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特開2024-14807分散型音響センシングを改良するためのマルチスパン光ファイバシステムおよび技術
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024014807
(43)【公開日】2024-02-01
(54)【発明の名称】分散型音響センシングを改良するためのマルチスパン光ファイバシステムおよび技術
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20240125BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023117568
(22)【出願日】2023-07-19
(31)【優先権主張番号】63/391,041
(32)【優先日】2022-07-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】502101180
【氏名又は名称】サブコム，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジン－シン カイ
(72)【発明者】
【氏名】カール デビッドソン
(72)【発明者】
【氏名】ウィリアム ダブリュー． パターソン
(72)【発明者】
【氏名】アレクセイ エヌ． ピリペツキー
【テーマコード（参考）】
2G064
【Ｆターム（参考）】
2G064AB01
2G064AB02
2G064AB16
2G064BA02
2G064BC12
2G064BD02
2G064CC02
2G064CC41
2G064CC42
(57)【要約】
【課題】 分散型音響センシングを改良するためのマルチスパン光ファイバシステムおよび技術を開示する。
【解決手段】 分散型音響センシングシステムは、光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、前記ＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、ＤＡＳ送信機および／またはＤＡＳ受信機に結合され、ＤＡＳシステムのセンシングの感度を高めるように構成される少なくとも１つのコンポーネントとを備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含んでもよい。
【選択図】図１
【解決手段】 分散型音響センシングシステムは、光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、前記ＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、ＤＡＳ送信機および／またはＤＡＳ受信機に結合され、ＤＡＳシステムのセンシングの感度を高めるように構成される少なくとも１つのコンポーネントとを備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含んでもよい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、
前記ＤＡＳ送信機および／または前記ＤＡＳ受信機に結合され、分散型音響センシングシステムのセンシング用の感度を高めるように構成される少なくとも１つのコンポーネントとを備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含む、
分散型音響センシングシステム。
前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、
前記ＤＡＳ送信機および／または前記ＤＡＳ受信機に結合され、分散型音響センシングシステムのセンシング用の感度を高めるように構成される少なくとも１つのコンポーネントとを備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含む、
分散型音響センシングシステム。
【請求項2】
前記少なくとも１つのコンポーネントは、
アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するように構成される第１の音響光変調器（ＡＯＭ）と、
第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信して前記アウトバウンドＤＡＳ信号の強度を高めるための第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を受信するように構成される第２のＡＯＭと、を含む、
請求項１に記載の分散型音響センシングシステム。
アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するように構成される第１の音響光変調器（ＡＯＭ）と、
第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信して前記アウトバウンドＤＡＳ信号の強度を高めるための第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を受信するように構成される第２のＡＯＭと、を含む、
請求項１に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項3】
前記第１のＡＯＭの出力信号の第１の幅は、前記第２のＡＯＭの第２の出力信号の第２の幅よりも大きく、
前記第２の出力信号は、時間において前記第１の出力信号を中心とする、
請求項２に記載の分散型音響センシングシステム。
前記第２の出力信号は、時間において前記第１の出力信号を中心とする、
請求項２に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項4】
