JP2021512289A - Ａｏｍゲート再循環ループと周波数シフト受信機ｌｏを用いた高速周波数ホッピングｄａｓインタロゲーション - Google Patents

Abstract

本開示の態様は、音響光学変調(AOM)、ゲート再循環ループおよび周波数シフト受信機局部発振器を使用する、高速周波数ホッピング分散型音響センシングのためのシステム、方法、および構造を記載する。周波数ホッピングパルスを発生させるためにAOMによって制御される再循環ループを使用することは、DAS音響帯域幅が、長距離DASに適さない複数の周波数パターンを発生させる当該技術分野で示される欠点を解消する。加えて、帯域検出において非対称の周波数シフト局部発振器(LO)を採用することにより、帯域幅要件を1/2に低減する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2018年1月26日出願の米国仮特許出願第62/622,191号及び米国実用新案出願第16/258,586号の優先権を主張するものであり、それらの全内容は、本書で詳細に記載されているかのように参照により組み込まれている。

本開示は、概して、感知システム、方法、および構造に関する。より詳細には、本開示は、分散型歪センシングを提供するために光ファイバケーブルを使用する分散型音響センシング(DAS)に関する。

分散型音響センシングシステムは、分散型歪センシングを提供するために光ファイバを使用する。DASでは、光ファイバは、センシング素子として機能し、測定が行われ、その後、取り付けられた光電子デバイスを使用して処理される。このようなシステムは、音響周波数歪信号を、広い距離にわたって、また厳しい環境内で検出することを可能にする。

さまざまな現代のアプリケーション、システム、方法、および構造におけるDASシステムの有用性および重要性を考慮すると、それらの操作を強化することは、当技術分野に歓迎すべき追加を表すであろう。

当該技術分野の進歩は、拡張された距離にわたって分散型音響センシングを提供するシステム、方法、および構造に向けられた本開示の態様に従ってなされる。

有利には-そして先行技術とは対照的に-本開示の態様によるシステム、方法および構造は、ゲート音響光学変調器(AOM)を含む再循環光ファイバループを使用し、高い音響センシング帯域幅(BW)を達成しながら、長距離DASシステムのための周波数ホッピング光パルスを生成する。生成される光周波数の数は、光パルスがループを再循環する回数によって決定され、これは効果的に音響サンプリングレートを増加させる。特に有利なことに、周波数ホッピングパルス源を使用し、パルスが時間的に等間隔で配置されると、最大顕音響周波数はN×fまで増加することができ、ここで、Nは使用される周波数の数であり、AOM再循環ループで採用されるファイバ長によって有利に制御され得る音響帯域幅強化係数である。

本開示の態様によるシステム、方法、および構造を示し、記載すると、周波数ホッピングパルスパターンが、メモリ長容量制限を有する任意の波形生成(AWG)を介して生成されないので、また、従来技術を概して説明するように、DASファイバ長には制限がない。

最後に、本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、光周波数シフタを使用して、「帯域外」検出の代わりに「帯域内」コヒーレント検出を実行し、それによって、必要な受信機帯域幅を半分に低減する。周波数ホッピングバンド内のオフセットLO周波数は、コヒーレント受信機とのIQ不均衡の影響を最小化し、信号対雑音比(SNR)を増加させる。

本開示のより完全な理解は、添付の図面を参照することによって実現され得る。

例示的な従来技術の差動レイリーセンサ配置の概略ブロック図である 本開示の態様による、周波数ホッピングパルスを使用して増加する音響サンプリングレートを示す一連のプロットである。 本開示の態様による音響光変調器(AOM)再循環ループを使用する周波数ホッピングパルス発生を採用するDASの例示的構成の概略図である。 本開示の態様による、オフセット周波数を有するシフトされた局部発振器(LO)を備えた周波数ホッピングDASのためのコヒーレント受信機設計を示すプロットである。 本開示の態様による周波数ホッピングパルスを用いたレイリー後方散乱信号の受信スペクトルを示すプロットである。 本開示の態様による、250-Hz音響周波数のl50kmのDASの差動位相追従を示すプロットである。 本開示の態様による、250-Hz音響周波数のl50kmのDASの差動位相追従を示すプロットである。 本開示の態様に従ってλ₁のみが処理される場合に測定される差動位相を示すプロットである。 本開示の態様による、3-kHzの音響周波数のl50kmのDASの差動位相追従を示すプロットである。 本開示の態様による、3-kHzの音響周波数のl50kmのDASの差動位相追従を示すプロットである。

例示的な実施形態は、図面および詳細な説明によってより完全に説明される。しかしながら、本開示による実施形態は、様々な形態で具現化されてもよく、図面および詳細な説明に記載された特定のまたは例示的な実施形態に限定されない。

