DE112021006487T5

DE112021006487T5 - Verfahren zur räumlichen mittelung für kohärente verteilte erfassung

Info

Publication number: DE112021006487T5
Application number: DE112021006487.8T
Authority: DE
Inventors: JUNQIANG Hu; Yue-Kai Huang; Ezra Ip
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: Nec Laboratories America Inc Princeton Us
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2022132668A1; US20220187121A1; US11733088B2; JP2023552795A

Abstract

Aspekte der vorliegenden Offenbarung beschreiben Systeme, Verfahren und Strukturen für ein kohärentes verteiltes Erfassen, das ein Verfahren für einen gleitenden Durchschnitt zwischen Stellen entlang einer Erfassungsfaser unter Verwendung einer von einem Benutzer konfigurierten Anzahl von Abgriffen verwendet, das eine Stellengruppierung und eine gruppeninterne Phasenausrichtung beinhaltet, gefolgt von einer Phasenausrichtung und -kombination zwischen Gruppen. Unser Verfahren verwendet zwei Rotationsschritte, um die Ausrichtung zu erreichen: eine Rotation innerhalb einer Gruppe und eine Rotation zwischen Gruppen, um die Phase von allen beteiligten Erfassungsfaserstellen auszurichten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein Systeme, Verfahren und Strukturen zur kohärenten verteilten akustischen Erfassung (DAS (= Distributed Acoustic Sensing)) unter Verwendung von Rayleigh-Rückstreuung, die an einigen Faserstellen zu irgendeiner gegebenen Zeit zufälliges und unabhängiges Rayleigh-Fading bzw. zufälligen und unabhängigen Rayleigh-Schwund und niedrige Signalpegel - oder sogar kein Signal - zeigen.
HINTERGRUND
Wie es von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden wird, nutzen DAS-Systeme einen Rayleigh-Streueffekt in einer optischen Faser bzw. Glasfaser, um Änderungen bezüglich der Faserdehnung zu detektieren bzw. zu erkennen. Das erhaltene dynamische Dehnungssignal wird verwendet, um die Schwingung und das akustische Signal entlang der gesamten Länge des Glasfaserkabels unter Abfrage und die Faserstelle einer solchen Schwingung bzw. Vibration zu bestimmen. Eine kohärente DAS extrahiert die Phase aus dem komplexen Signal, um die Dehnung zu erkennen. Jedoch ist eine Phasenberechnung empfindlich gegenüber einer Signalstärke unter demselben Rauschpegel. Bei einem DAS-System, das auf der Erkennung eines Rayleigh-gestreuten Signals angewiesen ist, gibt es eine Möglichkeit, dass die Signalstärke an bestimmten Stellen schwinden bzw. nachlassen wird und von Rauschen überflutet sein wird. Dies führt zu einer Instabilität bezüglich der Phasenmessung.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fortschritt auf dem Gebiet wird gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung gemacht, die vorteilhaft einen gleitenden Durchschnitt unter Verwendung einer Polarisations-Kombinationsausgabe verwendet - um irgendein Rayleigh-Fading vor einer Phasenbestimmung zu reduzieren - was vorteilhafterweise eine Ausgangssignalqualität verbessert. Um eine ordentliche bzw. richtige Ausrichtung sicherzustellen, beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, das mehrere Faserstellen, die an der Mittelung beteiligt sind, ausrichtet.
In scharfem Gegensatz zum Stand der Technik verwenden Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein neues Verfahren zur Bildung eines gleitenden Durchschnitts zwischen Stellen entlang einer optischen Faser unter Verwendung einer von einem Benutzer konfigurierten Anzahl von Abgriffen. Wie wir zeigen und beschreiben werden, gibt es zwei Operationen, die vorteilhafterweise das Signal (die Signale) stärken und die Möglichkeit von Fading bzw. Schwund reduzieren.