前記第２の幅はＴ２で表され、Ｔ２＝ｎ＊ＧＬ／ｃである、
（ただし、ｎは光ファイバの屈折率であり、ＧＬは、メートルを単位とする光ファイバのゲージ長であり、ｃは光速である）
請求項３に記載の分散型音響センシングシステム。
（ただし、ｎは光ファイバの屈折率であり、ＧＬは、メートルを単位とする光ファイバのゲージ長であり、ｃは光速である）
請求項３に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項5】
前記少なくとも１つのコンポーネントは、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するための第１の増幅器と、
前記ＤＡＳ送信機に位置し、前記第１の増幅器からの出力を受信するように構成され、１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタと、を含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するための第１の増幅器と、
前記ＤＡＳ送信機に位置し、前記第１の増幅器からの出力を受信するように構成され、１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタと、を含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項6】
前記少なくとも１つのコンポーネントは、
前記ＤＡＳ受信機に位置し、前記レイリー後方散乱信号を受信するように構成され、１０ＧＨｚよりも小さい帯域幅を有する狭帯域光フィルタを含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
前記ＤＡＳ受信機に位置し、前記レイリー後方散乱信号を受信するように構成され、１０ＧＨｚよりも小さい帯域幅を有する狭帯域光フィルタを含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項7】
前記帯域幅は１ＧＨｚよりも小さい、
請求項６に記載の分散型音響センシングシステム。
請求項６に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項8】
前記少なくとも１つのコンポーネントは、
前記ＤＡＳ送信機と前記ＤＡＳ受信機との間に結合された光周波数シフタと、
前記光周波数シフタに結合された掃引周波数シンセサイザと、を含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
前記ＤＡＳ送信機と前記ＤＡＳ受信機との間に結合された光周波数シフタと、
前記光周波数シフタに結合された掃引周波数シンセサイザと、を含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項9】
少なくとも１つのスパンの開始から前記レイリー後方散乱信号の増幅を減衰または低減するように構成される受信機パワートラッカーを更に含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
請求項１～４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項10】
前記受信機パワートラッカーは、
少なくとも１つのスパンの開始で比較的大きな減衰を有する光プログラマブルアッテネーターであって、前記減衰が、少なくとも１つのスパンの終端で徐々にゼロに低減する光プログラマブルアッテネーターと、または
少なくとも１つのスパンの開始からのアウトバウンドＤＡＳ信号に対して比較的小さな電流または比較的小さな利得を有し、少なくとも１つのスパンの終端からのアウトバウンドＤＡＳ信号に対して比較的大きな電流または比較的大きな利得を有する光プリアンプと、を含む、
請求項９に記載の分散型音響センシングシステム。
少なくとも１つのスパンの開始で比較的大きな減衰を有する光プログラマブルアッテネーターであって、前記減衰が、少なくとも１つのスパンの終端で徐々にゼロに低減する光プログラマブルアッテネーターと、または
少なくとも１つのスパンの開始からのアウトバウンドＤＡＳ信号に対して比較的小さな電流または比較的小さな利得を有し、少なくとも１つのスパンの終端からのアウトバウンドＤＡＳ信号に対して比較的大きな電流または比較的大きな利得を有する光プリアンプと、を含む、
請求項９に記載の分散型音響センシングシステム。
【請求項11】
光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってＤＡＳステーションのＤＡＳ送信機からアウトバウンド分散型音響センシング（ＤＡＳ）信号を送信することと、
ＤＡＳ受信機で前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づくレイリー後方散乱信号を受信することと、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号の送信および前記レイリー後方散乱信号の受信の間に、少なくとも１つの処理操作を実行してセンシングの感度を高めることと、を含む、
分散型音響センシングシステムの操作方法。
ＤＡＳ受信機で前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づくレイリー後方散乱信号を受信することと、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号の送信および前記レイリー後方散乱信号の受信の間に、少なくとも１つの処理操作を実行してセンシングの感度を高めることと、を含む、
分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項12】