以下は、単に本開示の原理を例示するものである。したがって、当業者は、本明細書では明示的に説明または図示されていないが、本開示の原理を具体化し、その精神および範囲内に含まれる様々な構成を考案することができることが理解されよう。

さらに、本明細書に列挙されたすべての実施例および条件付き言語は、読者が本開示の原理および本技術を促進するために本発明者によって寄与された概念を理解するのを助けるための教育目的のためだけのものであることが意図され、そのような具体的に列挙された実施例および条件に限定されないものとして解釈されるべきである。

さらに、本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにその特定の例を列挙する本明細書のすべてのステートメントは、その構造的および機能的同等物の両方を包含することが意図される。さらに、そのような均等物は、現在知られている均等物と、将来開発される均等物、すなわち、構造にかかわらず、同じ機能を実行する開発された任意の要素との両方を含むことが意図される。

したがって、たとえば、本明細書の任意のブロック図が、本開示の原理を実施する例示的な回路の概念図を表すことが、当業者には理解されよう。

本明細書で特に明記しない限り、図面を構成する図は、正確な縮尺率ではない。

いくつかの付加的な背景として、筆者らは、従来の分散型音響センシング(DAS)システムでは、最大音響周波数が採用されるインタロゲータのセンシングレートに制限されることに着目することから始める。DASシステムは、光パルスをセンシングファイバに送り、センシングのためのレイリー反射信号を使用することによって動作するので、センシング速度は、光パルスの繰り返し率に直接に関係する。

動作上、分散センシングを達成し、信号干渉を避けるために、パルス繰り返し率はファイバ長に反比例する。したがって、感知できる最大周波数は、f=c/4nLで定義される。ここで、cは光の速度、nはファイバ屈折率、Lはファイバ距離である。長距離-例えば100km以上-を検知するように設計されたインタロゲータの場合、最大周波数は500Hz未満に制限され、これはパイプラインヘルスモニタリングなどの一部のアプリケーションには十分ではない。

Proc. SPIE 9157, 23rd International Conference on Optical Fiber Sensors, 91576X on June 2, 2014に掲載された「周波数分割多重化を採用した高サンプリングレートマルチパルス位相感応OTDR」と題する論文において、Zhengqing Pan; Zhaoyong Wang; Qing Ye; Haiwen Cai; Ronghui Qu; Zujie Fangは、異なる周波数を有する光パルス源を生成することによって、より高い音響サンプリングBWを達成することができると述べている。4つの異なる周波数を多重化することにより、実験的位相OTDRシステムは、両側波帯変調を用いて10kmセンシング範囲にわたって最高で20kHzの振動検出帯域幅を検出することができる。

2016年光ファイバ通信会議・展示会(OFC)、Anaheim、CA、2016年、1〜3頁で発表された「周波数多重位相OTDRによる繰り返し限界よりも速い高周波分布音響センシング」と題する記事では、D. Iida、K. TogeおよびT. Manabeが、単側波帯変調器を用いて5kmで最高で80kHzの音響センシングを達成する周波数符号化位相OTDRを開示している。

最後に、Dian Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan Heは、J. Lightwave Technol. 35, 2037‐2043,2017で掲載された「拡張応答帯域幅および高信号対雑音比を有する分散型光ファイバ音響センサ」を記載し、音響光学変調器(AOM)を駆動する線形周波数変調光パルスを用いて、24.7km長のファイバにわたって、9kHzまでの音響周波数を検出可能であることを示した。

これらの開示の3つの全ては、増加した音響センシング帯域幅のための複数の周波数を有するパルス源を作成するために、任意波形発生器(AWG)を使用するシステム/方法を記述していることに留意されたい。しかしながら、当業者は、AWGのコストが、典型的には、DASで使用される従来の電子機器よりも高いことを容易に認識し、理解するであろう。加えて、AWGはまた、限られたデータメモリ長を有し、従って、それは、100kmを超える長いファイバ距離をセンシングするための長い周波数混合シーケンスを生成するための継続した課題を提起する。

ここで示し、説明するように-そして先行技術とは対照的に-本開示によるシステム、方法、および構造は、高音響センシング帯域幅(BW)を有利かつ驚くべきことに達成するために、長距離DASシステムのための周波数ホッピング光パルスを生成するためのゲートAOMを含む再循環光ファイバループを採用する。有利には、光周波数の数は、光パルスがループを再循環する回数によって決定され、これは効果的に音響サンプリングレートを増加させる。周波数ホッピングパルス源を用いて-時間的に等間隔のパルスで-、最大顕音響周波数は、N×fまで増加させることができる。ここで、Nは使用される周波数の数であり、音響帯域幅増強係数であり、AOM補助再循環ループで採用されるファイバ長によって制御することができる。

有利には、本開示によるシステム、方法、および構造は、あるメモリ長キャップを有するAWGを介して周波数ホッピングパルスパターンが生成されないので、DASファイバ長に制限を課さない。