Die erste Operation beinhaltet eine Standort- bzw. Stellengruppierung und eine gruppeninterne Phasenausrichtung, wobei 1) Stellen entlang der Faser in nicht überlappende Gruppen mit fester Größe unterteilt werden, wobei die Anzahl von Stellen in jeder Gruppe gleich den Abgriffen zur räumlichen Mittelung ist; 2) innerhalb jeder Gruppe die Stelle mit der maximalen gemittelten Leistung („gewählte Stelle“) identifiziert wird - wobei für jeden DAS-Frame-Zyklus die gemittelte Leistung zusammen mit der gewählten Stelle aktualisiert wird; 3) jede Stelle innerhalb der Gruppe einen Phasendrehwert bzw. Phasenrotationswert hat, der verwendet wird, um das komplexe Signal der entsprechenden Stelle so zu drehen, dass es sich mit anderen Stellen innerhalb der Gruppe ausrichtet. Dieser Rotationswert wird in jedem DAS-Frame-Zyklus aktualisiert; und 4) die gemittelte Richtung des gedrehten komplexen Signals an der gewählten Stelle („Referenzrichtung“) identifiziert wird. Für jede Stelle berechnet unser Verfahren die gemittelte Differenz mit dieser Referenzrichtung und aktualisiert ihre Rotation bzw. Drehung.
Die zweite Operation gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist eine Phasenausrichtung und -kombination zwischen Gruppen und beinhaltet: Als erstes erfolgt ein Berechnen der gemittelte Phasendifferenz zwischen dem gedrehten komplexen Wert der gewählten Stellen in jeder von benachbarten Gruppen als Phasenversatz bzw. -offset zwischen Gruppen; als zweites erfolgt für eine Mittelung, die sich über die Gruppen erstreckt, ein Drehen der Stellen in einer Gruppe, um den Versatz zwischen Gruppen zu kompensieren, und dann ein Kombinieren. Als drittes verwendet unser Verfahren zwei Rotationsschritte, um die Ausrichtung zu erreichen: eine Rotation innerhalb einer Gruppe und dann eine Rotation zwischen Gruppen, um die Phase aller beteiligten Stellen eines Durchschnitts bzw. einer Mittelung auszurichten, wobei 1) eine Ausrichtung innerhalb einer Gruppe die Stelle einer maximalen Leistung als Referenz verwendet und die anderen Stellen dreht, um ihre Phase auszurichten. Dies wird durch Vergleichen der Phasendifferenz zwischen jeder anderen Stelle und der gewählten Stellen und Drehen bzw. Rotieren der anderen Stellen um die Phasendifferenz erreicht. Dies ermöglicht das Verfolgen einer sowohl durch Polarisationsumschaltung als auch durch Faserbelastung verursachten Phasenänderung, wobei das gesamte Band des abgetasteten Signals abgedeckt wird; und eine Ausrichtung zwischen Gruppen beinhaltet ein Drehen bzw. Rotieren von einer der Gruppen unter Verwendung der Phasendifferenz zwischen den zwei Gruppen. Dieses Verfahren sichert bzw. speichert eher die Phasendifferenz zwischen jeweils zwei Gruppen als eine jeweilige Stelle, die an einer Mittelung teilnimmt, um die Berechnungskomplexität und eine erforderliche Puffergröße von O(N) auf O(1) zu reduzieren, wobei N die Anzahl von Mittelungsabgriffen ist. Unser Verfahren verwendet den gedrehten Wert der gewählten Stelle, um die Phasendifferenz für Ausrichtungen sowohl innerhalb einer Gruppe als auch zwischen Gruppen zu berechnen. Dies ermöglicht eine Phasenkontinuität beim Ändern der gewählten Stelle und verfolgt die Richtung der Stelle mit maximaler Leistung, so dass irgendeine Information im Signal (einschließlich einer extrem niedrigen Frequenz) erhalten bleiben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verstehen der vorliegenden Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung realisiert werden, wobei:

1 (A) ein schematisches Diagramm einer illustrativen DAS-Anordnung nach dem Stand der Technik ist;
1 (B) ein schematisches Diagramm einer illustrativen kohärenten DAS-Anordnung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist.
