die dieselbe Funktion ungeachtet der Struktur durchführen.
Somit wird es zum Beispiel von Fachleuten auf dem Gebiet eingesehen werden, dass irgendwelche Blockdiagramme hierin konzeptionelle Ansichten eines illustrativen Schaltkreises darstellen, die die Prinzipien der Offenbarung verkörpern.
Solange es hierin nicht ausdrücklich anders spezifiziert ist, sind die FIG., aus denen die Zeichnung besteht, nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Als zusätzlicher Hintergrund - und unter Bezugnahme auf 1, die ein schematisches Diagramm eines im Stand der Technik allgemein bekannten illustrativen verteilten faseroptischen Erfassungssystems darstellt - beginnen wir dadurch, dass wir besonderes erwähnen, dass eine verteilte faseroptische Erfassung (DFOS) eine wichtige und weit verbreitete Technologie ist, um Umgebungsbedingungen (wie beispielsweise Temperatur, Schwingung bzw. Vibration, Dehnungsniveau etc.) irgendwo entlang eines Glasfaserkabels zu erfassen, das wiederum mit einem Interrogator verbunden ist. Wie es bekannt ist, sind moderne Interrogatoren Systeme, die ein Eingangssignal zur Faser erzeugen und das (die) reflektierte(n)/gestreute(n) und anschließend empfangene(n) Signal(e) detektieren/analysieren. Die Signale werden analysiert und eine Ausgabe wird erzeugt, die auf die Umgebungsbedingungen entlang der Länge der Faser hinweist. Das (Die) so empfangene(n) Signal(e) kann (können) aus Reflexionen in der Faser resultieren, wie beispielsweise einer Raman-Rückstreuung, einer Rayleigh-Rückstreuung und einer Brillion-Rückstreuung. Es kann auch ein Signal der Vorwärtsrichtung sein, das die Geschwindigkeitsdifferenz mehrerer Modi verwendet. Ohne an Allgemeingültigkeit zu verlieren, geht die folgende Beschreibung von einem reflektierten Signal aus, obwohl dieselben Ansätze auch auf weitergeleitete Signale angewendet werden können.
Wie es eingesehen werden wird, enthält ein modernes DFOS-System einen Interrogator, der optische Impulse (oder irgendein codiertes Signal) periodisch erzeugt und sie in eine optische Faser injiziert. Das injizierte optische Impulssignal wird entlang der optischen Faser übertragen bzw. befördert.
An Stellen entlang der Länge der Faser wird ein kleiner Teilbereich eines Signals reflektiert und zurück zum Interrogator befördert. Das reflektierte Signal trägt Information, die der Interrogator zur Erkennung, von beispielsweise einer Leistungspegeländerung, die - zum Beispiel - auf eine mechanische Schwingung hinweist, verwendet.
Das reflektierte Signal wird in einen elektrischen Bereich umgewandelt und innerhalb des Interrogators verarbeitet. Basierend auf der Impulsinjektionszeit und darauf, dass das Zeitsignal erkannt wird, bestimmt der Interrogator, von welcher Stelle entlang der Faser das Signal kommt, und kann somit die Aktivität jeder Stelle entlang der Faser erfassen.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Gesamtbetrieb von DFOS gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt. Unter Bezugnahme auf diese Figur kann verstanden werden, dass ein Betrieb unseres erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens mit einem akustischen Ereignis beginnt, das innerhalb eines Überwachungsbereichs vorkommt - d.h. in dem geografischen Bereich, in welchem eine Erfassungsfaser in Betrieb ist. Wie es bereits erwähnt ist und gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung, kann eine solche Erfassungsfaser als Teil unseres Erfassungssystems eingesetzt werden - oder kann zuvor eingesetzt werden und in Betrieb sein, um Telekommunikationen oder anderen Datenverkehr zu übertragen.
Im Allgemeinen erzeugt ein solches akustisches Ereignis in der Luft eine akustische Schwingung, die dann vom Glasfaserkabel erkannt wird. Solche Schwingungen können vorteilhafterweise detektiert werden von einem DAS-System - einschließlich eines Abfrage- bzw. Interrogator- und Analysesystems und/oder eines KI-basierten Systems - das in einer Zentrale - oder einem anderen Ort, einschließlich Cloud-Systemen, - abseits vom aktuellen akustischen Ereignisses lokalisiert ist/sind. Wie es bereits erwähnt ist und ausführlicher beschrieben werden wird - werden aus dem/den akustischen Ereignis(en) resultierende detektierte Signale unter Verwendung unseres (unserer) erfinderischen Verfahrens (Verfahren), einschließlich einer Analyse sowohl im räumlichen Bereich als auch im zeitlichen Bereich, analysiert.
