JP2022510319A - 高速データを伝送している光ファイバによる分散型センシング - Google Patents

Abstract

本開示の態様は、特に、温度、音響効果及び車両トラフィックを検出する既存のライブネットワーク、データ伝送、光ファイバ通信インフラに構築された分散型ファイバセンサネットワークを開示する光ファイバセンシングシステム、方法及び構成を記載する。特に重要なことは、本開示の態様によるセンシングシステム、方法及び構成は、マンホール／ハンドホールに関する特定のネットワーク位置、並びにそれらのマンホール／ハンドホール内の環境状態、すなわち、正常、浸水、凍結／氷結等を有利に判別できることである。【選択図】図５

Description

本開示は、一般に光通信、並びに光センシングシステム、方法及び構成に関する。より詳細には、高速のデータトラフィックを伝送している光ファイバ通信設備に関する分散型光ファイバセンシングシステム、方法及びその構成と応用について説明する。

光センシング及び通信技術として知られているように、分散型光ファイバセンシングは、一般に、局内に設置されたインテロゲータが能動的に光信号を生成し、それらを光ファイバに入射し、その後にファイバの長さに沿って発生する反射信号を検出する、いくつかの関連技術を含む。そのような反射は、例えばファイバ及び／またはその長さに沿って配置された複数のセンサが、環境状態が変動する結果として生じる。したがって、光ファイバは、反射信号を介して環境／センシングデータをインタロゲータへ送り返し、インタロゲータは、信号処理技術を用いてファイバの長さに沿った環境状態に関する重要な情報を判定／導出する。

現在実施されているように、分散型ファイバ光センシング（ＤＦＯＳまたはＤＦＳ）は、地震検出を含む、インフラ監視、侵入検出及び環境監視のような多様な用途において、広い範囲で適用可能性が見出されている。

現代の通信キャリアは、インターネットに関連するトラフィックを含む計算できない量の通信データトラフィックをサポートするために、巨大な規模の光ファイバインフラを構築してきた。これまで、これらの光ファイバインフラは、そのような通信データを伝送するためにのみ利用されてきた。

当該技術における進歩は、高速な通信信号を伝送している光ファイバネットワークを介して分散型ファイバ光センシングを提供するシステム、方法及び構成を対象とする本開示の態様によってなされる。

従来技術とは大きく異なって、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、通信データを示す高速の通信信号と、光ファイバの環境状態を示す分散型ファイバ光センシング（ＤＦＯＳ：distributed fiber optic sensing）信号とを同時に搬送する分散型ファイバセンシングプラットフォームとしての役割を果たす、現代の光通信ネットワークを有利に利用できる。

本開示の態様によるレイリー及びラマン後方散乱、システム、方法及び構成を利用することで、振動、温度及び音響効果等に関連する物理特性を、光ファイバケーブル全体に沿ったあらゆる地点で検知できる。複数のＤＦＯＳシステム及び光スイッチを用いることで、星形、リング状、メッシュ状及びフレキシブルなネットワークトポロジで動作するネットワークに関するセンシング機能を利用できる。さらに、新規な４チャネルＤＦＯＳシステムを用いることで、複数の経路に関する同時検出が可能になる。

本開示のより完全な理解は、添付の図面を参照することで実現される。

図１（Ａ）は、本開示の態様による、例示的な光ファイバセンシングの構成及び様々な用途で使用される後方散乱のタイプを模式図で示している。

図１（Ｂ）は、本開示の態様による、温度検出に使用する、例示的な通信光ファイバインフラ及び分散型ファイバセンシングの構成を模式図で示している。

図２（Ａ）は、本開示の態様による、マンホール及び埋設ケーブルの位置を判定／定めるための分散型温度センシング（ＤＴＳ：distributed temperature sensing）の結果例を示すプロットである。 図２（Ｂ）は、本開示の態様による、架空ケーブルの位置を判定／定めるための分散型温度センシング（ＤＴＳ）の結果例を示すプロットである。

図３（Ａ）は、本開示の態様による、ＯＬＴ（optical line terminal）からマンホール／ハンドホールまでのファイバ温度センシングアーキテクチャを示す模式図である。

図３（Ｂ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに正常な／乾燥したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間に測定された温度対距離のプロットを示す模式図である。

図３（Ｃ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに浸水したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間に測定された温度対距離のプロットを示す模式図である。

図３（Ｄ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに凍結／氷結したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間に測定された温度対距離のプロットを示す模式図である。