1 (C) ein schematisches Diagramm ist, das eine illustrative Verarbeitung einer kohärenten DAS-Anordnung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 eine räumliche Mittelung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3 ein Flussdiagramm ist, das eine Berechnung einer internen Phasendifferenz und eines Drehwinkels einer Gruppe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt, aufgeschlüsselt in Operationen für eine Verarbeitung pro Gruppe, eine Verarbeitung einer Phasendifferenz zwischen Gruppen und eine Verarbeitung zum Ausrichten und Kombinieren.
4 ein schematisches Diagramm ist, das eine Stellengruppierung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
5(A) und 5(B) ein Paar von Diagrammen sind, die eine gruppeninterne Ausrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen.
6(A) und 6(B) eine gruppeninterne Phasendifferenzberechnung und eine Rotations- bzw. Drehwertaktualisierung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigen.
7 ein Flussdiagramm ist, das eine gruppeninterne Rotation und Ausrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8 ein schematisches Diagramm ist, das eine Ausrichtung zwischen Gruppen und Gruppen, die eine weitere Ausrichtung benötigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
9 ein schematisches Diagramm ist, das eine Ausrichtung zwischen Gruppen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.
10 ein schematisches Diagramm ist, das eine Ausrichtung zwischen Gruppen bei einer Implementierung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Die illustrativen Ausführungsformen werden durch die Figuren und die detaillierte Beschreibung ausführlicher beschrieben. Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung können jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sind nicht auf spezifische oder illustrative Ausführungsformen beschränkt, die in der Zeichnung und der detaillierten Beschreibung beschrieben sind.
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 als auch in der Zukunft entwickelte Äquivalente enthalten, d.h. irgendwelche entwickelten Elemente, die ungeachtet der Struktur dieselbe Funktion 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 zusätzlichen Hintergrund - merken wir wieder an, dass in den letzten Jahren Systeme einer verteilten faseroptischen Erfassung (DFOS(= Distributed Fiber Optic Sensing)), einschließlich verteilter Schwingungserfassung (DVS(= Distributed Vibration Sensing)) und verteilter akustischer Erfassung (DAS(= Distributed Acoustic Sensing)), bei zahlreichen Anwendungen eine breite Akzeptanz gefunden, darunter - aber nicht beschränkt darauf - Infrastrukturüberwachung, Einbruchserkennung und Erdbebenerkennung. Für DAS und DVS werden Rückwärts-Rayleigh-Streueffekte verwendet, um Änderungen bei der Faserdehnung zu erkennen, während die Faser selbst als Übertragungsmedium fungiert, um das optische Erfassungssignal zur anschließenden Analyse zurück zu einem Interrogator zu befördern.
1(A) zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines DFOS/DVS/DAS-Systems nach dem Stand der Technik, das ein System aus einem Interrogator / einem kohärenten Empfänger / einer Detektion / einer Analyse verwendet. Operativ erzeugt/appliziert ein solches System ein optisches Tx-Signal in eine optische Erfassungsfaser, was darin resultiert, dass reflektierte/gestreute optische Signale zum Empfänger/Analyse-System zurückgeführt werden, das die reflektierten/gestreuten und anschließend empfangenen Signale empfängt/detektiert/analysiert. Die Signale werden analysiert und eine Ausgabe wird erzeugt, die die Umgebungsbedingungen anzeigt, auf die man entlang der Länge der Faser trifft.