第１の音響光変調器（ＡＯＭ）で前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信することと、
第１の増幅器で前記第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信してその強度を高めることと、
第２のＡＯＭで前記第１の増幅器の出力を受信することと、を更に含む、
請求項１１に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
第１の増幅器で前記第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信してその強度を高めることと、
第２のＡＯＭで前記第１の増幅器の出力を受信することと、を更に含む、
請求項１１に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項13】
前記第１のＡＯＭの出力信号の第１の幅は、前記第２のＡＯＭの第２の出力信号の第２の幅よりも大きく、
前記第２の出力信号は、時間において前記第１の出力信号を中心とする、
請求項１２に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
前記第２の出力信号は、時間において前記第１の出力信号を中心とする、
請求項１２に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項14】
第２の幅はＴ２で表され、Ｔ２＝ｎ＊ＧＬ／ｃである、
（ただし、ｎは光ファイバの屈折率であり、ＧＬは、メートルを単位とする光ファイバのゲージ長であり、ｃは光速である）
請求項１３に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
（ただし、ｎは光ファイバの屈折率であり、ＧＬは、メートルを単位とする光ファイバのゲージ長であり、ｃは光速である）
請求項１３に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項15】
第１の増幅器で前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信することと、
１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタで前記第１の増幅器の出力を受信することと、を更に含む、
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタで前記第１の増幅器の出力を受信することと、を更に含む、
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項16】
１０ＧＨｚよりも小さい帯域幅を有する狭帯域光フィルタで前記レイリー後方散乱信号を受信することを更に含む、
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項17】
前記ＤＡＳ送信機と前記ＤＡＳ受信機との間に結合された光周波数シフタを用いて周波数掃引／周波数シフトを実行することを含む、
請求項１６に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
請求項１６に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項18】
受信機パワートラッカーを用い、開始と逆となる少なくとも１つのスパンの終端からのレイリー後方散乱信号のパワーと比べ、少なくとも１つのスパンの開始から受信されたレイリー後方散乱信号のパワーの増幅を選択的に減衰または降低することを更に含む、
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
請求項１１～１４のいずれか一項に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項19】
前記受信機パワートラッカーは、
少なくとも１つのスパンの開始で比較的大きな減衰を有する光プログラマブルアッテネーターであって、前記減衰が、少なくとも１つのスパンの終端で徐々にゼロに低減する光プログラマブルアッテネーターと、または
少なくとも１つのスパンの開始からの前記レイリー後方散乱信号に対して比較的小さな電流または比較的小さな利得を有し、少なくとも１つのスパンの終端からの前記レイリー後方散乱信号に対して比較的大きな電流または比較的大きな利得を有する光プリアンプと、を含む、
請求項１８に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
少なくとも１つのスパンの開始で比較的大きな減衰を有する光プログラマブルアッテネーターであって、前記減衰が、少なくとも１つのスパンの終端で徐々にゼロに低減する光プログラマブルアッテネーターと、または
少なくとも１つのスパンの開始からの前記レイリー後方散乱信号に対して比較的小さな電流または比較的小さな利得を有し、少なくとも１つのスパンの終端からの前記レイリー後方散乱信号に対して比較的大きな電流または比較的大きな利得を有する光プリアンプと、を含む、
請求項１８に記載の分散型音響センシングシステムの操作方法。
【請求項20】
光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するように構成される第１の音響光変調器（ＡＯＭ）と、
第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信して前記アウトバウンドＤＡＳ信号の強度を高めるための第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を受信するように構成される第２のＡＯＭと、