複数の光周波数を使用するため、各個別のDAS周波数チャネルを並列処理するためには、より大きな受信機帯域幅が必要となる。また、本発明は、必要な受信機帯域幅を半分に低減するために、「帯域外」検出の代わりに「帯域内」コヒーレント検出を行うために光周波数シフタを利用する。周波数ホッピング帯域内のオフセットLO周波数は、コヒーレント受信機からのIQ不均衡の影響を最小化し、システムSNRを増加させる。

当業者は、単一周波数DASシステムはセンシングファイバ長による音響帯域幅制限を示すので、そのようなシステムに採用されるインタロゲータは、必要な音響帯域幅を達成するために、長距離センシングのための適切な長さ間隔で必ず連結されることを理解し、認識するであろう。

対照的に、本開示によるAOMループ、システム、方法、および構造を使用して作成された周波数ホッピングパルスをインターリーブすることによって、改善された、達成可能な音響帯域幅を示す。有利には、これは、必要な信号対雑音比(SNR)が達成され得る限り、より少ないインタロゲータを、それらの間のより長い間隔で使用することができるので、従来技術、すなわち従来のDASと比較して、より低コストの解決策を提供する。

最後に、および本開示による他の周波数多重化アプローチ、システム、方法、および構造と比較して、有利には、より長いセンシング距離を達成する。その理由は、従来技術とは異なり、本開示によるそのようなシステム、方法、および構造は、AWGを使用することによって周波数ホッピングパターンを作成しないといった、センシング距離が、AWGのメモリ長によって有利的に制限されないからである。

次に、図１を参照すると、差動レイリーセンサの従来技術の配置の概略図が示されている。その図に例示されているように、この構成は、光パルス源と、光ファイバの長さによって接続された音響源とを含む。光パルス源と音響源との間には、ファイバを二重偏波コヒーレント受信機/検出器に光学的に接続するサーキュレータが介在している。

動作上、このような従来技術の構成は、一般に1/T_periodの繰り返し率でパルス幅T_dを示す光パルスを生成する光パルス源によって動作する。パルスは、サーキュレータを介して被試験ファイバ(FUT)内に発射される。次いで、レイリー後方散乱による任意の後方反射信号が、二重偏波コヒーレント受信機に向けられる。

当業者が知って理解するように、音波は、ファイバを「伸張」させ、光路長を変化させ、従って、zとz+Δzとの2点間の位相を変化させる。後方反射信号を微分検出することにより、音波によって誘起される位相変化Δφ(z)を測定することができる。

次に、図２を参照すると、本開示の態様による周波数ホッピングパルスを使用するDASのための音響サンプリングレートの増加を示す一連のプロットが示されている。

上述したように-従来のDASでは-感知可能な最高音響周波数が制限され、ファイバ長に反比例し、したがって、光位相測定は、パルスの繰り返し率T_periodよりも速くはならない。したがって、測定可能な最高の音響周波数がf_{max =}l/2T_periodである。

本開示の態様によれば、時間分解能、または音響センシング帯域幅は、時間的に等間隔で配置されたパルス列のスタガを使用することによって、N_p倍だけ改善することができる。パルス列の光周波数はパルス毎にホップするので、各光周波数での音響位相測定は、完全な音響波形を組み立てるために、フィルタリングとインターリーブを一緒に行うことにより抽出することができる。

次に、図３を参照すると、本開示の態様によるAOM再循環ループを使用する周波数ホッピングパルス発生のための例示的な配置の概略図が示されている。その図に示されるように、光ファイバの一部は、音響光学変調器(AOM-1)とファイバ増幅器(すなわち、エルビウム添加ファイバ増幅器 - EDFA)とを含む。増幅器とAOM-1との間には、ファイバの部分と、第2のAOM、すなわちAOM2と、光増幅器と、帯域フィルタとを含む再循環ループが介在している。

動作上、連続波レーザ信号は、最初にAOM-1に送られ、AOM-1は、従来技術のDASと同様に、T_periodの繰り返しインターバルでパルスを刻む。しかしながら、従来技術とは対照的に、単一周波数パルスは、AOM-2がループの開閉を切り替えるために使用される再循環ループに向けられる。

AOMスイッチを動作させるために、AOMの電気ポートを駆動するために使用される周波数f_AOMの無線周波数(RF)信号は、AOM-2を通過するたびに、光パルスのf_AOMの周波数シフトを生成する。ループに含まれるファイバは、T_period/N_pの伝播遅延で周波数ホッピングパルスインターバルをずらすために使用される。したがって、再循環ループの出力での光結合の後、N_pパルスは、AOMの動作仕様(典型的には50〜100MHz)内で同調可能なRF駆動周波数f_AOMによって決定される周波数間隔で生成される。ループ内のEDFA利得は、全てのN_pパルスが等化されたパワーレベルを有することを保証するように制御でき、光バンドパスフィルタ(BPF)は、雑音蓄積を防止するために、各パスにおいて帯域外増幅自然放出(ASE)雑音を排除する。