1(B) ist ein schematisches Blockdiagramm eines illustrativen kohärenten DAS-Systems gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Da ein kohärentes DAS-System Rayleigh-Streuung verwendet, um ein akustisches Signal entlang einer Erfassungsfaser zu detektieren, verwendet es im Allgemeinen einen Interrogator, der einen Sender (Tx) enthält, der periodisch ein optisches Signal (Impuls oder Code) erzeugt. Das optische Signal wird in eine verteilte Erfassungsfaser geführt. Jede Stelle entlang der Faser reflektiert einen kleinen Teilbereich des optischen Signals zurück zum Interrogator. Das rückgestreute Signal wird im Rx-Abschnitt verarbeitet, um das akustische Signal wiederherzustellen oder die Vibration bzw. Schwingung zu detektieren.
Wie es bereits erwähnt ist, verwendet kohärente DAS differentielles Schweben für jeweils zwei ausgewählte Stellen bzw. Orte entlang einer optischen Faser bzw. Glasfaser, um eine Faserspannung an einer (oder mehreren) Stelle(n) zwischen den zwei ausgewählten Stellen zu detektieren bzw. zu erkennen. Eine kohärente optische Detektion hat X- und Y-Polarisationsdiversitäten, die sich aufgrund von Faserbewegung oder anderen Faktoren zufällig ändern. Aus diesem Grund kann das Schweben X-X, X-Y, Y-X und Y-Y verwenden, um die gesamte Leistung voll auszunutzen, was in 4 Polarisationsdiversitäten bzw. -unterschieden ζ_xx, ζ_xy, ζ_yx und ζ_yy resultiert. Eine anschließende Verarbeitung ist erforderlich, um die 4 Diversitäts- bzw. Diversity-Terme zu einem einzigen Term zu kombinieren.
Bei einer besonderen Ausführungsform kann der kohärente Empfänger mehrere LO-Frequenzen verwenden, die von Abfragefrequenzen um unterschiedliche Ausmaße versetzt sind, um Rayleigh-reflektierte Signale zu detektieren. Als Teil dieser Methode kann ein Tx/Rx-Framing-Schema verwendet werden, das vorteilhafterweise einen Frequenzversatz zwischen der Abfrage und kohärenter Detektion bereitstellt.
In Betrieb werden die von DAS empfangenen Signalabtastungen in einer Sequenz bzw. Reihenfolge von Stelle zu Stelle innerhalb jedes Frames empfangen, während der Prozess einer Kombination von Polarisationsdiversität eine Framefür-Frame-Verarbeitung für jede Stelle erfordert. Die Sequenzumwandlung erfordert eine große Menge an Arbeitsspeicher und Bandbreite. Ein Verdoppeln der Diversitätsterme aus dem Schwebungsprozess verdoppelt den benötigten Speicher und die benötigte Bandbreite weiter.
Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung arbeiten im Allgemeinen innerhalb des Empfängers oder in Verbindung damit und reduzieren vorteilhafterweise den erforderlichen Speicher und die erforderliche Bandbreite durch Reduzieren von Schwebungsdiversitätstermen.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden X- und Y-Polarisationen vor einem Schweben zusammengeführt, da ein Umschalten von Polarisation im Vergleich zur Stellenabtastrate (d.h. DAS-Impuls- oder Bildwiederholrate) ein langsamer Prozess ist. Operativ werden die zwei Polarisationen vor einem Zusammenführen zunächst zur selben Richtung ausgerichtet, indem eine der Polarisationen (X oder Y) zur anderen (Y oder X) gedreht wird, und werden dann gedreht, um einen Phasenkontinuität aufrechtzuerhalten.
Die zwei Polarisationen richten sich zuerst zu einer mit einer höheren gemittelten Leistung aus (sagen wir pol-P). Das kombinierte X-Y-Signal wird dann zur differentiellen Schwebung zum Schwebungsmodul weitergeleitet, gefolgt durch eine Phasenextraktion oder eine andere zusätzliche Verarbeitung.
Vorteilhafterweise kombinieren Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung die zwei Polarisationen vor einem Schweben in eine Ausgabe, so dass es nur eine einzelne Eingabe zu einem Schwebungsmodul und nur eine Ausgabe vom Schweben gibt. Diese gesamte erfinderische Operation reduziert vorteilhaft die Verarbeitungskomplexität und die Speichergröße.