図３（Ｅ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに昼間／夜間の温度スイング、正常な／乾燥した、浸水及び凍結したマンホール／ハンドホールに関する温度範囲を表形式で示した図である。

図４は、本開示の態様による、路面温度監視の分散型センシングのために使用される、配備された通信ケーブルを示す模式図である。

図５は、本開示の態様による、全体的なプロセス／方法を示すフロー図である。

図６（Ａ）は、本開示の態様による、共存センシング／通信ネットワークの例示的な実験構成を模式図で示している。

図６（Ｂ）は、本開示の態様による、図６（Ａ）の例示的な実験用の共存センシング／通信ネットワークの概略マップを示している。

図６（Ｃ）は、本開示の態様による、図６（Ａ）の例示的な実験用の共存センシング／通信ネットワークの統合された概略マップを示している。

図７（Ａ）は、本開示の態様による、様々な時間／距離におけるファイバ実験用の共存センシング／通信ネットワークのためのウォーターフォールトレースである。 図７（Ｂ）は、本開示の態様による、様々な時間／距離におけるファイバ実験用の共存センシング／通信ネットワークのためのウォーターフォールトレースである。

図８（Ａ）は、本開示の態様による、道路交通監視を例示的に示しており、ファイバセンシングとビデオとを比較しながら解析する例である。 図８（Ｂ）は、本開示の態様による、図８（Ａ）の解析結果が交通カウントに関して示されている。 図８（Ｃ）は、本開示の態様による、図８（Ａ）の解析結果が速度に関して示されている。 図８（Ｄ）は、本開示の態様による、ファイバセンシングによる５日間の道路交通監視を示すグラフである。

図９は、本開示の態様による、路面品質監視を示すグラフであり、図９（Ａ）は加速度計による路面品質監視を示し、図９（Ｂ）はファイバセンシングシステムによる路面品質監視を示し、図９（Ｃ）はウォーターフォールトレースである。

具体的な実施形態は、図面及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、図面及び詳細な説明に記載された特定のまたは具体的な実施形態に限定されるものではない。

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、当業者であれば、本明細書で明示的に説明または図示されていなくても、本開示の主旨及び範囲に含まれる、本開示の原理を具体化する様々な構成を考え出すことができることを理解されたい。

さらに、本明細書で挙げる全ての実施例及び条件付き用語は、本開示の原理及び本技術を促進するために本発明者らが提供する概念の理解を助ける教育目的のためだけであることを意味し、具体的に挙げられた実施例及び条件に限定されないと解釈されるべきである。

さらに、本開示の原理、態様及び実施形態、並びにその特定の実施例で挙げる本明細書の全てのステートメントは、その構成及び機能の均等物の両方を含むことを意味する。さらに、そのような均等物には、現在知られている均等物と、将来開発される均等物、すなわち構成に関係なく同じ機能を実現する、開発された要素の両方を含むことを意味する。

したがって、例えば、本明細書の任意のブロック図は、本開示の原理を実施する回路の実例を示す概念図であることが当業者に理解されよう。

本明細書では、特に明記しない限り、図を含む図面は、正確な縮尺率で描かれていない。

ある追加の背景として、分散型ファイバセンシングは、一般に、光信号を能動的に生成し、それらの信号を光ファイバに入射し、ファイバに沿って発生する反射（後方散乱）信号を検出する、局の内部の扱い易い場所及び／または中央に配置されたインテロゲータシステムを含む、システム及び方法を形容することにもう一度注目することから始める。運用上、そのようなファイバは、反射信号によってインテロゲータに環境情報を送り返すか、通過させる受動リンクとして機能する。反射／受信信号を処理することで、インテロゲータは、ファイバ全体に沿った環境状態に関する情報を導出する。

対照的に、現代のファイバ光通信システム、方法及び構成は、一般に、電気信号を、光ファイバを経由して送信する光信号に変換する光送信器と、地下の導管、建物及び他の構造物を経由する複数の光ファイバの束を含むケーブルと、複数の種類／タイプの増幅器と、電気信号として信号を復元するための光受信器とを含む。送信される通信データは、適切なシステムによって受信されると、情報の価値が有用なアイテム、すなわちプログラム、スピーチ、ファイル等が得られる、典型的にはコンピュータ、電話システム、テレビ／ビデオ／他のデータによって生成されるディジタルデータを含む。

