JP6989703B2 - 分布光学センシングシステム及び方法 - Google Patents
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Description
以下の定義は、一般的な定義として提供されるものであり、これらの用語のみに本発明の範囲を限定すべきではないが、以下の説明のいっそう十分な理解のために提示される。
直接前方伝播光信号が第2の光遅延手段を迂回していることから生じる後方伝播信号を有する直接+直接信号(信号1)と、遅延前方伝播光信号が第2の光遅延手段を迂回していることから生じる後方伝播信号を有する遅延+直接信号(信号2)と、直接出力信号が第2の光遅延手段を通して伝えられていることから生じる後方伝播信号を有する直接+遅延信号(信号3)と、遅延出力信号が第2の光遅延手段を通して伝えられていることから生じる後方伝播信号を有する遅延+遅延信号(信号4)と、を含む複数の信号を受信し得る。
・ 遅延前方伝播光信号が第2の光遅延手段を迂回していることから生じる後方伝播信号を有する遅延+直接信号(信号2);及び
・ 直接出力信号が第2の光遅延手段を通して伝えられていることから生じる後方伝播信号を有する直接+遅延信号(信号3)。
・ 直接出力信号151が第2の光遅延手段107bを迂回したことから生じる後方伝播信号161aを有する直接+直接信号(信号1);
・ 遅延前方伝播出力信号153が第2の光遅延手段を迂回したことから生じる後方伝播信号163aを有する遅延+直接信号(信号2);
・ 直接出力信号151が第2の光遅延手段107bを通して伝えられたことから生じる後方伝播信号161bを有する直接+遅延信号(信号3);及び
・ 遅延出力信号153が第2の光遅延手段を通して伝えられたことから生じる後方伝播信号163bを有する遅延+遅延信号(信号4)。
(a)光源101から光を受け、それを前方伝播方向にてIRDPを介して導き、出力信号の2つの分割された部分が、センシング媒体内に発射されて後方散乱信号を生成する前に、ハイブリッド結合器/スプリッタ211にて結合される;及び
(b)センシング媒体160(例えば、光ファイバセンシング媒体)から後方伝播する後方散乱光を受け、受けた各後方散乱信号が、結合器/スプリッタ211によって2つの部分へと分割され、分割された後方散乱信号の各々が、後方伝播方向にて共通経路IRDPを通り抜け、サーキュレータ206a及び206bによって位相・振幅受信器131に方向付けられる。ここでも、検出された信号が、ストレージ133に記録及び記憶され、そして、外乱によって引き起こされたセンシング媒体160内の分布経路長変化を計算するために解析プロセッサ136によって解析される。
具体的には光ファイバである光媒体における前方伝播モードと後方伝播モードとの間の結合に関する結合モード方程式を用いて、Froggatt及びMoore(M.Froggatt及びJ.Moore,“High spatial resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter”,Appl.Opt.,vol.37,no.10,pp.1735−1740,1998)は次式:
R(β)は、レイリー(非周波数シフト)後方散乱波の複素振幅であり、
εcoは、ファイバコアの誘電率であり、
ε(z)−εcoは、ファイバコアの誘電率のランダム変動であり、
我々は、センシングファイバの外側でε(z)−εco≡0であると仮定し、
βは、導波路中の伝播定数であり、そして、
E0(β)は、z=0における励磁場の複素振幅である。
z=vpτ/2
を行うことができ、ここで、
τは2方向(位相速度)進行時間であり、
vp=c/neffは位相速度であり、
S(ω)=R(β(ω))は周波数ドメインでの信号であり、
E(ω)=E0(β(ω))は周波数ドメインでの発射場であり、
β=ω/vpは伝播定数であり、
Y(ω)=F[y(τ)]
を用いて、
S(ω)=E(ω)(−iω)Y(ω)
を得る。あるいは、等価的に、信号モデルは、簡潔な表記:
S(ω)=E(ω)G(ω)
s(τ)=e(τ)*g(τ) (2)
として書き直すことができ、ここで、
