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特表2024-536412ＭＩＭＯサンプリングと位相再合成を使用した分散型音響センシング感度向上
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-04
(54)【発明の名称】ＭＩＭＯサンプリングと位相再合成を使用した分散型音響センシング感度向上
(51)【国際特許分類】
G01H 9/00 20060101AFI20240927BHJP
【ＦＩ】
G01H9/00 E
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024521034
(86)(22)【出願日】2022-10-13
(85)【翻訳文提出日】2024-04-05
(86)【国際出願番号】 US2022046498
(87)【国際公開番号】W WO2023064427
(87)【国際公開日】2023-04-20
(31)【優先権主張番号】63/256,002
(32)【優先日】2021-10-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/964,899
(32)【優先日】2022-10-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】ホワン、 ユエ－カイ
(72)【発明者】
【氏名】イプ、 エズラ
【テーマコード（参考）】
2G064
【Ｆターム（参考）】
2G064BC12
2G064BC33
2G064CC17
(57)【要約】
本開示の態様は、ＭＩＭＯサンプリングおよび位相再合成による感度向上を示す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、方法、および構造を記載する。
【選択図】図１（Ａ）
【選択図】図１（Ａ）
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＭＩＭＯサンプリングおよび位相合成を使用する分散型光ファイバセンシング／分散型音響センシング（ＤＦＯＳ／ＤＡＳ）のための方法であって、マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳシステムであって、
光ファイバセンサケーブルと、
前記光ファイバセンサケーブルと光通信するマルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインテロゲータと、
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインタロゲータによって受信されたマルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳセンシングデータを分析するように構成された高機能なアナライザと、
を有するマルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳシステムを設けること、
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインタロゲータを動作させて、複数のチャネル上で前記光ファイバセンサケーブルを質問し、前記複数チャネルの前記光ファイバセンサケーブルからレイリー反射信号を受信すること、
前記複数のチャネルの前記受信したレイリー反射信号を合成して、望ましい位相雑音特性を示す位相信号出力を生成することを含む方法。
【請求項2】
前記受信したレイリー反射信号は、Ｔframeのチャネル質問期間で受信される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記インタロゲータによって生成された質問信号は、Ｔframeの数分の１だけ前記チャネルごとに時間的にずらされる、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインテロゲータの質問信号は、前記光ファイバセンサケーブルの単一ファイバに入射される、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記複数のチャネルは、複数の周波数分割多重化された周波数／波長チャネルを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインテロゲータの質問信号が、同じケーブル内の複数のファイバに入射される、請求項３に記載の方法。
【請求項7】
前記マルイチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインテロゲータの質問信号が、同じマルチコア光センサケーブルの複数のコアに入射される、請求項３に記載の方法。