前記第１の増幅器からの出力を受信し、１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタと、を備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含む、
分散型音響センシングシステム。
前記アウトバウンドＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、
前記アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するように構成される第１の音響光変調器（ＡＯＭ）と、
第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信して前記アウトバウンドＤＡＳ信号の強度を高めるための第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力を受信するように構成される第２のＡＯＭと、
前記第１の増幅器からの出力を受信し、１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタと、を備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含む、
分散型音響センシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０２２年７月２１日に出願された名称が「ＭＵＬ ＴＩＳＰＡＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＢＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＦＯＲ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＳＥＮＳＩＮＧ」であって、米国仮出願番号が６３／３９１０４１である発明の特許出願に対して、優先権の利益を主張するものであり、その全体を引用により本願に援用する。
本願は、２０２２年７月２１日に出願された名称が「ＭＵＬ ＴＩＳＰＡＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＢＥＲ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＦＯＲ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＳＥＮＳＩＮＧ」であって、米国仮出願番号が６３／３９１０４１である発明の特許出願に対して、優先権の利益を主張するものであり、その全体を引用により本願に援用する。
【0002】
本開示の実施例は、光ファイバ通信システム分野に関する。特に、本開示は、海底光ケーブルにおける分散型音響センシング（ＤＡＳ）の感度を拡張して改善するための技術に関する。
【背景技術】
【0003】
分散型音響センシング（ＤＡＳ）システムにおいて、光ケーブルは、光ケーブル付近で外乱または異常の連続的なリアルタイムまたはほぼリアルタイムな監視を提供することに使用できる。言い換えれば、ケーブル自体は、ＤＡＳ環境（例えば、陸地環境、海洋）において海底環境等の内外で発生する異なるタイプの破壊、干渉、不規則性、音響振動活動（自然のものであるか人為的なものであるかにかかわらない）を検出または監視するためのセンシング素子として使用できる。そのため、ＤＡＳシステムの光ケーブルに結合された光電子デバイス／機器は、光ケーブルシステムにおける特定距離の範囲内の反射光信号（例えば、レイリー後方散乱信号）を検出して処理することができる。
【0004】
通常、ＤＡＳシステムは、インテロゲータユニット（ＩＵ）としてのポイントステーションを含んでもよく、コヒーレントレーザパルスを用いて光ファイバケーブルを探知し、ここで、戻った光後方散乱信号の位相、周波数、振幅、到達時間または偏光状態の変化を測定する。パルス間の光位相シフトは、光ファイバにおける歪みに比例することができ、これにより、このような外乱による位相への影響で測定されるように、振動等を検出する能力をもたらす。例えば、ＤＡＳシステムは、レイリー後方散乱に基づく（レイリー後方散乱ＤＡＳシステムに基づくとも呼ばれる）ことができる。
【0005】
従来方法において、分散型センシングは５０ｋｍ未満～１５０ｋｍに限定され、且つ、１つの光ファイバスパンしかセンシングできない。使用されるセンシングファイバは、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）、スベシャルセンシングファイバ、または正分散を有する他の光ファイバタイプであってもよく、通常、低損失を表し、より高いセンシングの感度をもたらす。なお、現在使用されている分散型音響センシング（ＤＡＳ）機器のシステムは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）または正分散および低損失を有する他の光ファイバを採用する。従って、ＤＡＳシステムのＤＡＳ範囲およびセンシング能力が著しく制限されることは知られている。
【0006】
上記および他の考慮に関し、本開示を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施例において、分散型音響センシングシステムを提供する。ＤＡＳシステムは、光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、ＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機と、ＤＡＳ送信機および／またはＤＡＳ受信機に結合され、ＤＡＳシステムのセンシングの感度を高めるように構成される少なくとも１つのコンポーネントとを備える、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含んでもよい。
【0008】