Wie es Fachleute verstehen und einsehen werden, bestimmt eine Analyse im räumlichen Bereich - gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung - , welcher Punkt (welche Punkte) entlang einer erfassenden Glasfaser eine akustische Störung/ein akustisches Signal erkannt haben, und diese Punkte werden als unsere virtuellen Mikrofone ausgewählt. In einem nächsten Schritt bestimmt unser erfinderisches Verfahren eine Ankunftszeit des Signals (der Signale) für jedes virtuelle Mikrofon. Wenn einmal eine Zeitsignatur für jedes virtuelle Mikrofon bestimmt ist, wird der Ort (werden die Orte) (d.h. die Koordinaten) dieses akustischen Ereignisses als Wahrscheinlichkeitsverteilung auf einer aktuellen Karte bestimmt, und zwar basierend auf dem physischen Ort (den physischen Orten) der virtuellen Mikrofone.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine illustrative physikalische Ausführung einer Erkennung akustischer Ereignisse gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie es aus dieser Figur beobachtet werden kann, sind mehrere Strommasten gezeigt, die eine Länge eines Glasfaserkabels (Sensorkabels) aufhängen, das weiterhin optisch mit einem System zur verteilten akustischen Erfassung (DAS (= Distributed Acoustic Sensing)) verbunden ist, das bequem in einer Zentrale oder an einem anderen geeigneten Ort lokalisiert sein kann.
In Betrieb erzeugen dann, wenn ein akustisches Ereignis in einer Umgebung auftritt, in der das erfassende Glasfaserkabel vorkommt - zum Beispiel in einer städtischen Umgebung an einem unbekannten Ort - , akustische Schwingungen aufgrund dieses Ereignisses ein wanderndes Schwingungsmuster in drei Dimensionen (3D), das anschließend mit dem Dehnungsänderungen an mehreren Stellen des Glasfaserkabels zu unterschiedlichen Zeiten erzeugenden Glasfaserkabel interagiert. Diese Dehnung(en) (Schwingungsmuster) wird (werden) vom DAS-System in der Zentrale sowohl im zeitlichen als auch im räumlichen Bereich erkannt und analysiert.
4 ist eine graphische Darstellung eines Wasserfalldiagramms, das sowohl zeitliche als auch räumliche Charakteristiken eines akustischen Ereignisses zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Aus dieser graphischen Darstellung werden Fachleute auf dem Gebiet wissen, dass die Zeit und die Position der durch Schwingungsmuster induzierten Dehnung(en) bestimmt werden können.
In Betrieb und gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird eine Gruppe von „virtuellen Mikrofonen“ ausgewählt. Die ausgewählten „virtuellen Mikrofone“ sind allgemein die Orte entlang der Glasfaserkabelroute bzw. -trasse, die die größte Empfindlichkeit gegenüber Beanspruchung bzw. Dehnung, und damit akustischen Ereignissen, zeigen. Solche verstandenen Orte enthalten - zum Beispiel - ein entlang eines Masts nach unten geführtes Glasfaserkabel, eine Spule eines Glasfaserkabels, Glasfaserverbindungspunkte zu einem Mast oder einen zentralen Teil (im Wesentlichen einen Mittelpunkt) einer Glasfaserkabellänge.
Wenn die virtuellen Mikrofone einmal ausgewählt sind, wird (werden) das (die) von jedem dieser Mikrofone aufgezeichnete(n) Signal(e) unter Verwendung eines Änderungspunkterkennungsalgorithmus, wie beispielsweise eines Z-Tests, analysiert, und die Ankunftszeit wird für jedes Mikrofon berechnet.
5 ist eine Reihe von graphischen Dartstellungen, die bei ausgewählten virtuellen Mikrofonen empfangene Zeitbereichssignale zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie in diesen graphischen Darstellungen gezeigt ist, zeigt jedes der einzelnen virtuellen Mikrofone (virtuelles M-1, virtuelles M-2, virtuelles M-3 und virtuelles M-4) jeweils unterschiedliche erkannte Dehnungscharakteristiken (akustische Charakteristiken) an, die bei jedem der einzelnen virtuellen Mikrofonpositionen bzw. -orte entlang des Sensorglasfaserkabels erfahren werden.
6 ist eine Reihe von graphischen Darstellungen, die ein laufende Varianz ausgewählter virtueller Mikrofone als Funktion einer Abtastzahl zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie es beobachtet werden kann und wie es in dieser Reihe von graphischen Darstellungen in der Figur gezeigt ist, sind die Unterschiede bzw. Differenzen bezüglich einer laufenden Varianz für jedes der virtuellen Mikrofone der 5.
Schließlich ist 7 eine Reihe von graphischen Darstellungen, die laufende 1/p-Werte der virtuellen Mikrofone der 5 und der 6 zeigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie es aus dieser Figur beobachtet werden kann, kann ein „Änderungspunkt“ für jedes virtuelle Mikrofon ausgewählt werden.
Als nächstes wird eine Zeitdifferenzmatrix erzeugt, die eine relative Zeitdifferenz zwischen allen Kombinationen virtueller Mikrofone enthält, wovon ein Beispiel in der nachstehenden Tabelle gezeigt wird. Beispielhafte Matrix relativer Zeitdifferenz

