JP7204915B2 - 分布型フィバセンシングを用いた単方向信号伝送方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、光通信および光センシングシステム、方法および構造に関する。より詳細には、単方向信号送信方法を用いた分布型光ファイバセンシングシステム、方法および構造について記載する。

光センシングおよび通信技術で知られているように、分布型光ファイバセンシングは、一般に局内に配置されたインタ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導入し、その後、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。このような反射は、例えば、ファイバ及び／又はセンサがその長さに沿って配置された環境状態を変化させ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／感覚データをインタロゲータに送り返し、インタロゲータは、信号処理技術を使用して、ファイバの長さに沿った環境状態に関する貴重な情報を決定／導出する。

現在実装されているように、分布型ファイバセンシング構成は、一般に、１つの種類またはタイプのセンサが単一のパラメータタイプを検出するという点で、特定の用途である。他の異なるタイプのセンサの追加は、しばしば、これらの異なるセンサタイプが生成するデータを中央局コレクタに通信するために、これらの異なるセンサタイプのための追加の通信設備および／または方法を必要とする。従って、既存の分布型光ファイバセンシング構成への異なるセンサタイプの追加を容易にするシステム、方法、及び構造は、当該技術分野への好適な追加を表すであろう。

本技術分野の進歩は、分布型光ファイバを介した単方向信号伝送を利用する異種のポイントセンサを使用する、改良された分布型光ファイバセンシングシステム、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。

先行技術とは全く対照的に、本開示による、分布型光ファイバセンシングシステムへのポイントセンサの追加および使用は、追加の通信プロトコルおよび／またはネットワークを必要とせずに有利に実行することができる。このようなポイントセンサは、本開示の態様によると、一般に、電気信号として電気領域の感覚データを提供し、その電気信号は、その後、光ファイバセンシングシステムに印加される機械的／振動的音響信号上に変調される。この発明の方法では、一般に非振動点センサを既存のまたは計画された光ファイバセンシングシステムに都合よく追加することができ、それによって、純粋な光ファイバセンシング方法を介してこれまで利用できなかった感覚データを提供する。本開示に従って現在利用可能な感覚データの中には、気相体積測定および／または濃度測定および／または組成測定を含む気相および／または気象センサ、ならびに気圧、湿度、風速などを含む現代の気象センサデータが含まれる。

最も広くは、本開示の態様は、分布型ファイバセンシングを利用して情報を送信する機構を提供し、該構成は、ファイバ振動または歪みレベルを検出するために後方散乱光を使用する分布型ファイバセンシングシステムと、ファイバに振動または歪み変化を加えるための振動または歪み発生器と、振動／歪み発生器を駆動する信号に送信するために情報を変調する変調器と、を使用し、変調情報は、後方散乱光が検出されるインタロゲータに送り返す。有利には、本開示による分布型ファイバセンシングシステムは、光信号を生成し、後方散乱信号を検出し、それによってファイバに沿った振動および／または歪みレベルを検出するためのインタロゲータを含むことができる。加えて、分布型ファイバセンシングシステムは、有利には、レイリー後方散乱を使用して、位相変化を通して、または振幅変化を通して振動／歪みを検出することができる。さらに、本開示による分布型ファイバセンシングシステムは、振動ファイバ歪みレベルを検出するために、ブリルアン光時間領域反射測定法(BOTDR)を使用することができる。

動作的には、ファイバに取り付けられた、又はファイバに近接したあらゆる振動／歪み発生器は、環境からの音響／歪み絶縁で構成することができる。特定の構成では、インタロゲータは、ポイントセンサ変調器から送信されたものを直接回復し、復調によって感覚情報を導出することができる。さらに追加の構成では、ファイバに印加される環境および発生器の疑似振動／歪みの両方を使用／検出することができ、変調器は、干渉耐性のためのスペクトル拡散符号化、環境振動／歪み検出への干渉を回避するための低い信号レベルを使用することができる。

本開示によるさらなる動作上の利点は、振動／歪み発生器としてスピーカまたはファイバストレッチャを使用することを可能にする。さらに、ポイントセンサは、感覚データを送信するために複数の振動／歪み発生器を使用することができ、そのような発生器は、互いに分離されるか、または互いに分離されず、その代わりに、それらを区別するために直交コード技術を使用することができる。最後に、インタロゲータは、ポイントセンサの情報を復元するために復調器に送信する前に音響信号を完全に復元するように構成されてもよく、インタロゲータは、必要なフロントエンド処理のみを行い、必要なすべての情報を復調器に渡し、復調器がデータを再サンプリングし、最良のSNRになるように信号位相を調整する。