最もよく使用される光送信器は、発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）やレーザーダイオード等の半導体デバイスである。ＬＥＤとレーザーダイオードの違いは、ＬＥＤがインコヒーレントな光を生成するのに対し、レーザーダイオードはコヒーレントな光を生成することである。光通信で使用するために、半導体の光送信器は、最適な波長範囲で動作し、高周波数で直接変調されると共に、小型、高効率、高信頼性であるように設計されなければならない。

光受信器の主な構成要素は、光電効果を利用して光を電気に変換できる光検出器である。通信用の最重要な光検出器は、インジウムガリウムヒ素から作られる。光検出器は、典型的には半導体ベースのフォトダイオードである。幾つかのタイプのフォトダイオードには、ｐ－ｎフォトダイオード、ｐ－ｉ－ｎフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードがある。金属－半導体－金属（ＭＳＭ：Metal-Semiconductor-Metal）光検出器も、再生器及び波長分割マルチプレクサにおける回路の適合性のために使用される。

光電変換器は、典型的にはトランスインピーダンスアンプ及びリミティングアンプと併用されて、チャネルを通過する間に減衰及び歪みが生じ得る、入力される光信号から電気領域でディジタル信号を生成する。位相同期回路によって実行されるデータからのクロック再生（ＣＤＲ：clock recovery from data）等のさらなる信号処理は、データが渡される前に適用されてもよい。

（コヒーレント送信機または結合された送受信機－トランシーバと併用される）コヒーレント受信機は、偏波毎に１対のハイブリッドカプラ及び４つの光検出器と組み合わせた局部発振器レーザを用いて、高速ＡＤＣ（analog-to-digital）とディジタル信号処理とを行い、ＱＰＳＫ（quadrature phase shift keying）、ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）、ＯＦＤＭ（orthogonal frequency division multiplexed）で変調されたデータを復元する。

一般に、光通信送信器は、ディジタルアナログ変換器（ＤＡＣ：digital-to-analog）、ドライバ増幅器及びマッハツェンダ変調器（ＭＺＭ：Mach-Zehnder-Modulator）を含む。より高い変調フォーマット（＞４ＱＡＭ）またはより高速なボーレート（＞３２ＧＢａｕｄ）の配備は、線形及び非線形送信機の影響のためにシステム性能を低下させる。これらの影響は、ＤＡＣの帯域制限及び送信機のＩ／Ｑスキューに起因する線形歪みと、ドライバ増幅器及びマッハツェンダ変調器における利得飽和に起因する非線形効果とに分類できる。ディジタルプレディストーションは、劣化作用を打ち消し、５６ＧＢａｕｄまでのボーレートと、６４ＱＡＭ及び１２８ＱＡＭのような変調フォーマットとを、市販のコンポーネントを用いて可能にする。送信機のディジタル信号プロセッサは、サンプルをＤＡＣにアップロードする前に、逆送信機モデルを用いて入力信号に対してディジタルプレディストーションを実行する。

より古いディジタルプレディストーション法は、線形効果にのみ対処していた。最近の公表文献は非線形歪みもまた補っている。より詳細には、いくつかのモデルは、マッハツェンダ変調器を独立システムとして扱い、ＤＡＣ及びドライバ増幅器を切頭（truncated）時不変のボルテラ級数によってモデル化するが、他の技法は送信器コンポーネントを共同でモデル化するためにメモリ多項式を用いる。

本発明者らは、本明細書において、通信トラフィックを分散型ファイバセンシングデータからさらに区別するために、この追加の通信背景技術を提示する。そのような通信トラフィック及びデータは、通信トラフィックを送信／受信するために、光ファイバリンクの一端部で送信機を使用し、光ファイバリンクの別の異なる端部で受信機を使用する。対照的に、本発明者らの分散型センシングトラヒック（光センシングパルス）は、一般的に採用される光ファイバの一端部から送信され、その同じ端部へ後方散乱される。また、そのような分散型センシングデータは、センサ的な性質のものであり、上述したｅメール、ファイル共有、ビデオ、音声、ストリーミングデータトラフィック等の、より一般的な性質のものではない。

図１（Ａ）は、本開示の態様による、例示的な光ファイバセンシング（分散型ファイバセンシング）の構成及び様々な用途で使用される後方散乱のタイプを模式図で示している。この図から分かるように、異なるタイプの後方散乱は、異なる用途で使用することが好ましい。より具体的には、ラマン後方散乱は温度センシングの用途（１つまたは複数）で使用され、ブリルアン後方散乱は温度及び／または歪みセンシングの用途（１つまたは複数）で使用され、レイリー後方散乱は振動及び／または音響センシングの用途（１つまたは複数）で使用される。