*は、コンボリューションを示し、
G(ω)=(−iω)Y(ω)が代入されており、
g(τ)は、時間ドメインにおけるファイバのインパルス応答関数として解釈され、
s(τ)は、時間ドメインでの信号であり、
e(τ)は、時間ドメインでの発射場であり、
g(τ)、s(τ)、及びe(τ)は、フーリエ変換によってG(ω)、S(ω)、及びE(ω)に関係づけられる。
以上の導出は、例えば光ファイバといったセンシング媒体に誘起される光路長の変化ρ(t)が、次式:
tはサンプル時間であり、
z=vt/2はファイバに沿った位置であり、
vはファイバ中での光の速さであり、
d(t)は位相・振幅受信器からの複素信号であり、
I(t)は変調されたレーザ強度であり、
Fはフーリエ変換を表し、
F−1は逆フーリエ変換を表し、
ω0は光源の中心周波数であり、そして、
ΔTはセンシングファイバの前後の遅延間の差である。
ここに開示されるシステム及び方法の可能な用途は、ファイバ又は導波路上での分布音響センシング、表面振動測定、空気及び大気中での分布音響LIDAR、風速測定(風速計)、水中での分布音響LIDAR、パイプライン流体中での分布音響LIDAR、掘削孔及び井戸内での垂直地震探査、地震探査のための海中ストリーマ、地震探査のための陸上地震センサ、反復地震学的描像及びインバージョンのための永続的地震モニタリングアレイ、例えば地震モニタリング、微小地震モニタリング、及び地下流体注入若しくは生成に関連する誘起地震動などの受動的地震モニタリング、例えば微小地震モニタリング及び陥没などの坑道壁安定性のモニタリング、例えば水ダム誘起地震動及び掘削ダムの剛性などのダム安定性のモニタリング、例えばリーク検出及び改造などのパイプラインモニタリング、例えば侵入検出などの周辺及びセキュリティモニタリング/調査、例えば橋梁、トンネル、建物及び風力タービン上での歪み及び振動制御などのインフラモニタリング、例えば車、航空機及び船舶内での歪み及び振動制御などの車両構造モニタリング、例えばパイプライン内での流れ計測などの流れ計測、例えば近地表面せん断波速度の表面波インバージョンなどの地質調査、例えば大気プロファイリング、風室プロファイリング及び航空機周囲などの空気の動きプロファイリング、例えば海流、河川流及び船舶周辺などの水の動きプロファイリング、例えば身体歪みセンサ及び血流計測などの医療装置、例えば妨害及び故障などの通信ネットワークのモニタリング、例えば道路、鉄道及びボートなどの交通・車両の流れモニタリング、音声記録、並びに、例えばトンネル及びインフラ内などでの火災モニタリング、を含み得る。
ここでの開示から当業者によって理解されるように、ここに開示されるシステム及び方法は、以下に記載される利点を含め、既存の分布音響センシングシステムによって教示されるシステムに内在する制限を克服する。
に従って
ここに記載されるとき、“に従って”は、“の関数として”を意味することもあり、それに関係して指定される整数に必ずしも限定されない。
この明細書全体を通しての“一実施形態”、“実施形態”、“一構成”、又は“構成”への言及は、その実施形態/構成に関連して記載される特定の機構、構造又は特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態/構成に含まれることを意味する。従って、この明細書全体を通して様々な箇所に“一実施形態/構成において”又は“実施形態/構成において”という言い回しが現れることは、必ずしも全てが同じ実施形態/構成に言及しているわけではない(しかし、そうであってもよい)。また、複数の特定の機構、構造又は特性が、1つ以上の実施形態/構成において、この開示から当業者に理解されるような好適なやり方で組み合わされてもよい。
ここで提供される説明では、数多くの具体的詳細が記載されている。しかしながら、理解されることには、本発明の実施形態は、これらの具体的詳細なしで実施されてもよい。また、この説明の理解を不明瞭にしないために、周知の方法、構造及び技術については詳細に示していない。
