特許 7602648 ＤＡＳ音響センシング能力を向上させるアクティブマイクロフォン

(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】2024-12-10

(45)【発行日】2024-12-18

(54)【発明の名称】ＤＡＳ音響センシング能力を向上させるアクティブマイクロフォン

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20241211BHJP

   G01H 3/00 20060101ALI20241211BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 E

G01H3/00 Z

G01D5/353 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023536985

(86)(22)【出願日】2022-01-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-09

(86)【国際出願番号】 US2022013068

(87)【国際公開番号】W WO2022159549

(87)【国際公開日】2022-07-28

【審査請求日】2023-06-16

(31)【優先権主張番号】63/139,380

(32)【優先日】2021-01-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/579,516

(32)【優先日】2022-01-19

(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】中村 圭伸

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２４５９７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１９－５０４３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５３７７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８６９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４３２９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／２６ － ５／３８

Ｇ０１Ｈ １／００ － １９／００

Ｈ０４Ｒ １／００ － ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分散型光ファイバセンシング（ＤＦＯＳ）／分散型音響センシング（ＤＡＳ）システムであって、
ある長さの光センシングファイバと、
前記光センシングファイバと光通信するＤＦＯＳ／ＤＡＳインタロゲータと、
前記光センシングファイバに物理的に接触している１つ以上のアクティブマイクロフォンノードとを有し、
前記１つ以上のアクティブマイクロフォンノードは、環境音を電気信号に変換するマイクロフォンと、前記電気信号の電力を増幅させる増幅器と、前記増幅された信号を対応する音に変換するスピーカとを含み、前記１つ以上のアクティブマイクロフォンノードは、前記スピーカによって生成された音を前記光センシングファイバに向けるように構成されている、ＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項2】

前記１つ以上のアクティブマイクロフォンノードは、環境音の電気信号があらかじめ決められた閾値を超えたときに前記アクティブマイクロフォンノードのスピーカに電力を供給するように構成された閾値回路を含む、請求項１に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項3】

環境音の電気信号があらかじめ決められた閾値を超えたときに前記アクティブマイクロフォンノードのスピーカに電力を供給するように構成されたマイクロコントローラ（ＭＣＵ）をさらに含む、請求項１に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項4】

前記ＭＣＵは、前記環境音の電気信号の振幅を決定し、該決定した振幅に応答して前記増幅器の利得を調整するように構成されたアナログ－デジタル変換器を含む、請求項３に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項5】

前記１つ以上のアクティブマイクロフォンノードは、環境音の電気信号があらかじめ決められた閾値を満たすときに前記ＭＣＵに割り込み信号を供給するように構成された１つ以上の閾値回路を含み、前記ＭＣＵは、前記割り込みを受信すると前記増幅器の利得を調整するように構成されている、請求項４記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項6】

環境音の電気信号が所定の期間、所定の閾値よりも低い場合、前記ＭＣＵは前記スピーカから電力を除去するように構成されている、請求項５に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項7】

前記ＭＣＵは、前記スピーカの効果によってノードの状態情報を音響信号に符号化し、前記スピーカを駆動して前記状態情報を前記ＤＦＯＳ／ＤＡＳインタロゲータに中継するように構成される、請求項３に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項8】

前記状態情報は、増幅器利得レベルを含む、請求項７に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【請求項9】

前記状態情報は、バッテリーの状態を含む、請求項７に記載のＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、分散型光ファイバーセンシング（ＤＦＯＳ）に関する。特に、分散型音響センシング（ＤＡＳ）能力を高めるためのアクティブマイクロフォンの使用に関するものである。

【背景技術】

【0002】

当業者であれば理解できるように、（ＤＦＯＳ）システムおよび技術は、光ファイバケーブルの近傍の振動信号や音響信号を感知し、感知した信号のタイムスタンプ付きデータストリームを生成して、意思決定者に貴重な情報を提供できることから、多くのアプリケーションで採用されている。この重要性を考えると、ＤＦＯＳ／ＤＡＳの能力を向上させる技術や構造は、この技術にとって歓迎すべきものである。

