特許 7181302 分散型振動の２段階検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-21

(45)【発行日】2022-11-30

(54)【発明の名称】分散型振動の２段階検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20221122BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20221122BHJP

   G08B 13/186 20060101ALI20221122BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 E

G01D5/353 A

G08B13/186

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020541443

(86)(22)【出願日】2019-06-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-05-13

(86)【国際出願番号】 US2019039849

(87)【国際公開番号】W WO2020006424

(87)【国際公開日】2020-01-02

【審査請求日】2020-07-28

(31)【優先権主張番号】62/691,148

(32)【優先日】2018-06-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】16/455,586

(32)【優先日】2019-06-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504080663

【氏名又は名称】エヌイーシー ラボラトリーズ アメリカ インク

【氏名又は名称原語表記】ＮＥＣ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】ホ、 ジュンチャン

(72)【発明者】

【氏名】ワン、 ティン

【審査官】奥野 尭也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０４５４３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５１９４８４７（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５０４６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１６１３２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３９８２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２９７８８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１４４０１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２０１１５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０８５８９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１９８９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９９２４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光パルスを生成し、前記光パルスを光ファイバに入力し、反射された信号からファイバに沿った位置に対する周辺侵入を検出するように動作する分散型光ファイバ感知システムであって、
第１のステージおよび第２のステージを有し、前記第１のステージは、入力された信号についてＤＣ除去のための高域フィルタリングおよび所定の周波数を除去するための低域フィルタリングを行って該信号を出力し、前記第２のステージは、前記第１のステージからの信号を位置毎に捕捉し、該捕捉した信号の測定時刻に基づいて、前記周辺侵入を検出する、２段階の検出および分析システムであって、
前記第１のステージは、その出力結果を、周辺侵入の可能性のレベルに基づいて３つの分類に分類し、その後、周辺侵入の存否が不確定な分類のみが前記第２のステージに提供される分散型光ファイバ感知システム。

【請求項2】

請求項１に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
前記第１のステージは、帯域通過フィルタリングを行い、続いて、パルス信号のデータ量を削減するために該パルスの区間ごとの電力値を導出するための電力蓄積を行い、該パルスの区間ごとに該電力値が示す電力を用いて、前記第２のステージへ出力する信号を生成することを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項3】

請求項１に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
前記第２のステージは、位置ごとの捕捉を実行することを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項4】

請求項１に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
前記第２のステージは、位置ごとに複数のバッファを使用し、各バッファは１つの位置を捕捉することを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項5】

請求項１に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
前記第１のステージによって検出された可能な活動を有する複数の位置は、前記複数の位置のうちの個々の位置に１つのバッファを割り当てることによって、前記第２のステージによって同時に処理されることを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項6】

請求項１に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
前記第２のステージは、「活動なし」、「調査」、および「繰り返し活動」からなる群から選択される分類によって各位置を識別し、「調査」によって識別された位置のみが、それに割り当てられた捕捉バッファを有することを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項7】

請求項６に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
「調査」によって識別された位置は、活動が連続的であるか、または１回限りの活動であるかを決定するために評価され、連続的な活動を示すと決定された位置は、「繰り返し活動」として識別され、そうでなければ「活動なし」として識別されることを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【請求項8】

請求項６に記載の分散型光ファイバ感知システムであって、
「調査」によって識別される位置は、プログラマブルタイマに関連付けられ、前記タイマは、位置識別子の「繰り返し活動」から「活動なし」への変更を決定することを特徴とする分散型光ファイバ感知システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連する出願情報
本出願は、２０１８年６月２８日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６２／６９１，１４８号の優先権を主張するものであり、その全内容は、本書において詳細に記載されているかのように、参照により盛り込まれている。

【0002】

本開示は、一般に、光ファイバ感知システム、方法、および構造に関する。より具体的には、分散型振動検出のための２段階検出方法について述べる。

【背景技術】

【0003】

光ファイバ感知技術で知られているように、分散振動感知（ＤＶＳ）は、インタロゲータと光通信する光ファイバに沿った任意の位置で振動を検出するために使用される技術である。インタロゲータは、ファイバへの入力信号を生成し、反射信号を検出および分析し、その後、ファイバに沿って検出された振動の表示を出力するシステムである。インタロゲータは、振動検出が必要とされるか、または所望の位置に沿って敷設された接続ファイバを用いて、便利に設置され、アクセスされ得る。その柔軟性、ロバスト性、および合理的に良好な性能のために、周辺侵入検出に人気のある関心が集まっている。