別の実施例において、分散型音響センシングシステムの操作方法は、少なくとも１つのスパンにわたって光ファイバを介してＤＡＳステーションのＤＡＳ送信機からアウトバウンド分散型音響センシング（ＤＡＳ）信号を送信することと、ＤＡＳ受信機でＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信することと、アウトバウンドＤＡＳ信号の送信およびレイリー後方散乱信号の受信の間に、少なくとも１つの処理操作を実行してセンシングの感度を高めることとを含んでもよい。
【0009】
別の実施例において、分散型音響センシングシステムは、分散型音響センシング（ＤＡＳ）ステーションを含んでもよい。ＤＡＳステーションは、光ファイバを介して少なくとも１つのスパンにわたってアウトバウンドＤＡＳ信号を送信するように構成されるＤＡＳ送信機と、ＤＡＳ信号に基づいてレイリー後方散乱信号を受信するように構成されるＤＡＳ受信機とを備えてもよい。ＤＡＳステーションは、第１の音響光変調器（ＡＯＭ）、第１の増幅器、および第２のＡＯＭを更に含んでもよく、第１の音響光変調器は、アウトバウンドＤＡＳ信号を受信するように構成され、第１の増幅器は、第１のＡＯＭの第１の出力信号を受信してアウトバウンドＤＡＳ信号の強度を高めるように構成され、第２のＡＯＭは、第１の増幅器の出力を受信するように構成される。ＤＡＳステーションは、第１の増幅器からの出力を受信するように構成されて１ＧＨｚ～１０ＧＨｚの間の帯域幅を有する狭帯域光フィルタを更に含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】単一の１００ｋｍスパンに構築されたＤＡＳシステムにおいて、ノイズフロアのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）をセンシング距離の関数として示す図である。
【図2A】本開示の実施例に基づいて配置されたＤＡＳシステムを示す図である。
【図2B】例示的なＤＡＳパルス軌跡を示す図である。
【図3】センシングレーザーの参照相対強度雑音（ＲＩＮ）スペクトルの理想的な記述を示す図である。
【図4A】Ｄ＋光ファイバスパンにおいて、ＤＡＳセンシング信号に応答するノイズをＤＡＳセンシングチャネル光周波数に対する周波数の関数として示す図である。
【図4B】Ｄ－光ファイバスパンにおいて、ＤＡＳセンシング信号に応答するノイズをＤＡＳセンシングチャネル光周波数に対する周波数の関数として示す図である。
【図4C】誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）プロセス（Ｐ＿ＳＢＳ）によるＤＡＳ信号パワー（Ｐｐ）消費と距離との関係を示す図である。
【図5】単一の５０ｋｍスパン（Ｐ＝０．７Ｗまたは２８．５ｄＢｍ、実験室での最大値）において、受信されたＤＡＳ信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の測定された周波数シフトを実験的に示す図である。
【図6】周波数シフト信号と受信機の帯域幅曲線との合成図を示す図である。
【図7】本開示の更なる実施例に基づいて配置された別のＤＡＳシステムを示す図である。
【図8】０．２ｄＢ／ｋｍの損失を有する５０ｋｍスパンにおいて、３つの異なる送信パワー値での受信パワーを距離の関数として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
現在、以下で図面を参照しながら本実施例をより十分に説明し、例示的な実施例を示す。実施例の範囲は、本明細書で説明される実施例に制限されるものと解釈されるべきではない。逆に、これらの実施例は、本開示を徹底かつ完全にし、実施例の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。図面において、同じ数字は常に同じ構成要素を指す。
【0012】
図面に関する具体的な実施例を詳細に説明する前に、実施例に関する一般的な特徴を振り返る。新規なＤＡＳ装置、システム、アーキテクチャおよび技術を提供し、ＤＡＳのセンシング能力、特に感度を高める。
【0013】
センシング信号の消光比を高める
いくつかの実施例において、センシング信号の消光比（ＥＲ）を高めるための技術および装置を提供する。図１は、単一の１００ｋｍスパンに構築されたＤＡＳシステムにおいて、ノイズフロアのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）をセンシング距離の関数として示す。センシングスパンからのノイズフロアパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、ノイズレベルに対する測定であり、特定の位置における感度を確定する。ＰＳＤの単位はｄＢ＿ｒａｄ２／ＨｚまたはｄＢ＿ｒａｄ／√Ｈｚであり、且つ、数値が低いほど良い。一番上の曲線は、総ＰＳＤを表し、他の曲線は、ＰＳＤに対する特定の貢献を表し、送信機からの有限消光比（ＥＲ）、受信機からのローカル発振器と自然放射増幅光（ＬＯ＿ＡＳＥ）ビート雑音、およびＤＡＳ機器全体の制限（Ｂａｃｋ－ｔｏ－ＢａｃｋまたはＢｔＢ）を含む。図１に一般的に示されるように、分散型センシングの感度は、センシング信号のＥＲに大きく依存する。なお、音響光変調器（ＡＯＭ）は、通常５０～７０ｄＢのＥＲを提供する。しかし、センシング信号のデューティは非常に低い（例えば、２ｋＨｚのセンシング周波数が３５ｄＢである場合、１５０ｎｓまたは３０ｍのゲージ長を有する）。従って、センシング信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）は著しく低下する（ＥＲは、７０ｄＢから僅か３５ｄＢに低下する）。該例において、ノイズフロア（ＰＳＤ）は、２０ｋｍよりも大きい距離でのＥＲの貢献によって制限される。従って、ＤＡＳ信号のＥＲを改善することにより、実際のＤＡＳセンシングシステムにおけるＰＳＤを制限することに寄与することができる。