このような分散型ファイバセンシング（ＤＦＳ：distributed fiber optic sensing）システムは、橋、高速道路及び建物を含むインフラ監視、侵入検出及び地震検出を含む環境監視等の広範囲の用途に有利に配備できる。

当業者であれば容易に理解するように、通信キャリア及びサービスプロバイダは、膨大な量（米国だけで３００～４００万マイルを超える）の通信サービス専用の光ファイバを設置している。そのようなファイバは、地下の導管内、ポールを用いて空中に、建物／通信タワー内等に配置できる。以下で示すように、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、通信問題を解決するためにファイバ内の動作障害を監視／診断／見出すだけでなく、同じ光ファイバで膨大な量の通信を行っていても、追加の有益な情報を導出するために使用できる、他の非通信関連のセンサデータを提供するために有利に使用できる。

上述したように、本開示の態様によるシステム、方法及び構成の一態様は、光ファイバが診断／メンテナンスされるように、光ファイバの「健全性」／状態を監視することである。それらの態様と一致して、本発明者らは、ファイバ位置を定め、光ファイバ特性のモデル／知識を進展させるために、既存の通信インフラに沿った分散型温度センシング（ＤＴＳ）を用いることを開示する。特に、光ファイバが通過するマンホール／ハンドホールの位置を判定／特定し、道路／高速道路状態の判定を開示するためにＤＴＳを採用する。

本発明者らは、ファイバ（ケーブル）の位置決め手順に関して、所定の光ファイバリンクに沿って多くのマンホールとハンドホールが存在することに留意する。一般に、そのようなマンホール／ハンドホールには、それぞれ固有の識別子（ＩＤ）及び記録された地理的位置が関連付けられている。隣接するホール間の距離は、比較的短く、典型的には１０００～２０００フィートである。以下で説明するように、ＤＴＳを用いることで、技術者は、光ファイバの位置がこれらのホールに対してどこにあるかを判定できる。

ここで図１（Ｂ）を参照すると、図１（Ｂ）には、本開示の態様による、温度検出に使用する、例示的な通信光ファイバインフラ及び分散型ファイバセンシングの構成の模式図が示されている。この図で示すように、トランスポンダ及びＤＴＳを含む光回線端末（ＯＬＴ）は、既存の光通信ファイバを介して、１つまたは複数のマンホール／ハンドホール、橋梁、架空ポール及び無線タワーと光学的に相互に接続される。

ＤＴＳシステムは、ファイバインフラ全体に沿った位置に関する温度データ／情報を提供する。本開示の目的のために、図で示される光学インフラに沿った２つの重要な位置は、マンホール／ハンドホール及び架空ポールである。

以下で示すように、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、ファイバインフラに沿った温度分布を測定し、ケーブル位置及びマンホール／ハンドホール内の環境の情報を判定する。

さらに、本明細書で見出し開示するように、マンホール／ハンドホール内の温度は環境温度に簡単に影響されるため、ほとんどの場合、所定の時間のマンホール／ハンドホール内の温度は、埋設された光ファイバから判定される温度とは異なる。さらに発明者らが判定したように、マンホール／ハンドホールに関する昼間から夜間の温度スイングは、埋設された光ファイバよりも大きい。その結果、マンホール／ハンドホールの位置は、そのようなＤＴＳデータから有利に判定できる。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本開示の態様による、分散型温度センシング（ＤＴＳ）の結果例を示すプロットであり、図２（Ａ）はマンホール及び埋設ケーブルの位置を判定／定めるためのシングルトレースを示し、図２（Ｂ）は架空ケーブルの位置を判定／定めるための２４時間の結果例を示している。

これらの図から分かるように、夕方（午後５：３０）及び深夜（午後１１：３０）における温度を比較することで、マンホール／ハンドホールは、昼間及び夜間における４８インチで埋設された光ファイバよりも大きな温度スイングに基づいて特定できる。架空ケーブルの部分は、同様に測定された温度スイングに基づいて判別されてもよいことに留意されたい。理解できるように、マンホール／ハンドホール及び架空ケーブルの位置は、物理的な光ファイバ（ケーブル）の位置の較正に有利に利用できる、プロットで明確に示されている。当業者は、ＯＴＤＲ（optical time domain reflectometry）がファイバ長を決定するために使用され、さらにマンホール／ハンドホールの位置及び架空ケーブル長を知ることが通信ネットワーク（フィールド）に配備されたファイバを評価するときにより有用な情報を提供することを容易に理解し、認識するであろう。