0 1 2 3

0 0.000 2.2638 52.1703 54.2969

1 -2.2638 0.0000 49.9065 52.0331

2 -52.1703 -49.9065 0.0000 2.1266

3 -54.2969 -52.0331 -2.1266 0.0000
Wir stellen fest, dass die Zeitdifferenzmatrix zusammen mit den geometrischen physikalischen Positionen der virtuellen Mikrofone dann bei einer 3-dimensionalen Akustik-Ort-Fehlerfunktion verwendet wird, deren Minimalwertbestimmung einen wahrscheinlichsten Ort des akustischen Ereignisses (der akustischen Ereignisse) liefert.
Vorteilhafterweise kann diese Bestimmung in mindestens zwei geeigneten und informativen Formaten ausgegeben werden. Zuerst kann ein einzelner Ort für die Quelle eines akustischen Ereignisses auf einer 2-dimensionalen Karte angezeigt werden. Zweitens, und vielleicht informativer, können System rauschen und Unvollkommenheiten berücksichtigt werden, um die Ergebnisse weiter zu verbessern, und eine wärmekartenartige Verteilungskarte kann für den Quellenort erzeugt werden. Wenn es so angezeigt wird, kann ein Ort größerer Wahrscheinlichkeit leicht aus der Karte bestimmt werden.
8 ist eine graphische Darstellung, die einen auf einer 2D-Karte gezeigten berechneten wahrscheinlichsten Ort eines akustischen Ereignisses (Schuss) zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und 9 ist eine graphische Darstellung, die eine wärmekartenartige Demonstration eines auf einer 2D-Karte gezeigten möglichen Orts eines akustischen Ereignisses (Schuss) zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Fachleute auf dem Gebiet werden leicht verstehen und einsehen, dass unserem erfinderischen System und auch dem Verfahren zusätzliche Analysefähigkeiten hinzugefügt werden können, wie beispielsweise eine Klassifizierung des akustischen Ereignisses (sei es ein Schuss, eine Explosion, ein Autounfall etc. - unter anderem) durch ein Durchführen von Spektralanalyse- und Maschinenlernmodellen, die neuronale Netzwerkstrukturen und -verfahren als Teil der Interrogator-/ Analysesysteme und -verfahren enthalten können. Solche erkannten/analysierten Ereignisse können dann den entsprechenden Respondern und/oder Behörden gemeldet werden, um eine geeignete Aktion oder geeignete Aktionen zu ergreifen.
Mit dieser gegenwärtigen Offenbarung können wir nun experimentelle Ergebnisse unserer Systeme und Verfahren bereitstellen, wie sie auf eine reale Umgebung (oder mehrere) angewendet werden. Die Experimente werden in unserer Forschungstestumgebung durchgeführt, die aus drei Strommasten des realen Maßstabs Klasse II mit installierten Stromkabeln und einem Singlemode-Telekommunikationsfaserkabel besteht. Die Masten sind 35 Fuß lang und in einer linearen Anordnung 90 Fuß voneinander entfernt platziert. Das bei den Experimenten verwendete Antennen-Glasfaserkabel ist ein Outdoor-Figure-8-Kabel mit 36 Faserkernen, gestützt von einem 0,25-Zoll-Tragseil. Das Glasfaserkabel wird an den Masten in einer Höhe von ~4 Metern installiert.
Um die Quelle für akustischen Schall durch Triangulation zu lokalisieren, ist eine lineare Anordnung der Sensoren nicht bevorzugt, weshalb wir zusätzlich zu den 3 Masten eine Faserspule auf dem Boden in der Nähe von einem Ende der Mastenreihe platziert, um die Symmetrie zu unterbrechen. Diese 4 Orte (3 Masten und 1 Faserspule) werden als unsere „virtuellen Mikrofone“ ausgewählt, um als Referenzpunkte für eine Lokalisierung akustischer Quellen verwendet zu werden. Das DAS-System war innerhalb einer Kontrollstelle lokalisiert, die in Bezug auf einen Faserabstand etwa 350 Meter entfernt vom ersten Mast (im Ursprung unserer Testumgebung) war. Ein Plan aus der Vogelperspektive der Testumgebung ist illustrativ in 10 gezeigt.
Das DAS-System wurde mit einer optischen Pulsbreite von 40ns bei einer Pulswiederholrate von 20 kHz betrieben. Die räumliche Auflösung des Systems betrug -1,22 Meter. Die Positionen der Masten und der Faserspule entlang des Glasfaserkabels wurden durch Analysieren der DAS-Daten von manuellen Hammerschlägen an jeder Stelle bzw. jedem Ort erhalten.
Die geographischen Orte dieser Punkte wurden unter Verwendung eines industriellen Metermaßes mit einem erwarteten Fehler von ±15 cm relativ zum Mast 1 gemessen, der als der Ursprung des Koordinatensystems der Testumgebung gewählt wurde. Die Orte dieser Referenzpunkte entlang des Glasfaserkabels und im Koordinatensystem der Testumgebung sind in der folgenden Tabelle angegeben. Positionen von Referenzpunkten, relativ zum Glasfaserkabel und relativ zum Koordinatensystem - alle Entfernungen sind in Metern angegeben