一般に、当業者には理解されるように、本開示によるシステム、方法、および構造は、モデムとして分布型ファイバ音響センサを使用する。他のタイプのセンサをファイバリンクに取り付け、検出された情報をインタロゲータが検出できる音響周波数に変調することによって、取り付けられたポイントセンサは、専用の通信／センサネットワークなしで中央局(または他の局)に情報を送信することができる。

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。

図１は、分布型ファイバセンシング装置の従来技術の構成の概略図を示す。

図２は、本開示の態様による、インタロゲータに情報を送信するために変調された音響信号を使用する例示的なポイントセンサの概略図を示す。

図３は、本開示の態様による、音響／ストレッチ絶縁体によって保護される例示的な振動発生器の概略図である。

図４は、本開示の態様によるTx帯域幅を増加させるために1つのポイントセンサに対して複数の振動発生器を使用する例示的な構成の概略図である。

図５は、本開示の態様による1つのポイントセンサに対して複数の推論振動発生器を使用する例示的な構成の概略図である。

図６は、本開示の態様による、完全に回復された音響信号からの復調／復号を示す例示的な構成の概略図である。

図７は、本開示の態様による、中間信号を復調器／復号器に渡すインタロゲータを示す例示的な構成の概略図である。

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、本開示の原理を単に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用語は、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、一定の縮尺で描かれていない。

いくつかの追加の背景として、分布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導入し、続いて、ファイバに沿って発生する反射信号を検出する、ステーションの内部に便宜的におよび／または中央に配置されるインタロゲータシステムを含むシステムおよび方法をさらに記述することから始める。動作上、このようなファイバは、反射信号を介してインタロゲータに環境情報を送り返すか、さもなければ伝える受動リンクとして働く。反射／受信信号を処理することによって、インタロゲータは、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。

さらに、前述したように、分布型ファイバセンシングは、１種類のセンサが一般に、単一のパラメータタイプのみを検知することができる点で特定の用途に特有のものである。当技術分野で知られているこのような単一パラメータセンサタイプには、温度、音響振動、および強度レベルなどが含まれる。他の感知タイプを提供するために、ポイントセンサは、通常、データをセンシング／検出／提供するために使用される。ポイントセンサは、ガスセンサおよび／または気象(湿度、気圧、水分)など、ならびにガスセンサなどの組成センサを含むことができる。

動作上、このようなポイントセンサは、一般に、特にセンシングが行われる場所がその中央局から地理的に遠く離れているときに、結果／データを中央受信局に送り返すために通信ネットワークを必要とする。そのような必要性は、複雑なインフラストラクチャセットアップまたは限定されたセンシング能力をもたらし得る。

一例は、星型またはメッシュ型のセンサネットワークを使用し、自己組織化または管理され、このネットワークを介してセンシングされたデータを収集することである。欠点は、分布型ファイバセンシングにおける～50kmの範囲と比較して、センシング範囲が制限されることである。さらに、ルーティングノードは、低電力モードで動作することができず、センシングノードのためのルーティングを提供するために常にオンでなければならない。別の実施例は、既存の通信インフラストラクチャによって制限されるか、またはかなりのネットワーク構成および／または装置コストを必要とする通信ネットワークを使用することである。

そのような余分な通信インフラストラクチャおよび方法を使用する現代のシステムとは全く対照的に、本開示は、通信ネットワークを確立する必要性を回避しながら、分布型センシングファイバに沿って追加の／他のタイプのセンサを追加する方法を有利に提供する。

次に図１を参照すると、従来技術で知られている分布型ファイバセンシング装置の概略図が示されている。この図には、レーザ、電気信号発生器、変調器、および増幅器を含むことができる光信号源と、光源信号をセンシングファイバに導きおよび後方散乱光を光検出器に導くサーキュレータと、環境情報を含む後方散乱光を搬送するファイバリンクと、反射光信号を電気領域に変換するために、フォトダイオード、増幅器を含むことができる光検出器と、検出されたアナログ信号をデジタル領域に変換し、感知された情報を復号するデジタル信号処理を実行するアナログ／デジタル変換器(ADC)およびデジタル信号プロセッサ(DSP)とを含むインタロゲータ構造が示されている。