図面に例示される本発明の好適実施形態を説明するのに際し、明瞭さのために、特定の用語を当てにしている。しかしながら、そのように選択された特定の用語に本発明が限定されることを意図されておらず、理解されるべきことには、各特定の用語は、同様の技術的目的を達成するために同様にして動作する全ての技術的に等価なものを含むものである。例えば“前方”、“後方”、“半径方向”、“周辺”、“上方”、“下方”、及びこれらに類するものなどの用語は、基準点を提供するための便宜上の用語として使用されており、限定的な用語として解釈されるべきでない。
ここで使用されるとき、別段の断りがない限り、共通のオブジェクトを記述するための序数形容詞“第1の”、“第2の”、“第3の”などの使用は、単に、同様のオブジェクトの異なるインスタンスが参照されていることを示しものであり、そのように記述されるオブジェクトが、時間的に、空間的に、ランク付けにおいて、又は何らかの他のやり方で、所与のシーケンスになければならないことを意味する意図はない。
従って、本発明の好適な構成であると考えられるものを説明してきたが、当業者が認識することには、これらの構成には、本発明の精神から逸脱することなく、他の更なる変更が為されることができ、本発明の範囲内にある全てのそのような変形及び変更を特許請求することが意図される。ブロック図に対して機能が追加又は削除されてもよく、機能ブロック間で動作が交換されてもよい。記載された方法に対して、本発明の範囲内で、ステップが追加又は削除され得る。
以上から明らかなことには、説明された構成は、モバイル装置産業、特に、モバイル装置を介してデジタルメディアを配信する方法及びシステムに適用可能である。
Claims (29)
- センシング媒体と、
光出力を生成する光源と、
前記光出力を、遅延光出力信号と称する第1の光出力部分及び直接光出力信号と称する更なる光出力部分を含む少なくとも2つの光出力部分へと分離する手段と、
前記遅延光出力信号を、前記直接光出力信号に対して、遅延時間τ1だけ遅延させるように適応された第1の光遅延手段と、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号を前記センシング媒体に導く手段と、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号を前記センシング媒体に導くことに先立って、前記光源及び/又は前記光出力及び/又は前記直接光出力信号及び/又は前記遅延光出力信号を変調するように適応された変調器と、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号によって生成された前記センシング媒体からの分布後方散乱信号を受信する手段と、
前記受信された後方散乱信号を、遅延後方散乱信号と称する第1の後方散乱信号部分及び直接後方散乱信号と称する更なる後方散乱信号部分を含む少なくとも2つの後方散乱信号部分へと分離する手段と、
前記遅延後方散乱信号を、前記直接後方散乱信号に対して、遅延時間τ2だけ遅延させるように適応された第2の光遅延手段であり
前記センシング媒体から受信された、直接光出力信号によって生成された分布後方散乱の一部が、直接−遅延後方散乱信号と称する前記遅延後方散乱信号の一部を提供し、且つ
前記センシング媒体から受信された、遅延光出力信号によって生成された分布後方散乱の一部が、遅延−直接後方散乱信号と称する1つ以上の直接後方散乱信号の一部を提供する、
第2の光遅延手段と、
前記センシング媒体に沿った光路長変化を決定するために、完全位相直交決定での直接−遅延後方散乱信号と1つ以上の遅延−直接後方散乱信号との間の位相差の測定用に構成された光受信器と、
前記光受信器からの測定信号と、該測定信号の解析とを受信して、それにより、検知された前記光路長変化から前記センシング媒体における物理的変化を推測するように構成された解析プロセッサと、
を有する分布光学センシングシステム。 - 前記光受信器は、2πラジアンの範囲内で曖昧さなく振幅及び位相の双方を測定するように適応された位相・振幅受信器である、請求項1に記載のシステム。