いくつかの実施例において、センシング信号の消光比（ＥＲ）を高めるための技術および装置を提供する。図１は、単一の１００ｋｍスパンに構築されたＤＡＳシステムにおいて、ノイズフロアのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）をセンシング距離の関数として示す。センシングスパンからのノイズフロアパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、ノイズレベルに対する測定であり、特定の位置における感度を確定する。ＰＳＤの単位はｄＢ＿ｒａｄ２／ＨｚまたはｄＢ＿ｒａｄ／√Ｈｚであり、且つ、数値が低いほど良い。一番上の曲線は、総ＰＳＤを表し、他の曲線は、ＰＳＤに対する特定の貢献を表し、送信機からの有限消光比（ＥＲ）、受信機からのローカル発振器と自然放射増幅光（ＬＯ＿ＡＳＥ）ビート雑音、およびＤＡＳ機器全体の制限（Ｂａｃｋ－ｔｏ－ＢａｃｋまたはＢｔＢ）を含む。図１に一般的に示されるように、分散型センシングの感度は、センシング信号のＥＲに大きく依存する。なお、音響光変調器（ＡＯＭ）は、通常５０～７０ｄＢのＥＲを提供する。しかし、センシング信号のデューティは非常に低い（例えば、２ｋＨｚのセンシング周波数が３５ｄＢである場合、１５０ｎｓまたは３０ｍのゲージ長を有する）。従って、センシング信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）は著しく低下する（ＥＲは、７０ｄＢから僅か３５ｄＢに低下する）。該例において、ノイズフロア（ＰＳＤ）は、２０ｋｍよりも大きい距離でのＥＲの貢献によって制限される。従って、ＤＡＳ信号のＥＲを改善することにより、実際のＤＡＳセンシングシステムにおけるＰＳＤを制限することに寄与することができる。
【0014】
図２Ａは、本開示の実施例によるＤＡＳシステム２００のアーキテクチャを示し、且つ、図２Ｂは、例示的なＤＡＳパルスを示す。他の特徴を除き、ＤＡＳシステム２００は、発光ダイオードのシンボルで表されたＤＡＳステーション２０２、光カプラー（例えば、１０ｄＢ）、およびＡＯＭ１とＡＯＭ２として示された２つの音響光変調器（ＡＯＭ）を含む。ＡＯＭ１は、増幅器（例えば、昇圧エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ））の前のアウトバウンドパスに位置し、より広いパルス（曲線２５２、Ｔ１、図２Ｂを参照し、低い変調損失を有する）によって駆動できる。ＡＯＭ１は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の閾値を高めるためにスペクトル広がりを更に導入する。ＡＯＭ２は、昇圧ＥＤＦＡの後ろに位置し、狭いパルス（曲線２５４を参照し、Ｔ２＝ｎ＊ＧＬ／ｃ＜Ｔ１）によって駆動され、ただし、ｎは光ファイバの屈折率であり、ＧＬは、メートルを単位とするゲージ長であり、ｃは真空中の光速である。
【0015】
図２Ａに示される実施形態の著しい特徴は、一方が昇圧ＥＤＦＡの前に位置して他方が昇圧ＥＤＦＡの後ろに位置する２つのＡＯＭを使用し、且つ、相対パルス幅を設定することを含み、ここで、Ｔ２＜Ｔ１である。Ｔ１＞Ｔ２の場合、図２Ｂに示すとおりである（ここで、パルスは、中心揃えに配置される）。従って、昇圧ＥＤＦＡの入力信号が高いため、昇圧増幅器後の光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）は高く、（ＯＳＮＲ）の劣化を軽減する。従って、図２Ａの実施例において、２つのＡＯＭをカスケードすることにより、ノイズフロアを著しく低減する。Ｔ１を最適化することにより、センシング信号の高いＥＲと高いＯＳＮＲとを同時に実現することができる。
【0016】
狭Ｔｘ光フィルタを用いてシード信号を低減する
分散型センシングにおいて、レイリー後方散乱プロセスの高損失（～３５ｄＢ）により、受信信号のパワーは、通常低い。従って、高い送信ピーク電力が必要となる。しかし、このような高ピーク電力は、非線形性を生成してシステムノイズ（シード）を増幅し、それに対応し、センシング信号を枯渇させる。シードは、センシングレーザーの相対強度雑音（ＲＩＮ）および昇圧増幅器からの自然放射増幅光（ＡＳＥ）に現れる。図３は、曲線３０２を示し、センシングレーザーの例示的なＲＩＮスペクトルを表す。図に示されるように、緩和振動により、１０ＧＨｚ領域に非常に強い周波数成分が存在する。従って、低いＲＩＮを有するレーザーを、ＤＡＳ信号を生成するソースとして選択することは非常に有用である。
分散型センシングにおいて、レイリー後方散乱プロセスの高損失（～３５ｄＢ）により、受信信号のパワーは、通常低い。従って、高い送信ピーク電力が必要となる。しかし、このような高ピーク電力は、非線形性を生成してシステムノイズ（シード）を増幅し、それに対応し、センシング信号を枯渇させる。シードは、センシングレーザーの相対強度雑音（ＲＩＮ）および昇圧増幅器からの自然放射増幅光（ＡＳＥ）に現れる。図３は、曲線３０２を示し、センシングレーザーの例示的なＲＩＮスペクトルを表す。図に示されるように、緩和振動により、１０ＧＨｚ領域に非常に強い周波数成分が存在する。従って、低いＲＩＮを有するレーザーを、ＤＡＳ信号を生成するソースとして選択することは非常に有用である。
【0017】
図２Ａに戻り、ＤＡＳシステム２００は、昇圧ＥＤＦＡの後ろに位置する光フィルタ２０３を含んでもよく、該光フィルタ２０３は、レーザーによって生成されたＲＩＮ（特に１０ＧＨｚ成分）および昇圧ＥＤＦＡから生成できるＡＳＥを制限することに用いられ、変調不安定性（ＭＩ）または四光波混合（ＦＷＭ）に起因する非線形干渉（ＮＬＩ）パワーを低減する。
【0018】
狭いＲｘ光フィルタを用いて受信機ノイズを低減する