Wie erwähnt, dienen Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung für kohärente DAS, die eine differentielle Phase verwendet, um die Spannung entlang der Faser zu detektieren, wie es in 1 (C) dargestellt ist. Signaleingaben X(z, n) und Y(z, n) stammen von den zwei Polarisationen X/Y; z ist die Stelle entlang der Faser und n ist die Zeitsequenz für diese Stelle. Differentielles Schweben erzeugt vier Polarisationsdiversitäten: ζ_xx, ζ_xy, ζ_yx und ζ_yy. Ein Kombinieren von Polarisationen richtet die Phase der 4 Polarisationen aus und addiert sich miteinander, um eine Ausgabe ζ(z, n) zu haben. Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf die Funktion(en) gerichtet, die zwischen Polarisationskombinations- und Phasenextraktionsmodulen angeordnet ist (sind).
Es ist zu beachten, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung als Funktion eines gleitenden Durchschnitts in einem räumlichen Bereich behandelt werden können, was dargestellt werden kann durch: $ζ' (z, n) = \sum_{l = - N_{1}}^{N_{2}} ζ (z + l, n),$
wie es in 2 für eine Zeit n unter Verwendung eines Beispiels einer Mittelwertbildung bzw. Mittelung mit 5 Abgriffen dargestellt ist.
2 stellt eine räumliche Mittelung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung dar.
Wie wir angemerkt haben und nun weiter beschreiben, teilen Systeme, Verfahren und Strukturen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Stellen entlang der Faser in nicht überlappende Gruppen ein. Jede Stelle hat eine Phasendrehung R(z,n), die verwendet wird, um sich mit den anderen Stellen innerhalb ihrer Gruppe auszurichten. In jeder Gruppe wird die Stelle der höchsten gemittelten Leistung (oder Amplitude) als die „gewählte Stelle“ verwendet, die als Stelle z_e bezeichnet wird. Das Signal der gewählten Stelle ζ(z_e,n) wird zunächst gedreht, um ζ_r(g,n) = ζ(z_e,n)▪ R(z_e, n) zu haben, was als Referenz für diese Gruppe verwendet wird. Dann berechnet das Eingangssignal jeder anderen Stelle innerhalb der Gruppe die Phasendifferenz mit dieser Referenz durch ζ(z, n)* - ζ_r(g, n), wobei ζ(z, n)* die Konjugierte des Eingangssignals ζ(z, n) ist. Diese Differenz wird verwendet, um R(z, n) unter Verwendung eines Tiefpassfilters zu aktualisieren. Diese Prozedur ist in 3 gezeigt, die ein Flussdiagramm ist, das eine Berechnung einer internen Phasendifferenz und eines Drehwinkels einer Gruppe gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt, aufgeschlüsselt in Operationen für eine Verarbeitung pro Gruppe, eine Verarbeitung von Phasendifferenzen zwischen Gruppen und eine Verarbeitung zum Ausrichten und Kombinieren.
Zwischen jeweils zwei Nachbargruppen gibt es eine Phasenrotation zwischen den Gruppen R_g(g + 1,n) (Variable g steht für „Gruppe“), die verwendet wird, um die Phase der Gruppe (g + 1) mit der Gruppe g auszurichten. Dieses Signal ist der Durchschnitt bzw. Mittelwert der Phasendifferenz zwischen Gruppe (g + 1) und g, was avg(ζ_r(g,n) ·ζ_r(g + 1, n)*) ist. Die Berechnung von R_g(g + 1, n) ist in 3 im Abschnitt Phasendifferenz zwischen Gruppen gezeigt.