- 前記光源は、インコヒーレント又は低コヒーレンスの広帯域光源のうちの1つから選択されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記光源は、複数波長光源又は部分コヒーレント光源のうちの1つから選択されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記光源はコヒーレンス時間τcohを持ち、前記第1及び第2の光遅延手段の遅延は|τ1−τ2|<aτcohという関係を満たし、aは約1と約100との間である、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1の光遅延手段及び前記第2の光遅延手段は、単一の共通の光遅延手段であり、又は略等しい遅延を持つ別々の光遅延手段である、請求項1に記載のシステム。
- 前記センシング媒体は、光ファイバであり、又は、気体、液体、水、海水若しくは大気媒体のうちの1つである、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のシステム。
- 複数のセンシング媒体と、
前記直接光出力信号及び前記遅延光出力信号の各々内の複数の周波数帯を選択する周波数選択手段であり、選択された各周波数帯が、選択された媒体に向けられる、周波数選択手段と、
組み合わされて遅延後方散乱信号及び直接後方散乱信号を生み出す各選択された光媒体からの分布後方散乱を受信する複数の受信手段と、
前記直接−遅延後方散乱信号及び前記遅延−直接後方散乱信号の各々内の複数の周波数帯を選択する周波数選択手段であり、選択された各周波数帯が、選択された位相・振幅受信器に向けられる、周波数選択手段と、
選択された周波数帯内の受信光信号の振幅及び位相における差を測定して、各選択された媒体に沿った光路長変化を決定するように適応された複数の位相・振幅受信器と、
を有する請求項1乃至7のいずれか一項に記載のシステム。 - 分布的にセンシング媒体内の光路長変化をセンシングする方法であって、
光出力を生成する光源を用意するステップと、
前記光出力を、遅延光出力信号と称する第1の光出力部分及び直接光出力信号と称する更なる光出力部分を含む少なくとも2つの部分へと分離するステップと、
前記遅延光出力信号を、前記直接光出力信号に対して、遅延時間τ1だけ遅延させるように適応された第1の光遅延手段を設けるステップと、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号を前記センシング媒体内に導くステップと、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号を前記センシング媒体に導くことに先立って、前記光源及び/又は前記光出力及び/又は前記直接光出力信号及び/又は前記遅延光出力信号のいずれかを変調するステップと、
前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号によって生成された前記センシング媒体からの分布後方散乱信号を受信するステップと、
前記受信した分布後方散乱を、遅延後方散乱信号と称する第1の後方散乱信号部分及び直接後方散乱信号と称する更なる後方散乱信号部分を含む少なくとも2つの部分へと分離するステップと、
前記遅延後方散乱信号を、前記直接後方散乱信号に対して、遅延時間τ2だけ遅延させるように適応された第2の光遅延手段を設けるステップであり、
前記センシング媒体から受信された、直接光出力信号によって生成された分布後方散乱の一部が、直接−遅延後方散乱信号と称する前記遅延後方散乱信号の一部を提供し、且つ
前記センシング媒体から受信された、遅延光出力信号によって生成された分布後方散乱の一部が、遅延−直接後方散乱信号と称する1つ以上の直接後方散乱信号の一部を提供する、
第2の光遅延手段を設けるステップと、
直接−遅延後方散乱信号と遅延−直接後方散乱信号との間の位相差を、完全位相直交決定で測定して、前記センシング媒体に沿った光路長変化を決定するステップと、
を有する方法。 - 完全位相直交決定で測定することは、2πラジアンの範囲内で曖昧さなく振幅及び位相の双方を測定することが可能な位相・振幅受信器で実行される、請求項9に記載の方法。
- 前記光源は、インコヒーレント又は低コヒーレンスの広帯域光源である、請求項9に記載の方法。