本開示のさらなる別の態様によれば、本発明者らは、温度スイングの測定に基づいて、所定の時間のマンホール／ハンドホール内の環境状態の判別が可能であることを決定した。マンホール／ハンドホールに関するこのような環境状態の情報は、特に冬季において通信キャリアにとって重要であり、このような情報は、通信伝送性能の劣化を引き起こす、凍結水（氷）に起因するあらゆる損傷に関する知見を提供する。

図３（Ａ）は、本開示の態様による、ＯＬＴからマンホール／ハンドホールまでのファイバ温度センシングアーキテクチャを示す模式図である。この図から分かるように、ＯＬＴは、マンホール／ハンドホールを経由する、ファイバが接続されて、搬送される信号が分散される、１つまたは複数のファイバの接続点を含む、配備された光ファイバを備える光通信で示されている。以下で示すように、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、ファイバプラント内のそのようなマンホール／ハンドホールの位置を有利に判別し、そのメンテナンスを容易にできる。

図３（Ｂ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに正常な／乾燥したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間で測定された温度対距離のプロットを示す模式図である。図３（Ｃ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに浸水したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間に測定されたた温度対距離のプロットを示す模式図である。図３（Ｄ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに凍結／氷結したマンホール／ハンドホールに関する昼間及び夜間に測定された温度対距離のプロットを示す模式図である。図３（Ｅ）は、本開示の態様による、マンホール／ハンドホールに関するファイバ温度センシング、並びに昼間／夜間の温度スイング、正常な／乾燥した、浸水及び凍結したマンホール／ハンドホールに関する温度範囲を表形式で示した図である。

これらの図を同時に参照すると、若干の「正常な」状態の期間で、任意のマンホール／ハンドホールの内部は乾燥しており、環境（空気）温度を反射／表すことが観察される。したがって、マンホール／ハンドホールの内部温度は、昼間と夜間のより大きなスイングを伴う環境温度と同じか、それと類似する大きな温度スイングを受ける。しかしながら、マンホール／ハンドホールが浸水している及び／または水没していると、昼間と夜間の温度スイングは小さい、または変化は無いが、温度（Ｔ）が３２°Ｆを超えている。逆に、昼間と夜間の温度スイングが小さい３２°Ｆ以下の場合は、マンホール／ハンドホール内の状態が氷結及び／または凍結していると判定できる。このような状態は、図３（Ｅ）において表形式で記載されている。

有利なことに、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、わずかな修正を伴って道路／車道／高速道路の表面温度を連続的に判定するために使用できる。

図４は、本開示の態様による、路面温度監視の分散型センシングのために使用される、配備された通信ケーブルを示す模式図である。図では、架空光ファイバケーブルが路面上で吊り下げられている、または隣接しているため、路面の温度を直接測定する機能がないことに留意されたい。さらに、架空ファイバは、追加のファイバコイルのループを含むことができることに留意されたい。運用上、典型的な光通信インフラは、そのような追加のファイバを含むため、それらは、路面ファイバケーブルとして路面の直接測定を提供する、空中から地上に再配置することができる。さらに、不十分な長さのファイバまたは不適切なファイバ（ある種の架空ファイバは地中に適していない）が空中に配置されている場合は、適切な長さのファイバが架空ファイバに接続され、道路に沿って配置されてＤＴＳまたは他の測定に必要なファイバを提供することに留意されたい。そのように配備または再配置がなされる場合、そのような道路ファイバは、舗装の損傷を把握するために路面温度を判定する、または光ファイバで搬送される振動センシング機構を介して交通情報を提供するために使用してもよい。

図５は、本開示の態様による、全体的なプロセス／方法を示すフロー図である。この図を参照すると、ブロック５－１において、配備された光ファイバの長さに関する固有のＤＯＦＳ（すなわち、温度）曲線の判定が行われることに留意されたい。このような曲線は、上述したように温度対ファイバ長及び／または時間対距離のデータを含むことができる。ブロック５－２において、曲線を含むデータが扱いやすい形態で保存される。このような動作には、較正及び／または運用の訓練フェーズを併せて含むことができる。

おそらくキャリアまたは顧客によって生成されたトラブル表示の結果として出会う診断トラブルシューティング／修理手順の期間において、配備されたファイバは、そのようなトラブル期間でブロック５－３にて測定され、ブロック５－４において、先に収集／保存された曲線と比較される。これらの比較から、マンホール／ハンドホールの位置が判定され、ブロック５－５において、これらの判定された位置に、必要に応じて現場調査／評価／修理のための技術者を配備される。