例示的な一例では、ソース信号は光パルスであり、光ファイバの各部分は光パルスの小さな部分を反射する。反射信号は、インタロゲータが感知すべき任意の情報を含む。図に示されるように、光局部発振器(Lo)は、コヒーレント検出のために使用され得る局部光信号源から提供される光信号である。加えて、信号源からの同期信号が、開始位置を決定するために使用される。

当業者であれば、分布型ファイバセンサは、所与の空間分解能まで、同時に通過するすべての位置を検出することができることを理解するであろう。これを念頭に置いて、以下の説明は、明示的に指定されない限り、１つのそのようなセンシング位置、すなわち、空間分解能までの長さを有するファイバのセグメントに焦点を当てる。

レイリー後方散乱から生じる信号が、振動またはストレッチレベルに対して線形である位相変化を示すことに留意する。そのように、この特性は、音響周波数の振動を検出するために使用されてもよい。このような振動／音響特性を使用したファイバセンサ方法は、当技術分野では分布型音響センシング(DAS)として知られている。周波数を検出するための上限は、光パルス繰返し率によって決まり、この繰返し率はファイバ長によって制限される。

例えば、5kmのファイバは、20kHzを超えないようにパルス繰返し率を制限し、これにより、検出可能な音響周波数の上限が10kHzとなる。位相変化の他に、レイリー後方散乱信号もファイバ振動を反映するその瞬間振幅を持つことができる。レイリー後方散乱光のパワーはランダムであるが、ゆっくりと変化するので、振幅を用いて光ファイバの瞬間的な振動または歪みの変化を検出することができる。後方散乱の別のタイプは、ブリルアン光時間領域反射計測法(BOTDR)と呼ばれ、ここで、後方散乱光は、周波数シフトを介してファイバ歪レベルを伝達／運搬（convey/caries）する。後方散乱光信号の周波数シフトを検出することにより、インタロゲータは、任意の所定のファイバ位置における歪みレベルを決定することができる。

本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、有利には、インタロゲータに信号を能動的に送信するために、上記の特性を使用する。動作上、ポイントセンサが必要とされるセンシングファイバの長さに沿って、そのようなポイントセンサは、情報をインタロゲータに送り返す音響周波数信号を生成するように、光ファイバに近接して配置され、または取り付けられる。前述のように、インタロゲータは、その点音源位置に関連する音響信号を抽出し、その後、その信号から点音源固有情報を決定する。

特に有利であり、本開示のさらなる態様によれば、そのようなポイントセンサは、任意のタイプのものであってもよい。例えば、気象ステーション、ガスセンサ、又はイメージングセンサ(カメラ)さえも使用できる。動作上、および例示的な例としてのみ、点源は、「ネイティブ」感知グデータ(すなわち、温度、風速、湿度、RGBデータなど)を変調し、そのネイティブデータを、使用されるファイバのセンシング範囲内の音響周波数に変調する変調器を含んでもよい。「ネイティブ」感知データは、機械的振動、むしろ電気的または化学的な信号によって表されるものではないことに留意されたい。例示的な実施形態では、そのような変調器出力は、光ファイバを機械的／振動的に刺激するスピーカまたは他の構成要素のような、例えば電気信号から機械的振動に変換する機械的振動発生器を駆動することができる。このような配置は図２に概略的に示されている。

図２は、本開示の態様による、インタロゲータに情報を送信するために変調された音響信号を使用する例示的なポイントセンサの概略図を示す。この図から観察され得るように、インタロゲータは、音響変調／駆動要素を有するポイントセンサに振動的／音響的に結合され、本開示の態様による光ファイバに近接して配置または接触して配置されるセンシングファイバと通信している。動作的に、このようなポイントセンサは、環境をセンシングし、そのセンシングを表す信号を生成する。その信号は、音響変調器によって変調され、結果として生じる音響信号が振動発生器に印加され、次いで、センシングファイバを機械的に振動させる。振動ファイバは、インタロゲータ光に作用し、インタロゲータ光は、その後、インタロゲータによって検出／復号されて、ポイントセンサ情報を導出する。

特定の例示的な一実施形態では、ポイントセンサ配置によって刺激されるファイバセグメントは、環境干渉を回避するために、ポイントセンサ刺激ヘッダからパッケージングされた防音材料およびアンチストレッチ材料を含むことができる。そのような絶縁体は、ポイントセンサが発生した音響信号がインタロゲータにおいて最良の検出SN比を有するように、ファイバのそのセグメントに対して擾乱のない環境を作り出す。変調器は、直接バイナリ信号変調またはマルチレベル変調のいずれかを使用することができる。このような例示的な配置は、図３に概略的に示されている。