- 前記光源は、複数波長光源又は部分コヒーレント光源のいずれかである、請求項9に記載の方法。
- 前記分布後方散乱は、光ファイバ内でのレイリー後方散乱による、請求項9に記載の方法。
- 前記分布後方散乱は、大気、ガス、液体、水、又は海水を有する非導波のセンシング媒体内での後方散乱による、請求項9に記載の方法。
- 前記光源は強度変調光源又はパルス光源である、請求項9に記載の方法。
- 前記遅延光出力信号及び前記直接光出力信号を前記センシング媒体内に導くことに先立って、前記遅延光出力信号と前記直接光出力信号とを結合する結合手段を設けるステップ、を更に有する請求項9に記載の方法。
- 前記第1の光遅延手段及び前記第2の光遅延手段は、単一の共通の光遅延手段であり、又は略等しい遅延を持つ別々の光遅延手段である、請求項9に記載の方法。
- 前記センシング媒体内の光の進行時間及び変調スキームを用いて、前記光路長変化の位置を決定するステップと、
測定された位相を用いて、分布した光路長変化を定量的に決定するステップと、
該決定された光路長変化から前記センシング媒体の1つ以上の物理的変化を推測するステップと、
を更に有する請求項9に記載の方法。 - 前記光路長変化の位置を決定するステップは、
位相・振幅受信器からの複素信号と、既知の又は測定された変調との間の数値的デコンボリューション、及び/又は
位相・振幅受信器からの複素信号と、既知の又は測定された変調との間の数値的相互相関、
を含む、請求項18に記載の方法。 - 前記変調するステップは、強度を変調すること、及び/又は振幅を変調すること、及び/又は周波数を変調すること、及び/又は位相を変調すること、及び/又は偏光を変調することのいずれかを有する、請求項9に記載の方法。
- 望ましくない時に前記センシング媒体に光が入ることを防止するために時間ゲーティング装置が使用される、請求項9に記載の方法。
- 前記直接光出力信号及び前記遅延光出力信号の各々内の複数の周波数帯を選択する第1の周波数選択手段を設けるステップと、
選択された各周波数帯内の各対の光信号を、複数のセンシング媒体のうちの選択された1つに導くステップと、
選択された各センシング媒体から分布後方散乱光信号を受信するステップと、
前記受信した分布後方散乱光信号の各々を結合して、直接後方散乱信号及び遅延後方散乱信号を生成するステップと、
直接−遅延後方散乱信号及び遅延−直接後方散乱信号で複数の周波数帯を選択する第2の周波数選択手段を設けるステップと、
選択された複数の周波数帯の各々内の信号を、複数の位相・振幅受信器のうちの選択された1つに導いて、選択された各周波数帯における直接−遅延後方散乱信号と遅延−直接後方散乱信号との間の相対的な位相差を測定し、前記複数のセンシング媒体の各々における光路長変化を決定するステップと、
を更に有する請求項9に記載の方法。 - 前記位相差の測定は、3×3カプラ、又はM≧2若しくはN≧3であるM×Nカプラを有する群のうちの1つ以上の使用を有する、請求項9に記載の方法。
- 前記位相差の測定は、周波数シフトと、位相を復元するための複素復調との使用を含む、請求項9に記載の方法。
- 前記周波数シフトは音響光学周波数シフトである、請求項24に記載の方法。
- 前記位相差の測定は、位相・振幅受信器、ヒルベルト変換の使用を介して位相を復元するための周波数掃引、変化する位相シフトの時間多重化を介した位相変調器受信位相、マルチポート干渉計内の波長板の配置、ローカル発振器との干渉、又はこれらの偏波ダイバース(二重偏波)バージョンを有する群のうちの1つ以上の使用を有する、請求項9に記載の方法。
- 前記位相差の測定は、分光計又は光学フィルタの使用と、複数の異なる周波数帯で別々に強度測定又は位相・振幅測定を実行することとを有する、請求項9に記載の方法。
- より高いアナログ周波数を、より低い周波数帯へとシフトさせるために、受信器信号と基準信号との電子的混合が使用される、請求項9に記載の方法。
- 前記位相差の測定は、時間をかけて連続的に実行され、又はバーストにて実行される、請求項9に記載の方法。
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