ここで、ネットワークが車両速度、密度及び道路状態に関するデータを同時に提供する、高速データを伝送している光通信ネットワークに適用される本開示の態様を示して説明する。本発明者らの実験装置で採用したファイバセンシング機能は、振動検出、すなわち分散型振動センシングのための位相センシングＯＴＤＲ（optical time-domain reflectometry）技術を使用している。本発明者らの結果は、キャリアのネットワークで運用可能なファイバが、ポットホールの存在等の、道路における車両速度、車両の流れ及び舗装の劣化を検出する能力があることを示している。

特に重要なことは、分散型振動センシングが、高速なデータトラフィックを伝送している運用可能な光ネットワーク、すなわち共存光ファイバセンシングシステム／データネットワークで同時に実行されることである。

共存ファイバセンシングシステム／データ構成のための実験装置を図６（Ａ）で模式的に示す。この図から分かるように、ファイバ通信チャネルは、フルＣバンド高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：dense wavelength division multiplexed）システムである。各チャネルは、４８ＧＢａｕｄ ＰＳ(probabilistic-shaped) ＤＰ－１４４ＱＡＭで変調される。このシステムは、８．４ｂ／ｓ／Ｈｚの平均スペクトル効率で、４００Ｇｂ／ｓを超えるネットチャネルデータレート伝送をサポートする５０ＧＨｚ間隔のチャネルを使用する。

当業者であれば容易に理解するように、分散型ファイバ光センシング（ＤＦＯＳ）システムは、光ファイバの動的歪みから生じる感度データを有利に提供する、８０ｋｍを超える数千もの「仮想センサ」を提供する。運用上、ＤＦＯＳシステムは、光ファイバ内の干渉位相ビーティング（beating）を介してレイリー散乱の強度の変化を測定する。有利なことに、光ファイバ(ケーブル)全体の長さに沿った、特別なリフレクタやファイバブラッグ（Bragg）回折格子を必要としない。ＤＦＯＳセンシングシステムは、オンチップ高速処理と共に短い光パルスを有利に用いて１メートル程度と同等のセンサ分解能を可能にする。

図６（Ｂ）は、本開示の態様による、図６（Ａ）の例示的な実験用の共存センシング／通信ネットワークの概略マップを示し、図６（Ｃ）は、本開示の態様による、図６（Ａ）の例示的な実験用の共存センシング／通信ネットワークの統合された概略マップを示している。

これらの図を同時に参照すると、テキサス州ダラスのファイバリンクには、実験室（リチャードソン）と遠隔地（ファーマーズブランチ）とを光学的に接続する、５５ｋｍ（経路１）と２５ｋｍ（経路２）の長さの標準シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ：standard single mode fiber）を含むことが観察される。５５ｋｍの経路は共存ファイバセンシング／データのために使用され、２５ｋｍの経路はセンシング信号のためにのみ使用される。ファイバは、直径１インチの４３２ファイバケーブル内に設置されている。ケーブルのほとんどは深さ３６～４８インチ（０．９～１．２ｍ）に埋設されている。

共存ファイバセンシング／データシステムを実験するために、１つの５５ｋｍセグメントをセンシング信号と共用しながら、１１０ｋｍの４００Ｇｂ／ｓのＤＷＤＭ伝送を達成するために、２つの５５ｋｍの経路を連続して接続した。図で示すように、通信チャネル及びファイバセンシング信号は、同じ物理的な光ファイバを介して伝送される。ファイバセンシングシステムによって出射される高パワーパルスは、ファイバの非線形性クロストークを低減するためにＤＷＤＭ信号と反対方向へ伝搬される。