【発明の概要】

【0004】

当技術分野における進歩は、２段階分散型振動検出を対象とする本開示の態様に従ってなされる。従来技術とは対照的に、本開示によるシステム、方法、および構造は、誤警報率を低減しながら検出を最大化するために２段階アプローチを採用する。動作上、第１のステージは、従来技術のアプローチと比較して低いしきい値を示し、従来技術のアプローチでは無視された／無視されるであろう信号を識別することができるが、それにもかかわらずアラームであり得る。その後、本開示の態様によるシステム、方法、および構造で使用される第２のステージは、指定された位置（１つまたは複数）に関するすべての詳細を捕捉する位置構成可能捕捉バッファを利用する。

【0005】

動作上、第１のステージによって識別されたトリガされたアラームが存在すると、第２のステージ動作は、トリガ位置を識別し（捕捉し）、より高度な処理のためにその位置からより詳細なデータを取得する。そのような詳細なデータは、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）からの元のサンプルであってもよく、または、光学系またはＡＤＣのいずれかによる、または任意の他の前処理を伴う、広帯域ノイズを除去するためのローパスフィルタリングの後の元のサンプルであってもよい。有利には、詳細なデータは、その走査周波数（すなわち、そのパルス繰り返し率）の全スペクトル、および任意の可能な原因を決定するために有利に採用され得る活動中のパターンを提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【0006】

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。

【0007】

【図1】従来技術のデジタル振動感知（ＤＶＳ）システムを示す概略図である。

【0008】

【図2】従来技術のインテロゲータ処理装置を示す概略図である。

【0009】

【図3】本開示の態様による、位置毎の捕捉を用いた２段階処理を示す概略図である。

【0010】

【図4】本開示の態様による、位置毎の処理を示す概略図である。

【0011】

【図5】本開示の態様による状態管理を示すフロー図である。

【0012】

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。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

本明細書で特に明記しない限り、図面を構成する図面は、一定の縮尺で描かれていない。

【0018】

いくつかの追加の背景を用いて、および先行技術のＤＶＳシステムの概略図を示す図１を最初に参照することで、本発明者らは、その図に示されるような構成が、典型的な周辺侵入検出システムの一部であり得ることに留意することによって開始する。そこに示されるように、インタロゲータ１００は、周期的に光パルス１０８を生成し、それらを光ファイバ１０２に注入する。光パルス（信号）は、一般に１０４によって示されるように、ファイバ１０２に沿って伝搬する。

【0019】

当業者によって知られているように、ファイバに沿った各位置で、光パルス（信号）の小さな部分が反射１０６されてインテロゲータに向かって戻る。典型的には、このような反射は、レイリー散乱によるものである。反射された信号は、電気領域信号に変換され、インテロゲータによって処理される。光パルス（信号）の注入時間と反射／散乱信号検出時間とに基づいて、インテロゲータは、サンプル（（特定の反射／散乱信号）が発生する位置を決定することができ、したがって、ファイバに沿った各位置での活動を感知／検出／決定することができる。

【0020】

当業者にはさらに公知のことであるが、典型的なＤＶＳシステムは、１～２ｍの分解能で約５０ｋｍまでの光ファイバ長をサポートすることができる。全ての信号を詳細に分析することは、非常に大きな計算の複雑さをもたらし、これは、システムコスト及びおそらくシステムサイズを増加させる。したがって、既存の解決策は、データ量を低減するために単純な前処理／集約を採用する。

【0021】

次に図２を参照すると、従来技術のインタロゲータ処理装置を示す概略図が示されている。この図を参照すると、データ量を低減するためのこのような前処理／集約が実行され（２０４）、その後に高度なアルゴリズム処理が続く（２０６）ことが観察され得る。前処理の一例は、ある期間中に集約された電力を計算し、その後、電力変動または電力パターンをチェックすることである。

【0022】

当業者には理解されるように、そのような前処理または集約構成／方法に伴う１つの問題は、詳細な情報が失われるおそれがあり、前処理から抽象化された結果によって、所望のパターンを背景雑音から分離することが不可能になるおそれがあることである。