一実施形態では、変調器は、強い干渉耐性を有する拡散符号のような符号化変調を使用する。これにより、簡単な展開が可能な音響絶縁体が不要になる。十分に低いパワーでは、ポイントセンサが生成した信号は、感知された環境情報に干渉を引き起こすことはない。つまり、ポイントセンサは、音響センシングと重複することができ、両方とも同時に動作することができる。

有利には、帯域幅を増加させるために、ポイントセンサは、ファイバの異なる物理セグメントにそれぞれ取り付けられた複数の振動発生器を使用することができる。図４は、本開示の態様による、Tx帯域幅を増加させるために１つのポイントセンサに対して複数の振動発生器を使用する例示的な構成の概略図である。

その図を参照すると、各々が光ファイバに振動的／機械的に結合された、隣接する振動発生器が、互いに干渉しないように、互いに離間されていることが観察できる。もちろん、干渉が問題でない場合、そのような個々の振動発生器は、ファイバに沿って互いに物理的に分離される必要はない。

１つの例示的な実施形態において、複数の振動発生器の個々のものから発生される特定の振動信号は、異なる個々の発生器からファイバ上に重複され、これらの発生器は、CDMA (符号分割多元接続)で使用されるものと同様の直交符号を使用することに留意されたい。図５は、本開示の態様による１つのポイントセンサに対するそのような複数の推定振動発生器を使用する例示的構成の概略図である。

当業者には容易に理解されるように、本開示の態様による構成で使用されるポイントセンサは、有利には、太陽電池またはバッテリ駆動であり、低電力モードで動作し、必要なときにのみ信号を送信することができる。復調ロジックは、シーケンスを検出して同期させる役割を果たす。

１つの例示的な実施形態では、インタロゲータは、DAS処理と同じ手順を使用し、所望の位置に対するパルス繰り返し周波数の音響信号を抽出し、復元された音響信号を後処理モジュールに渡して、ポイントセンサからの情報を復号する。この動作は、最大電力効率および／またはSNRのために、振動発生器が１つのファイバセグメント内に配置されることを必要とする。図６は、本開示の態様による、完全に回復した音響信号からの復調／復号を示す例示的配置の概略図である。

さらに別の例示的な実施形態では、インタロゲータは、中間信号を復調器／復号器に渡し、その結果、復調器／復号器は、データを再標本化し、最大SN比のためにそれを整列させるように選択することができる。図７は、本開示の態様による、中間信号を復調器／復号器に渡すインタロゲータを示す例示的な構成の概略図である。

ここまで、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。従って、この開示は、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

Claims (10)

1. ある長さの光ファイバと、
   前記光ファイバに近接して配置された１つ以上のポイントセンサ素子であって、
   環境状態を感知し、その感知を指示する信号を生成するセンサと、
   前記指示の信号を音響信号に変調する変調器と、
   前記光ファイバに機械的に結合され、前記音響信号に応じて機械的振動を発生させて前記光ファイバに印加する複数の振動発生器と、を有する１つ以上のポイントセンサ素子と、
   前記光ファイバと光通信するファイバセンサインタロゲータと、を有し、
   前記インタロゲータは、前記光ファイバに質問信号を印加し、反射／後方散乱信号を受信し、これらの受信信号を示すデータを生成し、
   前記複数の振動発生器のうち隣接する振動発生器は互いに干渉しない、改良された光ファイバセンシングシステム。
2. 前記複数の振動発生器は、互いに物理的に離間されている、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
3. 前記複数の振動発生器は、前記環境状態から隔離されている、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
4. 前記インタロゲータは、レイリー後方散乱技術を使用して前記受信信号を示す前記データを生成する、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
5. 前記インタロゲータは、前記受信信号の振幅変化を比較することによって、前記受信信号を示す前記データを生成する、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
6. 前記インタロゲータは、前記後方散乱信号に加えて、前記変調器からの出力信号を受信し、その変調された出力信号を復調する、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
7. 前記変調器は、増強された干渉耐性のためにスペクトル拡散符号化を使用して変調する、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
8. 前記複数の振動発生器は、互いに機械的に絶縁されておらず、直交コードが、前記複数の振動発生器を互いに区別するために使用される、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
9. 前記複数の振動発生器の少なくとも１つが音響スピーカである、請求項１に記載の改良された光ファイバセンシングシステム。
10. 前記複数の振動発生器の少なくとも１つがファイバストレッチャである、請求項１記載の改良された光ファイバセンシングシステム。

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