【発明の概要】

【0003】

本開示の態様によれば、多種多様なセンシングアプリケーションへの応用を有利に見出すＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム、方法、および構造に向け、技術の進歩がなされる。先行技術とは対照的に、本開示の態様によるＤＦＯＳ／ＤＡＳシステム、方法、および構造は、ＤＡＳの運用能力を高めるためにアクティブマイクロフォンを採用している。

【0004】

音声を含む音響信号を増幅するアクティブ回路を用いることで、ＤＦＯＳ／ＤＡＳシステムを強化するという側面もある。環境中の音響信号を収集するマイクロフォンと、増幅器で駆動するスピーカまたは振動デバイスを含む回路である。回路をファイバにクリップし、スピーカや振動デバイスを介して直接接触させることができる。マイクロコントローラは、局所的に活動を検出し、必要なときだけスピーカを有効にすることによって、電力消費を低減するために回路を制御するために有利に採用することができる。また、マイクロコントローラは、バッテリーの状態など他の情報を振動コードでＤＦＯＳインタロゲータへ送信することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0005】

本開示のより完全な理解は、その中の添付図面を参照することによって実現され得る。

【0006】

【図1】本開示の態様による例示的な配置の模式図である。

【0007】

【図2(A)】本開示の態様による、スピーカの有効化／無効化のための例示的な閾値を示す図である。

【図2(B)】本開示の態様による、スピーカの有効化／無効化のための例示的な閾値を示す図である。

【図2(C)】本開示の態様による、スピーカの有効化／無効化のための例示的な閾値を示す図である。

【0008】

【図3(A)】本開示の態様による、ＭＣＵによって制御される例示的なオン／オフスイッチの概略図および動作を示す流れ図をそれぞれ示す図である。

【図3(B)】本開示の態様による、ＭＣＵによって制御される例示的なオン／オフスイッチの概略図および動作を示す流れ図をそれぞれ示す図である。

【0009】

【図4】本開示の態様による、ＡＤＣデータを使用して増幅器利得を制御するＭＣＵを例示する模式図である。

【0010】

【図5】本開示の態様による、複数の閾値を使用して増幅器利得を制御するＭＣＵを例示する概略図である。

【0011】

例示的な実施形態は、図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、様々な形態で具体化され得、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るものではない。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下は、単に本開示の原理を説明するものである。したがって、当業者は、本明細書で明示的に説明または示されていないものの、本開示の原理を具現化し、その精神および範囲に含まれる様々な配置を考案することができることが理解されよう。

【0013】

さらに、本明細書で援用されるすべての例および条件付き言語は、本開示の原理および本技術を促進するために発明者によって貢献された概念を理解する際に読者を支援するための教育的目的のためだけのものであり、かかる具体的に援用された例および条件に限定されないものとして解釈されることが意図される。

【0014】

さらに、本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにその具体例を説明する本明細書のすべての記述は、その構造的および機能的等価物の両方を包含することが意図される。さらに、このような同等物には、現在知られている同等物と、将来開発される同等物の両方が含まれることが意図されている。つまり、構造に関係なく、同じ機能を果たす要素が開発されれば、その要素はすべて含まれる。

【0015】

したがって、例えば、本明細書における任意のブロック図は、本開示の原理を具現化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。

【0016】

本明細書で明示的に指定されない限り、図面を構成する図は縮尺通りに描かれていない。

【0017】

近年、分散型振動センシング（ＤＶＳ）や分散型音響センシング（ＤＡＳ）を含む分散型光ファイバセンシング（ＤＦＯＳ）システムは、インフラ監視、侵入検知、地震検知など、多くのアプリケーションで広く受け入れられているが、これらに限定されないことを、ここで改めて説明したい。