Für ein endgültiges Kombinieren führt jede Stelle zunächst eine gruppeninterne Ausrichtung durch Drehen von R(z, n) durch, um ζ_r(z, n) zu haben. Für eine Mittelung bzw. Mittelwertbildung, die nur eine Gruppe g beinhaltet, soll sum(ζ_r(z, n)) genommen werden, damit z ∈ Gruppe g gilt. Für diejenigen, die sowohl Gruppe g als auch Gruppe (g + 1) beinhalten, soll die Gruppendrehung bzw. -rotation R_g(g + 1,n) für Stellen in der Gruppe (g + 1) genommen und sie dann kombiniert werden. Dies ist in 3 im Abschnitt Ausrichten und Kombinieren gezeigt.
Wie es zuvor beschrieben ist, sehen Aspekte der vorliegenden Offenbarung einen gleitenden Durchschnitt unter Verwendung von Polarisations-Kombinationsausgaben vor, um die Möglichkeit eines Rayleigh-Fadings bzw. -Schwunds vor einem Senden zur Phasenberechnung zu reduzieren, wovon erwartet wird, dass die Qualität eines Ausgangssignals verbessert wird. Bei einer Polarisationskombination kann jede Stelle auf eine andere Stelle zeigen, was eine direkte Kombination nicht möglich macht. Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zur Verfügung, um die mehreren Stellen, die an einer Mittelwertbildung beteiligt sind, aufeinander abzustimmen bzw. auszurichten.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Operationen, die die Eingangssignale in Gruppen mit N Stellen in jeder Gruppe unterteilen, wobei N die Mittelungsabgriffe sind, wie es in 4 gezeigt ist, die ein schematisches Diagramm ist, das eine Gruppierung von Stellen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt. Zum Beispiel gehören bei 5 Mittelungsabgriffen Stellen 0 bis 4 zu einer Gruppe 0, Stellen 5 bis 9 zu einer Gruppe 1, und so weiter.
Jede Stelle hat eine Drehung bzw. Rotation R(z, n), damit sich das Signal von seiner Zeigerichtung (als DC betrachtet) verschieben kann, um sich mit anderen Elementen innerhalb der Gruppe auszurichten. 5(A) und 5(B) sind ein Paar von Diagrammen, die eine gruppeninterne Ausrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Zum Beispiel gehören in 5(A) Stelle p und q beide zur Gruppe g, jedoch mit unterschiedlichen DC-Richtungen, wie es durch Eingangssignale ζ(p, n), ζ(q, n) und das gemittelte Signal ζ(p, n) und ζ(q, n) dargestellt ist. Durch Anwenden einer Drehung von jeweils R(p,n) und R(q,n) werden die zwei Signale ζ_r(p,n) = ζ(p, n) · R(p, n) und ζ_r(q, n) = ζ(q, n) · R(q, n) ausgerichtet werden, wie es in 5(B) gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform wird ζ(z, n) um ein normalisiertes R(z, n) gedreht, was ζ_r(z,n) = ζ(z,n) · (R(z, n)/|R(z, n)|) ist.
Jede Gruppe wählt die Stelle der maximalen gemittelten Leistung als die gewählte Stelle z_e aus. Die Richtung des gedrehten Signals ζ_r(z_e,n) wird als die Referenzrichtung der Gruppe betrachtet. Jede andere Stelle in der Gruppe vergleicht sich mit dieser Referenzrichtung, um ihre R(z, n) zu aktualisieren. Die momentane Differenz wird unter Verwendung von t,_diff(z, n) = ζ_r(z_e,n) ·ζ(q, n)* berechnet, wie es schematisch in 6(A) dargestellt ist.
6(A) und 6(B) zeigen eine Berechnung einer gruppeninternen Phasendifferenz und eine Aktualisierung eines Rotationswerts gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Unter Bezugnahme auf diese Figur merken wir an, dass R(z, n) durch avg_n (ζ_diff(z, n)) unter Verwendung eines Tiefpassfilters aktualisiert wird (6(B)).
Bei einer Ausführungsform wird R(z, n) durch Mittelung (oder Tiefpassfilterung) der normalisierten ζ_diff(z, n) aktualisiert, was avg_n(ζ_diff(z, n)/|ζ_diff(z, n)|) ist.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine gruppeninterne Rotation bzw. Drehung und Ausrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt und die obige Prozedur zusammenfasst.