Referenzpunkt Ort entlang eines Glasfaserkabels Ort bei der Testumgebung (x, y, z)

Spule 1 551 (-2.1, -5.46, 0)

Mast 1 349 (0,0,4)

Mast 2 380 (27, 1, 0, 4)

Mast 3 412 (54.7, 0, 4)
Eine Starterkanone vom Kaliber 32, die kurze Schwarzpulver-Platzpatronen abschießt, wurde als impulsive akustische Quelle verwendet und einmal an 4 verschiedenen Orten über einer Kopfhöhe von etwa 2 Metern über dem Boden in der Testumgebung abgefeuert. Die DAS-Signaturen jedes Schusses werden separat aufgezeichnet und analysiert, um den Ort des impulsiven akustischen Ereignisses zu berechnen.
11 ist eine graphische Darstellung, die ein illustratives Wasserfallbild eines von DAS erkannten akustischen Ereignisses zeigt, in dem jede Ellipse einem anderen Sensorpunkt für unser illustratives experimentelles Testen entspricht, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Die Starterschussereignisse sind in einer graphischen Darstellung einer „Wasserfall“-Verfolgung in der Figur dargestellt, die eine 2D-Darstellung des erkannten DAS-Signals entlang der abgefragten Faserlänge (x-Achse) ist, und wie es sich bezüglich der Zeit (y-Achse) ändert, wo die Signalstärke farbcodiert sein kann. Diese Figur zeigt eine Gesamtzeitdauer von 150 Millisekunden im Faserbereich zwischen 300m - 550m.
Wie man in der graphischen Darstellung eines Wasserfalls beobachten kann, wird das gleiche akustische Ereignis von verschiedenen Teilen desselben Antennen-Glasfaserkabels (Antenne ist ein anderer Begriff für Kabel, die an Strommasten hängen) zu leicht unterschiedlichen Zeiten, gezeigt mit roten Ellipsen, erkannt. Durch Kennen der aktuellen Orte dieser Referenzpunkte und der Zeitdifferenz einer Ankunft (TDOA (= Time Difference Of Arrival) des akustischen Signals bei mehreren Referenzpunkten ist es möglich, den Quellenort zu bestimmen/zu berechnen.
12 ist eine graphische Darstellung, die ein erkanntes akustisches Ereignis durch vier Referenzpunkte a) Spule, b) Mast, c) Mast 2 und d) Mast 3 für unser experimentelles Testen zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Um die Ankunftszeit zu bestimmen, verwenden wir einen Online-Algorithmus zur Erkennung von Änderungspunkten, der auf Z-Score bzw. Z-Wert basiert. Bei diesem Ansatz charakterisieren wir die Verteilung von Erfassungsmessungen vor der Ankunft bzw. dem Auftreten akustischer Ereignisse durch ihren laufenden Mittelwert und ihre Varianz, und für den nächsten Datenpunkt berechnen wir die Wahrscheinlichkeit, einen Wert zu beobachten, der wenigstens so extrem ist wie der beobachtete Wert, und zwar unter der Annahme, dass er aus derselben Verteilung gezogen wird.
Der Schwellenwert (p-Wert) in unserem Algorithmus wurde als 0,001 gewählt, so dass der früheste Datenwert mit einer Wahrscheinlichkeit unterhalb dieses Schwellenwerts als Änderungspunkt registriert wird und seine Zeitkoordinate als Signalankunftszeit genommen wird. Wenn die relativen Zeitunterschiede einmal berechnet sind, verwenden wir die 3D-Triangulationsformel, um den Quellenort wie folgt zu erhalten: $\sqrt{{(x_{s} - x_{i})}^{2} + {(y_{s} - y_{i})}^{2} + {(z_{s} - z_{i})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{j})}^{2} + {(y_{s} - y_{j})}^{2} + {(z_{s} - z_{j})}^{2}} = c \cdot Δ τ_{i j}$
In dieser Gleichung sind x, y und z die Standardkoordinaten. Die Indizes s, i und j bezeichnen jeweils die „Quelle“, den i-ten Sensor und den j-ten Sensor und c ist die als 343 m/s angenommene Schallgeschwindigkeit, und Δτij ist die relative Zeitdifferenz einer Ankunft zwischen i-ten und j-ten Sensoren.