【0018】

当業者であれば、レイリー後方散乱分散型光ファイバセンシングが有利に、センシングファイバの長さに沿った任意の位置で発生する活動の同時検出を実行できることを理解し、納得するだろう。このような操作により、音声はもちろん、ファイバ長に応じた超音速まで検出することができる。この特性は、ファイバ長に沿った音響信号を検出するために有利に採用される。先行技術では、音響信号を収集するためのいくつかの解決策が報告されており、例えば、音響信号を直接検出するためにリニアファイバを使用したり、音響イベントから生じる振動を強化するためにファイバコイルを使用したりすることがある。しかし、リニアファイバは音声信号に対する応答性が非常に弱く、ファイバコイルはファイバの加工やレイアウトに特別な取り扱いが必要で、センシングリーチを犠牲にしてしまう。

【0019】

本開示の態様によるシステム、方法、および構造を示し、説明するように、アクティブ回路を採用して、音声信号を増幅し、ＤＯＦＳを用いて信頼性および再現性高く検出することができるようにする。本開示による例示的なアクティブ回路は、環境中の音響信号を収集するマイクロフォン、および増幅器によって駆動されるスピーカまたは振動デバイスを含む。

【0020】

有利なことに、このような回路は、スピーカや振動デバイスを介して直接接触しながら、光センシングファイバにクリップすることができる。本実施形態では、マイクロコントローラを採用し、局所的に活動を検知し、必要なときだけ出力スピーカを有効にすることで、電力消費を抑えるように回路を制御している。また、マイクロコントローラは、振動信号を通じて、電池の状態など他の情報をインタロゲータへ送信することもできる。

【0021】

これから説明するように、本開示は、音声振動信号を感知または増幅またはセンシング光ファイバに伝達するために、マイクロフォン、増幅器、スピーカを使用することにより、ＤＦＯＳ／ＤＡＳ動作を強化するシステム、方法、および構造を記述している。スピーカから発生する機械的な振動は、光ファイバと直接接触することでセンシング光ファイバに伝わり、その結果、インタロゲータで音声信号のＤＦＯＳが再現され、クリアな受信が可能になる。有利には、音声信号が検出されたときのみスピーカをオンにするマイクロコントローラを採用することができ、それにより低電力動作を提供することができる。最後に、このようなマイクロコントローラは、分析および対処のために、回路の状態または他の情報をＤＦＯＳインタロゲータに報告するように有利に構成される場合がある。

【0022】

前述のように、本開示の態様は、センシング光ファイバに沿って任意の場所の音響信号を同時に有利に回復する分散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ている。光結合型センシングファイバにプローブ信号を積極的に送り込み、ファイバから受信した反射・後方散乱信号を処理するインタロゲータが含まれている。

【0023】

１つの例示的な実施形態では、レイリー後方散乱は、直接検出またはコヒーレント検出のいずれかを使用して、分散型音響センシング（ＤＡＳ）に採用することができる。ファイバからの信号には、走行するすべての場所からの環境情報、特に振動や音響の情報が含まれている。ＤＡＳインタロゲータは、受信した信号を処理して、ファイバ上の各位置の振動信号をパルスまたはコードの繰り返し数まで抽出し、「サンプリング」された音響信号を再生またはさらなる処理に使用する。

【0024】

図１は、本開示の態様による例示的な配置の模式図である。この図から分かるように、このような例示的な配置は、ＤＡＳインタロゲータ、その光結合センシングファイバ、およびアクティブマイクロフォンを含む。例示的な実施形態では、アクティブマイクロフォンは、アプリケーションのニーズに応じて、１つまたは複数のマイクロフォン、増幅器、およびスピーカを含むことができる。動作としては、マイクロフォンが環境からの音響信号を受信し、増幅器の効果によって増幅し、スピーカを駆動するための代表的な信号が出力される。好ましい実施形態では、スピーカまたはパッケージデバイスは、光ファイバケーブルに直接接触し、増幅された出力音響信号を使用して、光ファイバへの取り付け点を機械的に刺激する。光ファイバケーブルがこのように刺激されると、センサの光ファイバケーブルに生じる機械的／振動的な信号が、音響センシング方式を使用してインタロゲータによって検出される。