コヒーレント受信機の同相信号除去比（ＣＭＲＲ）がある値（例えば、２０ｄＢ）よりも低い場合、ノイズ－ノイズビートは、顕著なペナルティを引き起こすことができる。光センシングにおいて、センシング信号の周辺でのＭＩ／ＦＨＭによる非線形干渉（ＮＬＩ）ノイズは、遥かに高い。周知のように、ＮＬＩは、Ｄ＋光ファイバを含むシステムで極めて有害である。Ｄ＋光ファイバシステムで、ＭＩは、通常、単一のスパン後に～１０ＧＨｚのピークを表し、且つ、該ピークは、センシング信号の中心よりも３０ｄＢ高い可能性がある。図４Ａは、２０個のスパン後にＭＩにより生成されたＮＬＩを示し、ピーク周波数が～６ＧＨｚにシフトし、且つ、該ピークは、センシング信号の中心よりも～３０ｄＢ高く、単一のスパンと比べると、該ＮＬＩは、１０ｄＢという低い光パワーで生成されるものである。ＦＷＭにより生成されたＮＬＩも、～１０ＧＨｚのＢＷを有し、且つ、図４Ｂの曲線４２０に示されるように、＋／－５ＧＨｚ帯域幅内の全てのＮＬＩノイズを積分することにより、センシング信号の－１０ｄＢに達することができる。該ＦＷＭ／ＭＩ信号は、ＳＢＳ処理により更に増幅（逆方向で）され、センシング信号を更に枯渇させることができる（図４Ｃの曲線４３０を参照する）。図２ＡのＤＡＳシステム２００に戻り、受信機に帯域幅＜１０ＧＨｚ（場合によって、ＢＷ＜１ＧＨｚ）の光フィルタを置くことにより、これらのＮＬＩを著しく減少することができる。
コヒーレント受信機の同相信号除去比（ＣＭＲＲ）がある値（例えば、２０ｄＢ）よりも低い場合、ノイズ－ノイズビートは、顕著なペナルティを引き起こすことができる。光センシングにおいて、センシング信号の周辺でのＭＩ／ＦＨＭによる非線形干渉（ＮＬＩ）ノイズは、遥かに高い。周知のように、ＮＬＩは、Ｄ＋光ファイバを含むシステムで極めて有害である。Ｄ＋光ファイバシステムで、ＭＩは、通常、単一のスパン後に～１０ＧＨｚのピークを表し、且つ、該ピークは、センシング信号の中心よりも３０ｄＢ高い可能性がある。図４Ａは、２０個のスパン後にＭＩにより生成されたＮＬＩを示し、ピーク周波数が～６ＧＨｚにシフトし、且つ、該ピークは、センシング信号の中心よりも～３０ｄＢ高く、単一のスパンと比べると、該ＮＬＩは、１０ｄＢという低い光パワーで生成されるものである。ＦＷＭにより生成されたＮＬＩも、～１０ＧＨｚのＢＷを有し、且つ、図４Ｂの曲線４２０に示されるように、＋／－５ＧＨｚ帯域幅内の全てのＮＬＩノイズを積分することにより、センシング信号の－１０ｄＢに達することができる。該ＦＷＭ／ＭＩ信号は、ＳＢＳ処理により更に増幅（逆方向で）され、センシング信号を更に枯渇させることができる（図４Ｃの曲線４３０を参照する）。図２ＡのＤＡＳシステム２００に戻り、受信機に帯域幅＜１０ＧＨｚ（場合によって、ＢＷ＜１ＧＨｚ）の光フィルタを置くことにより、これらのＮＬＩを著しく減少することができる。
【0019】
図２ＡのＤＡＳシステム２００の実施例において、送信機および受信機に光フィルタリングを置くことにより、受信機のＯＳＮＲの上昇を招く。狭送信機光フィルタリングは、例えば、光フィルタ２０３を使用することにより、非線形プロセスのシードパワーを減少することができる。ＮＬＩパワーを低減することにより、ＤＡＳ信号パワー消費を低減する。狭受信フィルタ２０４は、ＤＡＳ受信機におけるフォトダイオードのＮＬＩノイズパワーを制限することに用いられる。
【0020】
周波数シフトトラッカー
既知のＤＡＳシステムにおいて、センシング信号の高ピーク電力は、非常に大きな光位相シフトを引き起こす可能性がある。該位相シフトは、光ヘテロダイン検波後に、以下の式に示されるように、追加の周波数シフトに変換される。
既知のＤＡＳシステムにおいて、センシング信号の高ピーク電力は、非常に大きな光位相シフトを引き起こす可能性がある。該位相シフトは、光ヘテロダイン検波後に、以下の式に示されるように、追加の周波数シフトに変換される。
【0021】
（式１）
ただし、ΔｆＮＬＩはＮＬＩによる周波数シフトであり、ΔΦはラジアンを単位とするＮＬＩによる位相シフトであり、ΔｔはＤＡＳパルス幅（３０ｍのゲージ長に対して１５０ｎｓである）であり、γは光ファイバの非線形係数であり、Ｐは、光ファイバの入力でのピークＤＡＳ信号（ポンプ）パワーであり、Ｌｅは、有効ファイバの長さである。光ヘテロダイン後の総周波数シフトは、ΔｆＮＬＩ＋ΔｆＡＯＭであり、ただし、ΔfＡＯＭは、ＤＡＳ送信機におけるＡＯＭによる総線形周波数であり、図２Ａ示すとおりである。１つの例において、ΔfＡＯＭは～２００ＭＨｚであってもよく、且つ、ΔｆＮＬＩは、ＨＤＦ３光ファイバの１つのスパン後に（Ｐ＝１Ｗ、γ＝１．２／Ｗ－ｋｍ）、～５２Ｍｈｚであってもよい。図５は、単一の５０ｋｍのＨＤＦ３光ファイバスパン（Ｐ＝０．７Ｗ、実験室での最大値）において、受信されたＤＡＳ信号のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の実験で測定された周波数シフトを示す。ＰＳＤ値は、１、２、４、８、１６、３２および４９ｋｍにおける周波数の関数と表示される。距離の増加に伴う周波数シフト、センシングスパンの終端（４９キロメートル）でのスペクトル分割、および顕著な広がりを観察することができる。
【数1】
【0022】
マルチスパンＤＡＳセンシングシステムにおいて、このようなＮＬＩによる周波数シフトは線形に増加する。いくつかのスパン後に、累積された周波数シフトは、受信機の帯域幅よりも遥かに大きくなってもよい。図６に示されるように、「ＤＡＳ Ｓｉｇ」シフトが５００ＭＨｚを超え、該シフトは、受信機の電気帯域幅（例えば、５００ＭＨｚ）を超えることができる。特に、電気帯域幅は、ローパスフィルタ「ＬＰフィルタ」曲線とバンドパスフィルタ「ＢＰフィルタ」曲線とのコンボリューションである。最終的なフィルタリング後の信号の「組み合わせ」は、図６に現れない。この場合、信号は、上記フィルタのコンボリューションによって完全にフィルタリングされる（１０－３のレベルよりも遥かに低い）。