【請求項8】
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインテロゲータの質問信号が、同じマルチモードファイバの複数のモードとして入射される、請求項３に記載の方法。
【請求項9】
隣接するチャネル間の時間オフセットはＴframe／Ｎであり、Ｎは前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳ ＭＩＭＯの動作におけるチャネルの数である、請求項３に記載の方法。
【請求項10】
前記マルチチャネルＤＦＯＳ／ＤＡＳインタロゲータは、単一の送信機・受信機構成（単一の送信／受信／周波数分割多重ＴＸ／ＲＸ ＦＤＭ）を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、分散型光ファイバセンシング（ＤＦＯＳ）システム、方法、及び構造に関し、より詳細には、ＭＩＭＯサンプリング及び位相再合成を使用した分散型音響センシング（ＤＡＳ）感度向上に関する。
【背景技術】
【0002】
分散型音響センシング（ＤＡＳ）は、設置された光ファイバケーブルの全長に沿ってインタロゲータが振動および音響信号を遠隔から検出できるようにする光ファイバセンシング技術である。ＤＡＳは、特にインフラストラクチャの監視、石油とガスの運用、地震検出などの幅広い用途に有利に適用できる。動作上、ＤＡＳは、光ファイバ内のレイリー散乱効果を利用して、局所的なファイバセグメントの動的歪みの変化を検出する。
【0003】
ＤＡＳシステムの１つの重要な特性は、その感度、すなわち、任意のファイバセグメントにおいて検出できる最も低い動的歪みである。短距離で測定した場合、ＤＡＳシステムの感度は、通常、平方根ヘルツあたり数ピコイプシロンから数十ピコイプシロン（ｐε／√Ｈｚ）程度である。
【0004】
現在のＤＡＳシステムは、所与の光ファイバケーブル長を質問するのに必要な往復時間によって決定される質問繰り返しレート制限を示す。その結果、「音響」サンプリングレートのナイキスト帯域幅は、光信号の帯域幅よりもはるかに低い。
【0005】
質問信号内には、レーザ位相雑音や加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）など、システム動作に影響を与える雑音源の組み合わせが存在する。十分な音響サンプリングレートが無いと、音響ナイキスト帯域外のシステム雑音を除去することができず、受信音響帯域に「折り返される」ため、回収されたＤＡＳ信号の位相ノイズフロアが上昇する。現在市販されているＤＡＳシステムでは、光サンプリングと音響サンプリングの間に１００倍以上のサンプリングレートの不一致があるため、現在のＤＡＳシステムの歪み感度は、分散動作のない離散位相干渉計と比較した場合、数桁ずれている可能性がある。
【0006】
このような特性を考慮すると、ＤＦＯＳ感度の向上は、当技術分野にとって歓迎すべきことである。
【発明の概要】
【0007】
ＤＦＯＳシステム、方法、および構造、より具体的には、ＭＩＭＯサンプリングおよび位相再合成を使用する分散型音響センシング（ＤＡＳ）の感度向上を対象とする本開示の態様に従って、当技術分野の進歩がもたらされる。
【0008】
従来技術とは明らかに対照的に、本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、大規模なＭＩＭＯサンプリングおよび位相再合成を介して強化されたＤＡＳ感度を提供し、サンプリングレートの不一致による回復されたＤＡＳ位相信号への余分な雑音折り返しを軽減する。有利には、同じ経路に沿って複数のチャネルを同期させながらＤＡＳの質問に使用することによって、本開示によるシステムおよび方法は、ＭＩＭＯ検出を使用して各チャネルの時間オフセットＤＡＳ結果を得る。次に、マルチチャネルＤＡＳの結果は、ＤＳＰで再合成され、帯域外レーザ位相雑音と加算性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）の抑制により、より高い忠実度を示す単相信号ストリームを生成することができる。
【0009】
これから図示して説明するように、本開示による本発明のシステムおよび方法は、ＭＩＭＯ質問およびＭＩＭＯ ＤＡＳ実装のためのＤＳＰ実装チャネル再合成を通じてＤＡＳ感度を向上させる。
【0010】
第１の態様から見ると、本発明のシステムおよび方法は、２つの方法、すなわち、時間インターリーブ法と時間調整法のうちの１つを採用する。本開示で採用される時間インターリーブ法は、音響サンプリングレートを高めて帯域外レーザ位相雑音およびＡＷＧＮを抑制するために使用される。時間調整方法は、異なるＤＡＳ ＭＩＭＯチャネルのサンプル間の時間オフセットを考慮し、位相信号をデジタル的に再合成する前に、対応する位相シフトを適用する。有利なことに、結果として得られるＤＡＳ出力は、各チャネルの本来の音響サンプリングレートを有し、また、レイリーフェージングに対してよりロバストであるなど、時間インターリーブ法と同じ感度向上を有する。