【0025】

アクティブマイクロフォン

【0026】

消費電力を低減するために、アクティブマイクロフォンは、検出された環境信号（すなわち、音声または他の音）が閾値よりも大きい場合にのみスピーカを駆動するような閾値回路を含む場合がある。一実施形態では、閾値回路は、固定増幅器出力からの信号によって制御され、機械的なスイッチまたはトランジスタを駆動する。信号が閾値よりも大きいと、機械的なスイッチやトランジスタがオンになるため、スピーカが作動し、スピーカから音響信号が出力され、センサファイバに導かれる。１つの例示的な実施形態では、検出された信号範囲を拡大するために、スピーカはダイナミック利得増幅器によって駆動されるかもしれない。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図２（Ｃ）は、本開示の態様によるスピーカを有効／無効にするための例示的な閾値回路を示す。

【0027】

１つの例示的な実施形態において、アクティブマイクロフォンは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）を含む。ＭＣＵは、環境信号レベルに基づいてスピーカのオン／オフ動作を制御する。ＭＣＵは、割り込みを検出しながらも、低消費電力モードやハイバネーションモードで動作することがある。マイクロフォンの出力や増幅された信号は閾値ロジックを通過し、検出された音響信号レベルがあらかじめ決められた閾値より高い場合、割り込み信号を生成してＭＣＵをウェイクアップする。

【0028】

次に、本開示の態様による、ＭＣＵによって制御される例示的なオン／オフスイッチの概略図および動作を示すフロー図をそれぞれ示す図３（Ａ）、および図３（Ｂ）に注目すると、ＭＣＵは、図に示すように、スピーカの駆動回路を構成してスピーカをオンにすることができることが分かる。スピーカの電源が入ると、一定時間（Ｔ１）電源が入ったままになり、その間にＭＣＵがスリープ／低電力モードになることがある。Ｔ１が経過すると閾値回路からの割り込みが可能になり、再び時限スリープモードに入る（最大Ｔ２まで）。この間、閾値回路からの割り込みを検出した場合は、環境信号がまだ検出可能であることを示すため、スピーカをオンにしたままＭＣＵはＴ１のスリープモードに戻り、それ以外の場合は検出可能な信号がないため、スピーカをオフにして初期スリープモードとなる。なお、ダイナミック利得増幅器では、利得をＭＣＵでも制御することが可能である。

【0029】

図４は、本開示の態様による、ＡＤＣデータを使用して増幅器の利得を制御するＭＣＵを示す模式図である。ある例示的な例では、図に示すように、ＭＣＵはＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）を採用して、入力または増幅された信号をサンプリングして、利得を決定する。図３（Ｂ）のフロー図をさらに参照すると、ＭＣＵは、閾値回路の割り込みで起きたとき、または時限スリープＴ１の後にＡＤＣのサンプリング値を取得してもよく、図３（Ｂ）で参照した時限スリープ期間Ｔ１およびＴ２を、長さを短縮した複数のスリープに置き換えて、より細かい時間間隔で利得を制御できる。

【0030】

有利には、ＭＣＵは、本開示の態様による、複数の閾値回路を使用して増幅器利得を制御するＭＣＵを例示する概略図である図５に例示的に示されるように、増幅器利得制御のために複数の閾値回路を使用し得る。