【0023】

単なる例として、侵入検知アプリケーションでは、ＤＶＳは、人間の活動と気象－例えば、風、雨、およびひょう－による振動とを区別し、人間の活動がそのような振動の原因である場合にのみ報告することが期待される。しかしながら、電力蓄積のような前処理では、後続のステージが識別できないように、いかなる差も排除されてもよく、これは誤ったアラームを生成する。理解されるように、誤警報率は、重要なシステムパラメータであり、検出システムが商業的又は他の用途において許容される主要又は唯一の理由であり得る。したがって、検出感度を失うことなく誤警報率を低減する発明は、このようなシステムに対する重要な課題であり、有利には、本開示によるシステム、発明、および構造によって対処される。

【0024】

ここで、本開示によるシステム、方法、および構造を示しかつ記述するように、誤警報率を低減しながら検出を最大化するために２段階アプローチを採用する。第１のステージは、従来技術のアプローチと比較して低い閾値を示し、アラームであり得るが、従来技術のアプローチでは無視された／無視されるであろう信号を識別する。

【0025】

有利なことに、本開示の態様によるシステム、方法、および構造で使用される第２のステージは、指定された位置（１つまたは複数）に関する詳細のすべてを捕捉する位置構成可能捕捉バッファを使用する。動作上、第１のステージからトリガされたアラームがあると、第２のステージ動作は、トリガ位置を識別（捕捉）し、より高度な処理のためにその位置からより詳細なデータを取得する。そのような詳細なデータは、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）からのオリジナルサンプルであってもよく、または、光学系またはＡＤＣのいずれかによる、または任意の他の前処理を伴う、広帯域ノイズを除去するためのローパスフィルタリングの後のオリジナルサンプルであってもよい。一般に、詳細なデータは、その走査周波数（すなわち、そのパルス繰返し率）の全スペクトル、および任意の可能な原因を決定するために有利に使用され得る活動中のパターンを提供し得る。

【0026】

図３は、本開示の態様による、位置毎の捕捉を用いた２段階処理を示す概略図である。その図を参照すると、第１のステージ処理３０２が入力信号３１６を受信し、前処理３０４および前決定３０６の機能を実行することが観察され得る。ここで、関数３０４および３０６は、図２に関して先に示した関数２０４および２０６と多少類似していることに留意されたい。

【0027】

１つの例示的な実施形態では、前処理機能３０４は、ＤＣ除去のための高域フィルタリング、および関心のない周波数を除去するための低域フィルタリングを適用し、続いて、低減された信号量のための区間ごとの電力値（複数可）を導出するための電力蓄積を行う。予備決定機能３０６は、図２の２０６に関して適用されるものと同じまたは類似のアルゴリズム、または単純な閾値ベースの決定を適用することができる。機能ブロック３１０は、捕捉制御論理３１２および捕捉バッファ３１４を含む、本開示の態様による位置ごとの捕捉論理を提供する。捕捉制御論理３１２は、第２ステージ処理モジュール３０６によって構成される、関心のある位置のためのレジスタを含むことができる。第２ステージ処理モジュール３０６によって活動が検出されると、第２ステージ３０８は、位置ＩＤ（例えば、サンプルシーケンス）を３１２のレジスタに書き込む。捕捉制御３１２は、対応する位置のサンプルが到着したときにバッファ書込みをイネーブルする。捕捉されたサンプルは、ブロック３０８で読み取られ、さらなる詳細を取得し、関心のある活動があるかどうかのさらなる決定を行う。

【0028】

３０４で実行される主な処理は、位置ごとベースである－すなわち、各位置からの信号が、その位置の時間インターリーブサンプルを形成するために、一緒にグループ化される－ことに留意されたい。アルゴリズムは、そのような各位置内で適用される。

【0029】

この概念は、図４に示されており、図４は、本開示の態様による位置ごとの処理を示す概略図であり、サンプル４０２、４０４、および４０６などの水平サンプルは、各プロービングパルス期間内の位置ごとであり、４０２、４１２、および４２２などの垂直サンプルは、各位置内にある。この処理は、４１０においてサンプルに適用されるように、位置ごとに行われる。