本発明者らは、後方ファイバセンシング動作のために３つの５０ＧＨｚ光チャネルバンドを用意した。２つの波長選択スイッチ（ＷＳＳ：wavelength selected switch）を用いて、通信信号とセンシング信号を多重化した。また、ＷＳＳは、通信に使用される中間増幅器によって発生する帯域内のＡＳＥ（amplified spontaneous emission）雑音をフィルタリングする。当業者であれば理解するように、高速データ伝送の総容量は３６．８Ｔｂ／ｓである。センシング信号に最も近い１つのチャネルに関して、図で示すように、コヒーレント検出及びＤＳＰ（digital signal processing）後に、連続する及び受信されたＰＳ ＤＰ－１４４ＱＡＭ信号群が挿入される。１１０ｋｍ伝送後の４００Ｇｂ／ｓデータレートに関するＦＥＣ（Forward Error Correction）復号後に誤りの無い動作（ＢＥＲ（bit error rate）＜２．２×１０^－２）が達成された。有利なことに、そしておそらく少々驚くことに、センシング信号が入力される前後で、はっきりと分かる信号劣化は観察されなかった。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本開示の態様による、様々な時間／距離における通信ネットワークにわたるファイバ実験用のセンシング機能に関するウォーターフォールトレースである。示されたトレースは、２つの位置に関する４分のウォーターフォールトレースの例である。ウォーターフォールトレースから抽出された振動パターンは、車両が通過することで生じる交通流を代行する。それは、走行方向、走行速度、車両重量に対応する。Ａ．Ｉ．（人工知能）の助けを借りて、交通パターンを示す情報を抽出した。図７（Ａ）は、３ｋｍの位置における南北へ向かう車両の移動方向を示している。トレースの傾斜により、車両の速度も検出できる。図７（Ｂ）で例示的に示されるように、トレースの異なる傾斜に基づいて、１つのより遅い車が通常の車の往来の合間で発見された。

車両の計数と速度の推定は、道路の近くに配備されたファイバを通して振動を検出し、トレースすることで達成された。図８（Ａ）、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、テキサス州のルート７５に近い３車線の高速道路である対象の公道における車両の量及び平均速度の交通情報を示している。位置は、信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）が１８ｄＢ以下の他の位置よりも大きいＳＮＲのセンシング信号（約２１ｄＢ）に基づいて選択した。より大きいＳＮＲは、光ファイバケーブルの位置及び光ファイバケーブルに連関される地震波をより許容する地盤状態から生じ得る。

この例（Ａ．Ｉ．による解析からのスクリーンキャプチャ）は、ビデオ解析を基準として使用する、ファイバセンシング測定のための図８（Ａ）で示されている。これは、交通解析のためのビデオベースのアルゴリズムに対して、ウォーターフォール図から情報を抽出することで、開発されたアルゴリズムの性能を表示している。

本開示による本発明のシステム、方法及び構成の概念及び評価を証明するために、５分間隔で交通流が蓄積され、同じ間隔で車両の速度が平均化された短期間のビデオが解析された。図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、速度測定と車両密度の比較を示すグラフである。解析結果に基づいてファイバセンシングシステムから取得した平均の車両速度は１．５％以下の差であり、ビデオでカウントしたものと非常に近く、さらに全トラヒック数の差は６．５％以下であった。当業者であれば理解するように、本発明の結果は、本開示の態様による、非常に有望なファイバセンシングシステムを示している。

図８（Ｄ）は、１月２５日午後１時から１月３０日午前１０時までの５日間の交通監視データを示すグラフである。交通流は、１時間毎に積算し、車両の速度は同じ期間で平均化した。合計で５日間の測定中に、平均速度が５７ＭＰＨで、６８，７４３台の車両が対象検出部を通過したことを検出した。測定により、１日当たりの及び平日／週末の明確な交通パターンが示された。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は、本開示の態様による、光ファイバセンシングシステムで判定された路面品質を示すグラフである。選択された道路は、３つの異なるタイプの表面状態、すなわち良好（滑らか、橙色）、普通（２つのポットホール、青色）及び不良（多くのアスファルト充填物、ピンク色）を有する。測定期間中、道路上の通常の交通を、振動の「発生源」として実験で採用した。

図９（Ａ）は、従来の道路調査方法と同様に、自動車のシャーシ（サスペンション）に取り付けられた３軸加速度計で生成された基準データを示している。図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）は、ファイバに連関されるより強い地震波に基づくポットホール及びそれらの充填物の位置を示す、実験によるファイバセンシングシステムからの強度のプロット及びウォーターフォールトレースをそれぞれ示している。加速度計が自動車からの振動を検出した場所／時間と、光ファイバセンシングシステムによって得られた地上の振動との間に高い相関が見られる。