【0031】

ｔｈ－１＜ｔｈ－２＜・・・＜ｔｈ－ｎと仮定する。初期状態では、ＭＣＵは閾値回路ｔｈ－１からの割り込みを有効にし、スリープモードに入る。割り込みで起きたＭＣＵは、スピーカの電源を入れ、増幅器の利得を最大に設定する。同時に、ｔｈ－２の高閾値割り込みを有効にする。ｔｈ－２からの割り込みが検出されると、ＭＣＵは対応する利得を設定し、次の上位の割り込みを可能にする。この動作は、割り込みが検出されないか、最高閾値レベルが有効になるまで続けられ。

【0032】

閾値回路ｔｈ－ｉに対応する各利得レベルにおいて、ｔｈ－ｉとｔｈ－（ｉ＋１）（ｉ＜ｎの場合）との両方の割り込みが有効である。設定された時間、ｔｈ－ｉからの割り込みが検出されなければ、ＭＣＵは利得レベルｔｈ－（ｉ－１）に入り、ｉ＝１ならスピーカを消してスリープ状態になる。

【0033】

ある実施態様では、利得レベルｔｈ－ｉにおいて、ｔｈ－１、ｔｈ－ｉ、ｔｈ－（ｉ＋１）の両方の割り込みが有効で、Ｔ１とＴ２（Ｔ１＜Ｔ２）のタイムアウト期間があり、Ｔ１期間において、ｔｈ－（ｉ＋１）を検出すると利得レベルｔｈ－（ｉ＋１）に入り、ｔｈ－ｉからの割り込みがなければ、ｔｈ－（ｉ－１）に入り、Ｔ２期間において、ｔｈ－１からの割り込みを検出しないとＭＣＵはスピーカをオフにしてスリープ状態となる。すなわち、時間帯Ｔ１において、検出信号がｔｈ－（ｉ＋１）よりも高ければｔｈ－（ｉ＋１）利得レベルに、ｔｈ－ｉよりも低ければｔｈ－（ｉ－１）レベルに、時間帯Ｔ２において、ｔｈ－１よりも低ければスリープモードに移行する。

【0034】

あるいは、ＭＣＵは固定時間間隔Ｔ１を使用し、各時間間隔の間に１回だけ利得を変更することができる。スピーカの電源投入後、ＭＣＵはｔｈ－１からｔｈ－ｎまでの全ての割り込みを有効にする。各時間間隔の終了時に、どの最大閾値に達したかをチェックし、その閾値レベルに利得を調整する。検出された信号がｔｈ－１よりも低い状態がＴ２期間続くと、スピーカをＯＦＦにしてスリープ状態になる。

【0035】

マイク状態報告

【0036】

その制御／監視にＭＣＵを採用し、音響信号の生成／再生にスピーカを使用する構成の場合、アクティブマイクロフォンはインタロゲータに埋め込み型状態報告を送信することができる。あるシナリオの例では、ＭＣＵは、アクティブマイクロフォンの状態情報と処理された環境情報とをインタロゲータへ送信する。動作的には、ＭＣＵが情報を音響信号に変調してスピーカを駆動し、スピーカ出力の効果でファイバを刺激することでインタロゲータに伝えるというものである。ＭＣＵが生成した信号は、検出／再生された信号と重ね合わせることも、再生経路を一時的に停止して状態報告のみを可能にすることで単独で使用することも可能である。送信情報は、バッテリーの状態などのマイクロフォンの動作状態を含むことができ、および／または、装置が通常の動作状態にあることをインタロゲータに通知する「アクティブ」報告を含むことができる。有利なことに、伝達された情報は、実際の音響信号レベルをインタロゲータに知らせる／決定させるために、利得設定または他の動作パラメータを含むこともできる。

【0037】

この時点で、いくつかの具体例を用いて本開示を示したが、当業者は、我々の教示がそれほど限定されていないことを認識するであろう。したがって、本開示は、本明細書に添付された請求項の範囲によってのみ限定されるべきものである。

【図1】

【図2(A)】

【図2(B)】

【図2(C)】

【図3(A)】

【図3(B)】

【図4】

【図4(A)】