【0011】
本開示の態様によるシステムおよび方法のさらに別の態様は、複数の周波数チャネルを使用してＭＩＭＯ質問がどのように実行されるかを含む。有利なことに、これは光周波数での実装に限定されず、送信機と受信機のハードウェアを異なるチャネル間で共有できるため、そのような機能を提供する洗練された方法を提供する。周波数領域のＤＡＳ ＭＩＭＯでは、複数の周波数を使用する質問パルス／コードを時間的にずらして送信することにより、より高い音響サンプリングレートを実現し、ＤＳＰ再合成後の雑音抑制を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本開示のより完全な理解は、添付図面を参照することによって実現され得る。
【0013】
【図1(A)】本開示の態様によるＤＦＯＳシステムを示す概略図である。
【0014】
【図1(B)】本開示の態様による、帯域外信号生成を伴う符号化定振幅ＤＦＯＳシステムを示す概略図である。
【0015】
【図2】本開示の態様による、互い違いの質問信号を備えた例示的なＭＩＭＯ ＤＡＳアーキテクチャ構成を示す概略図である。
【0016】
【図3】本開示の態様による、単一のＴＸ／ＲＸ／ＦＤＭ構成を使用して実装される例示的なＭＩＭＯ ＤＡＳを示す概略図である。
【0017】
【図4(A)】本開示の態様による、帯域外雑音抑制のための複数のＤＡＳ結果を合成するアルゴリズムを示す図であって、時間インターリーブ法の図である。
【図4(B)】本開示の態様による、帯域外雑音抑制のための複数のＤＡＳ結果を合成するアルゴリズムを示す図であって、時間調整法の図である。
【0018】
【図5(A)】本開示の態様による、より高い音響サンプリングレートによるＤＡＳ感度の向上を示すプロットであって、低い音響サンプリングレートの図である。
【図5(B)】本開示の態様による、より高い音響サンプリングレートによるＤＡＳ感度の向上を示すプロットであって、高い音響サンプリングレートの図である。
【0019】
【図6(A)】本開示の態様による、ＦＤＭ ＭＩＭＯ ＤＡＳの例示的なサンプリングされた受信機スペクトルを示すプロットであって、８波長の図である。
【図6(B)】本開示の態様による、ＦＤＭ ＭＩＭＯ ＤＡＳの例示的なサンプリングされた受信機スペクトルを示すプロットであって、１６波長の図である。
【図6(C)】本開示の態様による、ＦＤＭ ＭＩＭＯ ＤＡＳの例示的なサンプリングされた受信機スペクトルを示すプロットであって、３２波長の図である。
【0020】
【図7】本開示の態様による大規模なＦＤＭ ＭＩＭＯを用いた例示的な平均ＤＡＳ感度を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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、当業者は本明細書に明示的に記載または図示されていないが、本開示の原理を具現化し、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。
【0022】
さらに、本明細書に記載されているすべての実施例および条件付き用語は、本開示の原理および技術を促進するために発明者によって寄与された概念を読者が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を意図しており、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と解釈されるべきである。
【0023】
さらに、本開示の原理、態様、および実施形態を記載する本明細書のすべての記述、ならびにその具体例は、その構造的および機能的等価物の両方を包含することを意図している。さらに、そのような等価物は、現在知られている等価物と、将来開発される等価物、すなわち、構造に関係なく同じ機能を実行する開発された要素との両方を含むことが意図されている。
【0024】
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は、当業者には理解されるであろう。
【0025】
本明細書で特に明記しない限り、図面を構成する図は、縮尺通りに描かれていない。
【0026】