Durch Verwenden der obigen Gleichung/Beziehung nach dem Änderungspunkt-Erkennungsalgorithmus werden die Koordinaten des Quellenortes bestimmt/berechnet. Die aktuellen bzw. tatsächlichen Schusspositionen bzw. -orte und ihre berechneten Positionen bzw. Orte im Querschnitt z = 2m sind in 13 zusammen mit den Referenzpunktpositionen bzw. -orten dargestellt. 13 ist eine graphische Darstellung, die illustrative Quellenorte zusammen mit aktuellen bzw. tatsächlichen Quellenorten auf einer Testumgebungskarte für unser experimentelles Testen zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
An dieser Stelle stellen wir fest, dass, da DAS-Systeme Dehnungen messen, indem sie differentielle Phasenänderungen über ein Fasersegment von einer Messlänge messen, die Referenzmikrofone basierend auf unserer DAS-Technologie akustische Energien sammeln, die entlang der Fasersegmente etwa 1,22 m lang räumlich akkumuliert sind, anstatt auf eine wirklich punktuelle Weise. Trotz dieser linearen räumlichen Empfangsstandfläche der Referenzmikrofone betrugen die Abweichungen zu den wahren Quellenorten nach unserem Verfahren immer noch weniger als 1,12 Meter. Es ist zu beachten, dass ein Teil dieser Ungenauigkeit auf die manuellen Lokalisierungsfehler von Referenzpunkten und tatsächlichen Ereignisorten zurückzuführen ist. Zusammenfassend beschreiben wir hierin eine Lokalisierung akustischer Quellen unter Verwendung von Standardantennen.
Telekommunikations-Glasfaserkabel - einschließlich denjenigen, die zur aktiven Übertragung von Telekommunikationsverkehr eingesetzt werden und in Betrieb sind. Unsere experimentellen Ergebnisse verifizieren unseren Ansatz, DAS-Technologie in bestehende Antennen-Telekommunikations-Glasfasernetze für Anwendungen für eine smarte Stadt und eine sicherere Stadt zu integrieren, die die mit solchen Systemen verbundenen Installationskosten vorteilhaft reduzieren.
Zusätzlich können Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft für die Verwendung von DAS zur kontinuierlichen Überwachung eines großen Bereichs bzw. Gebiets für Ereignisse akustischer Impulse sorgen, indem Glasfaserkabel verwendet werden, die bereits in einem städtischen Umfeld als „Mikrofonarray“ eingesetzt sind.
Vorteilhafterweise verwenden unsere erfinderischen Techniken DAS zur Erkennung und Lokalisierung vom Ereignissen akustischer Impulse, indem Zeit-Frequenz-Raum-Bereichs-Verfahren für eine Datenanalyse verwendet werden, einschließlich eines Verwendens einer räumlichen Verteilung der Glasfaser als Teil einer Erfassungskonfiguration und eines Verwendens einer Frequenzfilteroptimierung zur Vorverarbeitung der Daten, unter Verwendung eines Zeitbereichs-Änderungspunkt-Erkennungsverfahrens für eine Schätzung einer relativen Ankunftszeit und eine Formulierung des Ortes als ein Optimierungsproblem (eher als ein Lösen einer Gleichung), um den Ereignisort (unter Verwendung von mehreren Messungen) zu schätzen, und zwar mit einer Notation einer Unsicherheitsquantifizierung und einem darauffolgenden Informieren von relevanten Behörden über die erkannte Zeit und den Ort (die Orte) des Ereignisses.
An dieser Stelle werden, während wir diese Offenbarung unter Verwendung einiger spezifischer Beispiele präsentiert haben, Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass unsere Lehren nicht so begrenzt sind. Demgemäß sollte diese Offenbarung nur durch den Schutzumfang der hierzu beigefügten Ansprüche eingeschränkt sein.