Wenn einmal jede Gruppe intern ausgerichtet ist, ist der nächste Schritt eine Ausrichtung zwischen Gruppen, für das Kombinieren von Stellen, die sich über zwei Gruppen erstrecken. Wie bei dem in 8 gezeigten Beispiel - das ein schematisches Diagramm ist, das eine Ausrichtung zwischen Gruppen und Gruppen, die eine weitere Ausrichtung benötigen, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt - gibt es ein gemitteltes Ergebnis ζ_a(gN, n) von allen Stellen innerhalb einer Gruppe g, die unter Verwendung der Prozedur in 7 bereits ausgerichtet sind, während Ergebnisse ζ_a(gN + 1, n) bis ζ_a((g + 1)N - 1, n) von sowohl die Gruppe g als auch die Gruppe g + 1 umfassenden Stellen stammen, die eine weitere Ausrichtung benötigen.
Jede Gruppe (g + 1) behält die gemittelte Phasendifferenz R_g(g + 1, n) zu ihrer vorherigen (Gruppe g) bei. Eine Ausrichtung zwischen Gruppen erfolgt durch Drehen aller ausgerichteten Signale innerhalb einer Gruppe (g + 1) zur Richtung von Signalen in einer Gruppe g unter Verwendung von ζ_r(z,n) · R_g(g + 1,n), wobei z ∈ Gruppe g gilt. Die Kombination mehrerer Stellen wird $\sum_{z = g N + i}^{(g + 1) N - 1} ζ_{r} (z, n) + \sum_{z = (g + 1) N}^{(g + 1) N + i - 1} ζ_{r} (z, n) \cdot R_{g} (g + 1, n)$

sein. Diese Operation ist in 9 dargestellt.
Genauso wie bei einer gruppeninternen Ausrichtung kann die Drehung in einer Gruppe (g + 1) mit einem normalisierten Wert erfolgen, der ζ_r(z,n) · (R_g(g + 1,n)/|R_g(g + 1,n)|) ist. Bei einer Ausführungsform kann das Kombinieren mehrerer Stellen eine Gewichtung auf jede Stelle anwenden, und zwar basierend auf ihrer gemittelten Leistung.
Die Gruppenrotation R_g(g + 1,n) wird durch die gemittelte Differenz zwischen Gruppe g und Gruppe (g + 1) unter Verwendung des rotierten Signals der ausgewählten Stellen in jeder Gruppe aktualisiert, was avg(ζ_r(p_e,n) · ζr(q_e,n)*) ist, wobei p_e ∈ Gruppe g und q_e ∈ Gruppe g + 1 gilt. Bei einer Ausführungsform wird R_g(g + 1,n) aus der normierten Phasendifferenz ζ_r(p_e,n) · ζ_r(q_e,n)*/.|ζ_r(p_e,n)· ζ_r(q_e,n)*| erzeugt.
Bei gegebener Signaleingabe Stelle für Stelle kann die Ausrichtung zwischen Gruppen durch zwei parallele Schieberegister erreicht werden, wie es in 10 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf diese Figur merken wir an, dass sich „FF“, wie es darin verwendet wird, auf „Flip-Flop“ oder Register bezieht. Die linksseitigen Schieberegister haben Signale ohne Rotation zwischen Gruppen, während die rechtsseitigen Register um die Phasendifferenz zwischen den Gruppen gedreht werden. Einmal pro Gruppe wird ein Impuls erzeugt, der von den linksseitigen Registern als „Lösch“-Signal verwendet wird, um die Register 1~(N-1) auf Null zu löschen; und der von den rechtsseitigen Signalen als „Lade“-Signale verwendet wird, um den Wert von den linksseitigen Registern zu den rechtsseitigen Registern zu laden. Wenn der Impuls inaktiv ist, lädt ein Register für jeden Zyklus den Wert aus seinem vorherigen Register). Durch diese Operation haben die Register des rechtsseitigen Ausgangs die Signale immer gut ausgerichtet
An dieser Stelle werden, während wir diese Offenbarung anhand 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 begrenzt sein.