現時点で、３６．８Ｔｂ／ｓのデータ伝送と、運用可能な光ファイバ通信ネットワークを用いた分散型光ファイバセンシングとの共存システムの実例を示して公開した。光ファイバにおける干渉位相ビーティングを用いてレイリー散乱の強度の変化を検出することで、道路状態、車両密度及び速度の検出を達成した。３６～４８インチの深さで埋設された光ファイバケーブルから３０～４５フィート離れて移動する車両は、この技術で有利に感知できる。さらに、移動車両の密度測定に関して９４．５％、速度測定に関して９８．５％の精度を得た。このような開示は、既存のデータを伝送している光ファイバ通信インフラを用いて、近い将来、さらなるスマートシティ／コミュニティのアプリケーションを有利に促進するセンサ機能を提供する、新しい時代を開く。

運用可能な、ライブネットワーク、高データレート、通信ネットワーク上の第１のセンシングネットワークについて説明し、実例を示したことに再び留意されたい。レイリー及びラマン後方散乱を利用することで、振動、温度及び音響効果等の関連するあらゆる物理特性を、ファイバケーブル全体に沿ったあらゆる地点で感知できる。有利なことに、本開示の態様によるシステム、方法及び構成は、都市交通の監視を将来の道路設計及び交通信号計画に適用することを可能にする。環境温度の監視は、気象観測所により局所的な温度情報との比較を提供するマイクロ温度測定に使用できる。

ここでは、いくつかの具体的な例を用いて本開示を示したが、当業者であれば本教示がそれらに限定されないことを認めるであろう。したがって、本開示は本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (12)

1. ある長さの光ファイバを有する光ファイバネットワークにおいて、
   分散型ファイバ光センシング（ＤＦＯＳ：distributed fiber optic sensing）信号と光通信信号とが、前記光ファイバに同時に共存することを特徴とする、光ファイバネットワーク。
2. 前記ＤＦＯＳ信号は、分散型振動センシング、分散型温度センシング、分散型歪センシング及び分散型音響センシングから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバネットワーク。
3. 前記通信信号が、前記光ファイバの一端部に入射され、前記光ファイバの異なる端部で出射され、
   前記ＤＦＯＳ信号は、前記光ファイバの一端部に入射されたインテロゲータのパルスから生じる後方散乱光を有し、前記後方散乱光は、前記パルスが入射された前記光ファイバの同じ端部で受信されることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバネットワーク。
4. 後方散乱光は、レイリー後方散乱光及びラマン後方散乱光から成るグループから選択されることを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバネットワーク。
5. 前記通信信号は、直交位相偏移変調（ＱＰＳＫ：quadrature phase shift keying）、直交振幅変調（ＱＡＭ：quadrature amplitude modulation）及び直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ：orthogonal frequency division multiplexed）から成るグループから選択されたフォーマットによって変調された通信データを搬送することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバネットワーク。
6. 光ファイバネットワークで光ファイバセンシングを実行する方法であって、
   前記ネットワークが、
   ある長さの光ファイバと、
   光パルスを生成し、前記光パルスを前記光ファイバに入射し、前記光ファイバから後方散乱信号を受信する光インテロゲータ部と、
   を有し、
   分散型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ：distributed optical fiber sensing）によって前記光ファイバの１つ以上の特性曲線を生成することと、
   前記生成された曲線を光ファイバに沿った特定の位置に関連付けることと、
   ＯＴＤＲ（optical time domain reflectometry）によりファイバのトラブル位置を生成することと、
   前記生成された曲線及び位置を、前記ＯＴＤＲで生成されたトラブル位置に関連付けることと、
   前記関連する曲線とＯＴＤＲで生成されたトラブル位置から具体的なトラブル位置を特定することと、
   を有する方法。
7. 所定の日の複数の時間で前記特性曲線を生成することをさらに有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記特性曲線からマンホール／ハンドホールの状態を判定することをさらに有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記判定されたマンホール／ハンドホールの状態が、正常、浸水及び凍結から成るグループから選択される、請求項８に記載の方法。
10. 前記ＤＯＦＳが温度測定である、請求項９に記載の方法。
11. 前記特性曲線から架空及び地下ファイバの位置を判定することをさらに有する、請求項７に記載の方法。
12. 通信ネットワークをアップグレードする方法であって、
    前記通信ネットワークが、
    ある長さの光ファイバと、
    前記光ファイバに光学的に接続された、各端部に１つずつ存在する一対のトランシーバと、
    を有し、
    前記通信ネットワークが、前記光ファイバの長さにわたって通信トラフィックを伝送するように構成され、
    前記通信ネットワークで動作する分散型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）システムを提供し、
    前記ＤＯＦＳシステムが、前記通信ネットワークを用いた前記通信トラフィックの伝送と同時に動作する、方法。

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