【0030】

１つの例示的な実施形態では、本開示の態様によるシステムは、異なる位置を同時に捕捉するために、複数の位置毎捕捉モジュールを有することに留意されたい。図３に関して、ブロック３０８は、割当ておよび解放を含むこれらの捕捉リソースを管理する。３０６によって検出された活動を持つ新しい位置がある場合、ブロック３０８は１つの捕捉ブロックを割り当てる。捕捉ブロックは、ある期間内に３０６から活動が検出されない場合に解放されるか、または同じパターンを検出し続ける。

【0031】

リソースが限られているため、ステージ２では一部の位置しか処理できない。そのため、リソースを効果的に割り当てる必要がある。一実施形態では、ブロック３０８は、各位置の活動状態を管理する。一例では、活動状態には、活動なし、調査活動、および繰り返し活動という３つのカテゴリがある。「活動なし」カテゴリの位置については、いったん３０６から活動が報告されると、ブロック３０８は、捕捉バッファを即座に割り当て、より詳細な分析のために「調査活動」カテゴリに位置を移動する。「繰り返し活動」カテゴリの位置については、それぞれの位置に、関連するタイマ、すなわち、タイマが終了すると、「調査」カテゴリまたは「活動なし」カテゴリのいずれかに位置が移動する。これは、「繰り返し活動」カテゴリにある間に、３０６から報告された活動があるか否かに依存する。

【0032】

「調査」状態に入ると、捕捉バッファが割り当てられる。「調査」状態から出ると、捕捉バッファは解放され、他の場所で使用することができる。「繰り返し活動」カテゴリ内の位置については、処理状態および／または決定は、次の「調査」状態での処理のために維持される。

【0033】

一実施形態では、「繰り返し活動」カテゴリ内の各位置は、活動が停止したかどうかを監視するために使用される別のタイマを有する。そのタイマが満了したときに活動が検出されないと、位置は、「活動なし」カテゴリに移動される。第１のタイマは、複数の活動の繰り返し期間に設定され、第２のタイマは、第１のタイマよりも短い。図５は、本開示の態様による状態管理を示すフロー図である。

【0034】

例示的な一実施形態では、位置を「繰り返し活動」カテゴリに移動するか否かは、利用可能な捕捉ブロックの数に依存する。使用量が少なく、位置が活動を検出し続ける場合、位置は、それが繰り返しパターンであるか否かに関わらず「調査」カテゴリに留まることができる。他の例示的な実施形態では、「調査」カテゴリ内の位置のためのタイムアウト値は、捕捉ブロックの使用率、ならびに３０６および３０８からの活動の関心の尤度に基づいて設定される。

【0035】

例えば、ブロック使用量を捕捉することが低い場合、タイマは、より大きな満了値を有することができ、位置が、３０６および３０８の両方から検出された活動の可能性が高い場合、タイマは、より低いタイムアウト値で構成され得る。

【0036】

処理能力および／または捕捉バッファを節約するために、ステージ２は、ステージ１から活動を報告した各チャネルを順次調査するという点で、「スキャニング」モードで動作することもできる。調査する位置については、位置を捕捉制御論理に構成し、その位置からサンプルを読み取り／分析する。調査が行われると、活動を報告した次の位置に移動し、動作を繰り返す。

【0037】

さらに他の例示的な実施形態では、第２ステージ処理は、第１ステージ決定モジュール３０６にフィードバックを提供する。モジュール３０６は、フィードバックを「トレーニング」として使用して、その検出精度を向上させ、３０８における処理作業負荷を低減する。さらに他の例示的な実施形態では、モジュール３０６は、３つのカテゴリ、すなわち「非常にありそうにない」、「ありそう」、および「非常にありそう」において決定を行う。第２ステージ処理３０８は、「ありそう」のカテゴリのみを処理する。最初に、「ありそう」のカテゴリの閾値はより広くして、第２ステージにさらなる研究を求める。訓練された知識およびより高い信頼性を用いて、第１ステージは、その閾値を調整する。

【0038】

第２ステージが詳細な分析に使用する情報には、信号電力レベル、電力スペクトル分布、および時間－周波数パターンが含まれるが、これらに限定されない。第２のステージは、他のものを無視しながら、関心のある周波数を選択することができ、または、活動を分析するために、信号電力パターン（複数可）を検査することができる。

【0039】

この時点で、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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】