Claims

Verfahren zur Erkennung und Lokalisierung akustischer Impulse im Stadtmaßstab, umfassend: Bereitstellen eines Systems zur verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS (= Distributed Fiber Optic Sensing)), wobei das System folgendes enthält: eine Länge einer optischen Faser; und einen DFOS-Interrogator und -Analysator in optischer Kommunikation mit der Länge der optischen Faser; wobei das Verfahren folgendes umfasst: Betreiben von DFOS während des Ereignisses akustischer Impulses; Bestimmen, durch das DFOS, dass das Ereignis akustischer Impulse durch Erkennen von Signalen aufgetreten ist, die durch mechanische Schwingungen erzeugt werden, die in der optischen Faser aus dem Ereignis akustischer Impulse induziert werden; Durchführen einer räumlichen und zeitlichen Analyse der erkannten Signale; Erzeugen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung eines Quellortes des Ereignisses akustischer Impulse; und Ausgeben von einem oder mehreren Indizien der erzeugten Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgendes umfasst: Bestimmen einer Gruppe virtueller Mikrofone für die räumliche Analyse, wobei jedes der virtuellen Mikrofone bei einer anderen physikalischen Position entlang der Länge der Faser angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin folgendes umfasst: Bestimmen, während einer zeitlichen Analyse, einer Ankunftszeit von mit jedem der einzelnen virtuellen Mikrofone assoziierten Signalen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei jeder einzelne der Orte für virtuelle Mikrofone einer ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: einer Faser, die entlang eines Mastes nach unten führt, einer Faserspule, einem Faserverbindungspunkt zu einem Mast oder einer anderen festen Struktur und einem zentralen Teil einer Länge der Faser.
Verfahren nach Anspruch 4, das weiterhin ein Analysieren eines an jedem der Orte für virtuelle Mikrofone unter Verwendung eines Änderungspunkterkennungsverfahrens erzeugten Signals und ein Erzeugen der Ankunftszeit des Signals für jedes Mikrofon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin ein Auswählen eines Änderungspunktes für jedes virtuelle Mikrofon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin ein Erzeugen einer Zeitdifferenzmatrix einschließlich einer Zeitdifferenz zwischen allen Kombinationen von virtuellen Mikrofonen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin ein Erzeugen eines wahrscheinlichsten Ortes des Ereignisses akustischer Impulse aus der Zeitdifferenzmatrix und geometrischen physikalischen Orten der virtuellen Mikrofone umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der wahrscheinlichste Ort durch eine 3-dimensionale Akustik-Ort-Fehlerfunktion bestimmt wird, deren Minimalwert den wahrscheinlichsten Ort des Ereignisses akustischer Impulse liefert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Quellort gemäß der folgenden Beziehung bestimmt wird: $\sqrt{{(x_{s} - x_{i})}^{2} + {(y_{s} - y_{i})}^{2} + {(z_{s} - z_{i})}^{2}} - \sqrt{{(x_{s} - x_{j})}^{2} + {(y_{s} - y_{j})}^{2} + {(z_{s} - z j)}^{2}} = c \cdot Δ τ_{i j}$
wobei x, y und z Standardkoordinaten sind, die tiefgestellten Indizes s, i und j jeweils die „Quelle“, den i-ten Sensor und den j-ten Sensor bezeichnen und c die als 343 m/s angenommene Schallgeschwindigkeit ist, und Δτij die relative Zeitdifferenz einer Ankunft zwischen i-ten und j-ten Sensoren ist.