周波数ホッピングDASシステムでは光周波数多重が適用されるので、コヒーレント受信機は、並列信号処理のために全ての信号周波数を受信するために、より大きな帯域幅を必要とするであろう。本開示の態様によれば、図４にグラフで示すように、「帯域内」検出を行い、帯域幅要件を低減するために、受信LOが信号周波数帯域の内側にシフトされる特別な受信器設計を開示する。

この方式では、LO信号ビート信号の同相および直交部分の両方が捕捉されるので、正および負の周波数の両方が下方変換後の信号情報を含むことになる。しかしながら、IQ不均衡は、同相レーンと直交レーンとの異なる応答によって生じることがある。このようなIQ不均衡に対処するために、LOシフト周波数は、非対称受信スペクトルに対してオフセットを有するように設計され、構成される。こうすれば、信号干渉を引き起こすために、各信号周波数のIQ不均衡イメージが他の周波数と重なり合わない。

実験的に捕捉された信号スペクトルが図５にプロットされている。この試験では、全部で12個の周波数を1周期当たり使用して、音響周波数増強N_p=12を達成した。各光パルスは200nsのパルス幅を持ち、20.7mの空間分解能を達成した。初期パルス繰返し率は625Hzであり、166kmにおける最高センシング間隔に対応するT_period=1.6msを提供する。連続パルス間に134.29μsの時間遅延を作るために、AOMループ往復長を27.9kmに設定した。周波数セパレーションは、f_AOM=80MHzで決定される。受信信号は、周波数が420MHz(20MHzオフセット)だけシフトされたLOレーザと混合されるので、12トーン全てがl.25Gspsのナイキストサンプリングレート内にある。

図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および図７Ｂにおいて、周波数ホッピングDASテストベッドを用いて測定された、試験中のいくつかの典型的な記録された微分光学位相トレースを示す。試験は、音響振動をエミュレートするために、端部にファイバストレッチャを取り付けた長さ150kmのセンシングファイバ上で行った。

図６Ａおよび図６Ｂにおいて、250Hzで印加された音響周波数を示す波形は、12個全ての光周波数を用いて縫い合わされている。図６Ｃは、λ₁のみが処理された場合に測定された差動位相を図示する。

図７Ａおよび図７Ｂでは、3kHzの音響信号がストレッチャに印加されたときに、音響波形は、システムを使用して依然として得ることができることを示している。当業者であれば、このような測定は、625Hzの元の繰り返し率を有する単一周波数DASシステムでは不可能であったことを理解するであろう。

この点で、いくつかの特定の例を使用して本開示を提示したが、当業者は、本教示がそのように限定されないことを認識するであろう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

Claims (10)

1. 改良型光ファイバ分散型音響センシング(DAS)アセンブリであって、該システムは光ファイバと、前記光ファイバと光通信する光送受信アセンブリとを備え:
   ゲート音響光学変調器(AOM)を含む再循環光ファイバループであって、前記再循環光ファイバループが前記光ファイバに接続されていることを特徴とするDASアセンブリ。
2. 前記再循環光ファイバループは、周波数ホッピング光パルスを生成するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のDASアセンブリ。
3. 前記循環光ファイバループは、光パルスが前記ループを再循環する回数によって決定される複数の光周波数を生成するように構成されることを特徴とする、請求項２に記載のDASアセンブリ。
4. 前記周波数ホッピング光パルスは、前記DASの実効音響サンプリングレートを増加させることを特徴とする、請求項３に記載のDASシステム。
5. 単一周波数を示すシード光パルスが異なる周波数で複数のトレーリングパルスを生成することを特徴とする、請求項４に記載のDASシステム。
6. 前記AOMに印加される電気駆動信号の無線(RF)周波数が、前記周波数ホップの各々に周波数間隔を設定することを特徴とする、請求項２に記載のDASシステム。
7. 前記再循環ループは、隣接するパルススタガリング時間を設定するように構成された光ファイバ遅延長を含む、請求項６に記載のDASシステム。
8. 前記再循環ループは、前記周波数ホッピングパルスの難問を等化するように構成されたエルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)を含むことを特徴とする、請求項７に記載のDASシステム。
9. 受信機帯域幅が減少するように、DAS信号をコヒーレントに検出するための周波数シフト局部発振器(LO)によって特徴付けられる、請求項８に記載のDASシステム。
10. 前記LO周波数オフセットが、I/Q不均衡からの干渉が排除されるように構成されることを特徴とする、請求項９に記載のDASシステム。

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