【0023】
本開示の更なる実施例によれば、図７は、別のＤＡＳシステムを記述する。該実施例において、ＤＡＳシステム７００は、掃引周波数シンセサイザ、音響光周波数シフタ（ＡＯＦＳ）および可変アッテネータを含み、ここで、ＤＡＳシステム７００の操作原理は、以下で詳細に説明する。
【0024】
特に、ローカル発振器の周波数は、以下のような方式で周波数掃引を行うことができる。
（式２）
（ただし、Ｎｐｒｅ－ｓｐａｎは、センシングスパンの前のスパン数であり、ｌ＝ｃｔ／２ｎは、１つ前の光増幅器までの距離（ＤＡＳセンシング機器までの距離ではない）であり、ｎは光ファイバの屈折率であり、αは光ファイバの損失であり、ＧＬはゲージ長であり、ｃは真空中の光速である。）
（式２）
【数2】
【0025】
他の実施例において、他の周波数シフト関数（線形、二次等）は使用でき、総周波数シフト［ΔｆＮＬＩ＋ΔｆＡＯＭ＋Δｆ（ｔ）］がＤＡＳ受信機の電気帯域幅内にあれば良い。本開示の実施例によれば、受信機のデジタル信号処理（ＤＳＰ）ユニットが該追加の周波数シフトの除去に使用できるため、システム変化による位相は主となる。
【0026】
図７の実施例において、該周波数掃引／周波数シフトは、音響光周波数シフタ（ＡＯＦＳ）により提供できる。あるいは、周波数掃引／周波数シフトは、周波数シフタとして操作された他の光変調器（ニオブ酸リチウム、電気吸収等のような電気光部品を含む）により提供できる。
【0027】
センシング信号パワートラッカー
レイリー後方散乱信号を用いたセンシング形態において、受信信号のパワー変化は、線形伝送領域におけるスパン損失の２倍である。図８は、０．２ｄＢ／ｋｍの損失を有する５０ｋｍスパンにおいて、異なるＤＡＳ信号の送信パワーでの受信パワーを距離の関数として示すグラフである。線形パワー範囲内（本例で、２３ｄＢｍおよび２６．５ｄＢｍ）に、信号パワーは、５０ｋｍ内で～２０ｄＢ低下し、ＤＡＳ信号の送信パワーが２８．５ｄＢｍに上昇すると、該パワー低下は３０ｄＢに上昇する。
レイリー後方散乱信号を用いたセンシング形態において、受信信号のパワー変化は、線形伝送領域におけるスパン損失の２倍である。図８は、０．２ｄＢ／ｋｍの損失を有する５０ｋｍスパンにおいて、異なるＤＡＳ信号の送信パワーでの受信パワーを距離の関数として示すグラフである。線形パワー範囲内（本例で、２３ｄＢｍおよび２６．５ｄＢｍ）に、信号パワーは、５０ｋｍ内で～２０ｄＢ低下し、ＤＡＳ信号の送信パワーが２８．５ｄＢｍに上昇すると、該パワー低下は３０ｄＢに上昇する。
【0028】
なお、０．２ｄＢ／ｋｍの光ファイバを有する１００ｋｍスパンにおいて、線形伝送領域でも、レイリー後方散乱信号パワーも４０ｄＢ変化する。しかし、全ての受信機は、フォトダイオード（ＰＤ）操作を線形範囲内に保持するために、最大パワー制限を持つ。この場合、センシングスパンの遠端から受信されたパワーは小さすぎ、受信機のノイズに埋もれている可能性がある。この問題を解決するために、ＤＡＳシステム７００に更に示されるように、受信機の飽和（図７の可変減衰成分を参照する）を回避するために、受信機パワートラッカーを提供してスパンの開始からの信号を減衰する（または、小さく増幅する）ことができる。
【0029】
センシングスパンからの受信信号は、線形伝送領域におけるＰ（ｌ）＝ＰＲａｙ（０）ｅ－２αｌと表すことができ、ただし、αは光ファイバ損失であり、ＰＲａｙ（０）およびＰ（ｌ）は、光ファイバの近端または距離ｌからのレイリー後方散乱パワーである。アッテネータまたは増幅器は、以下の方式でプログラミングできる。
（式３）
（ただし、Ｐ（ｌ）'は、ＰＤより距離ｌにおける最終的な受信光パワーであり、Ｌはスパンの全長であり、βは、新たに導入されたパワー減衰／増幅因子であり、且つ２α＞２α－２βである。このようなパワートラッカー方法を使用し、パワー依存性は、ｅ－２αｌからｅ－２（α－β）ｌに変化する。上記例示的な式において、ｌ＝Ｌである場合、パワーが変化しないため、スパンの開始（ｌ＝０）からのＤＡＳ信号は、ＤＡＳ信号のパワー減衰がｅ－２βLであり、且つ、スパンの終端（１＝Ｌ）からのＤＡＳ信号は、全く減衰しない。α＝βである場合、パワー曲線は、センシング距離全体で平坦である。
（式３）
【数3】
【0030】
他の実施例において、パワー曲線の他の関数（線形、二次等）を採用することができ、総パワー曲線がＤＡＳ受信機の線形ダイナミックレンジよりも小さくなれば良い。受信機のデジタル信号処理（ＤＳＰ）部品（個別に示されないが、通常、ＤＡＳステーションに位置する）では、該追加のパワー曲線を除去し、ＤＡＳシステムによるパワー推移を保留することができる。異なる非制限的な実施例において、該パワートラッカーは、１）スパンの開始で大きな減衰を有し、スパンの終端で徐々にゼロに低減する光プログラマブルアッテネーター、および２）スパンの開始からの信号に対して小さな電流または小さな利得を有し、スパンの遠端からの信号に対して大きな電流または大きな利得を有する光プリアンプという方式により実施することができる。
【0031】
本開示の範囲は、本文で記述された具体的な実施例によって限定されるものではない。実際には、本文に係る本開示の内容に加え、本開示の他の様々な実施例および修正は、当業者にとって、上記説明および図面から明らかとなる。従い、このような他の実施例および修正は、本開示の範囲内に含まれるものとする。また、本開示が特定の環境で特定の目的のために特定の実施形態の文脈で説明したが、当業者は、その有用性がこれらに限定されず、本開示が任意の数の環境で任意の数の目的のために有利に実施され得ることを認識する。従い、以下に記載される特許請求の範囲は、本文に記載された本開示の全ての幅および精神に基づいて解釈されるべきである。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【外国語明細書】