Claims

Verfahren zur räumlichen Mittelung für ein System zur kohärenten verteilten akustischen Erfassung (DAS (= Distributed Acoustic Sensing)), umfassend: Erzeugen, durch einen Interrogator, von Abfragelicht und Senden von ihm in eine Länge einer optischen Erfassungsfaser; Detektieren, durch einen kohärenten Detektor, von rückgestreutem Licht, das aus dem in die optische Erfassungsfaser gesendeten Abfragelicht resultiert; Erzeugen und Ausgeben, durch einen kohärenten Detektor, von Signalen, die auf detektiertes rückgestreutes Licht hinweisen; und Analysieren, durch einen Signalprozessor, der ausgegebenen Signale, die auf detektiertes rückgestreutes Licht hinweisen, und Bestimmen von mit einer Stelle (Stellen) entlang der Länge der optischen Erfassungsfaser assoziierten Dehnungssignalen, die auf eine Schwingung und akustische Umgebung der optischen Erfassungsfaser an der (den) Stelle(n) hinweisen; WOBEI DAS VERFAHREN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: komplexe Produkte (Schwebungsprodukte) von ausgegebenen Signalen für zwei Stellen entlang der Länge der optischen Erfassungsfaser verwendet werden, um eine Phasenänderung zwischen jeder Stelle entlang der Länge der optischen Erfassungsfaser zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: ein gleitender Durchschnitt auf die Schwebungsprodukte von mehreren Stellen im räumlichen Bereich angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: mit einzelnen Stellen assoziierte Signale in Mittelungsgruppen gruppiert werden und Signale in einer der Gruppen zur selben Richtung ausgerichtet werden; Stellen mit einer Gruppe zuerst mit einer ausgewählten Stelle ausgerichtet werden; und sich über mehrere Gruppen erstreckende Stellen eine zweite Ausrichtungsoperation verwenden.
Verfahren nach Anspruch 2, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: der gleitende Durchschnitt des räumlichen Bereichs nach einer Polarisationskombination und einer Diversitätskombination einschließlich Frequenz- oder Wellenlängendiversität angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: eine gewählte Stelle eine solche ist, die innerhalb ihrer Gruppe eine maximale kurzfristige gemittelte Leistung hat.
Verfahren nach Anspruch 5, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: jede Stelle eine Phasendrehung für eine Phasenausrichtung innerhalb ihrer Gruppe hat.
Verfahren nach Anspruch 6, DAS WEITERHIN DADURCH GEKENNZEICHNET IST, DASS: ein gedrehtes Signal der gewählten Stelle als Referenz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, DAS WEITERHIN GEKENNZEICHNET IST DURCH: eine Prozedur für eine gruppeninterne Ausrichtung, bei der jede Stelle mit einer Gruppe verwendet wird, um eine Phasendifferenz zwischen ihrem Eingangssignal mit der Referenz zu bestimmen, und eine Phasendrehung durch eine gemittelte Differenz aktualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, DAS WEITERHIN GEKENNZEICHNET IST DURCH: eine Prozedur für eine Ausrichtung zwischen Gruppen, bei der jede Gruppe eine Gruppendifferenz mit ihrer Nachbargruppe beibehält, so dass eine Gruppe G+1 die Differenz mit einer Gruppe G beibehält oder eine Gruppe G die Differenz mit einer Gruppe G+1 beibehält, und die Gruppendifferenz verwendet wird, um Mittelungsstellen auszurichten, die sich über die Gruppe und ihre Nachbargruppen erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gruppen eine feste Größe zeigen, die gleich einer räumlichen Mittelung von Abgriffen ist.