追加の背景として、分散型光ファイバセンシング（ＤＦＯＳ）は、インタロゲータに順番に接続された光ファイバケーブルに沿って任意の場所で環境条件（温度、振動、音響励起振動、伸縮レベルなど）を検出するために重要で広く使用されている技術であることに注目することから始める。知られているように、現代のインタロゲータは、ファイバへの入力信号を生成し、反射／散乱され、その後受信された信号を検出／分析するシステムである。信号が分析され、ファイバに沿って遭遇する環境条件を示す出力が生成される。このように受信された信号は、ラマン後方散乱、レイリー後方散乱、ブリリオン後方散乱などのファイバ内の反射に起因する可能性がある。ＤＦＯＳは、複数のモードの速度差を利用した順方向の信号を使用することもできる。一般性を失うことなく、以下の説明では反射信号を想定しているが、同じアプローチを転送信号にも同様に適用できる。
【0027】
図１（Ａ）は、一般化された従来技術のＤＦＯＳシステムの概略図である。理解されるように、現代のＤＦＯＳシステムは、光パルス（または任意の符号化信号）を周期的に生成し、それらを光ファイバに注入するインタロゲータを含む。注入された光パルス信号は、光ファイバに沿って伝送される。
【0028】
ファイバに沿った位置では、信号のごく一部が反射され、インタロゲータに戻される。反射信号は、例えば、機械的振動を示す電力レベルの変化など、インタロゲータが検出するために使用する情報を伝送する。詳細には示されていないが、インタロゲータは、図１（Ｂ）に示すような当技術分野で知られているコヒーレント受信機構成を採用することができる符号化ＤＦＯＳシステムを含むことができる。
【0029】
反射信号は電気領域に変換され、インタロゲータ内で処理される。パルス注入時間と信号が検出された時間に基づいて、インテロゲータは信号がファイバ上のどの位置から来ているかを判断し、ファイバ上の各位置の行動を感知することができる。
【0030】
当業者であれば、質問信号に信号符号化を実装することにより、より多くの光パワーをファイバに送信することができ、これにより、レイリー散乱ベースのシステム（例えば、分散音響センシング、すなわちＤＡＳ）及びブリルアン散乱ベースのシステム（例えば、ブリルアン光時間領域反射率測定法、すなわちＢＯＴＤＲ）の信号対雑音比（ＳＮＲ）を有利に改善できることが理解し、認識するであろう。
【0031】
現在多くの現代的な実装で実装されているように、専用ファイバは光ファイバケーブルのＤＦＯＳシステムに割り当てられており、異なるファイバで伝送される既存の光通信信号とは物理的に分離されている。しかし、爆発的に増大する帯域幅需要を考慮すると、ＤＦＯＳ運用のみを目的として光ファイバを経済的に運用および維持することは非常に困難になってきている。その結果、より大きなマルチファイバケーブルの一部である共通のファイバ上に通信システムと検知システムを統合することへの関心が高まっている。
【0032】
動作上、ＤＦＯＳシステムは、コーディング実装を備えたレイリー散乱ベースのシステム（例えば、分散音響センシング、すなわちＤＡＳ）およびブリルアン散乱ベースのシステム（例えば、ブリルアン光時間領域反射率測定法、すなわちＢＯＴＤＲ）であると仮定する。このような符号化設計では、これらのシステムは、動作電力が低いため、ファイバ通信システムと統合される可能性が高く、光増幅器の応答時間の影響も大きくなる。
【0033】
この議論を踏まえて、本開示の態様によるシステム、方法、および構造が、前述のサンプリングレートの不一致に起因する、回復されたＤＡＳ位相信号への余分な雑音折り返しを有利に軽減することに再度留意する。同じ経路に沿って複数のチャネルを同期させながらＤＡＳの質問に使用することによって、本発明のシステムおよび方法は、ＭＩＭＯ検出を使用して各チャネルの時間オフセットＤＡＳ結果を得る。次に、マルチチャネルＤＡＳの結果は、ＤＳＰで再合成され、帯域外レーザ位相雑音とＡＷＧＮの抑制により、より高い忠実度を示す単相信号ストリームを生成することができる。質問を感知するための実効音響サンプリングレートを高めるためにＤＡＳの動作に複数のチャネルを使用することは以前に提案されているが、本開示の焦点は、ＤＳＰにおけるＭＩＭＯ質問およびそのチャネル再合成法を通じてＤＡＳ感度を高める方法の実装である。
【0034】
既に述べたように、本発明のシステムおよび方法は、２つの方法、すなわち、時間インターリーブ法および時間調整方法のうちの１つを使用する。従来技術では、時間インターリーブ法はマルチチャネルＤＡＳの実効サンプリングレートを高めるために使用されていたが、本開示によれば、音響サンプリングレートを高めて帯域外レーザ位相雑音およびＡＷＧＮを抑制するためにこの方法を採用する。異なるＤＡＳ ＭＩＭＯチャネルのサンプル間の時間オフセットを考慮する時間調整法では、位相信号をデジタル的に再合成する前に、対応する位相シフトを適用する。結果として得られるＤＡＳ出力は、各チャネルの本来の音響サンプリングレートを持ちながら、時間インターリーブ法と同じ感度向上を実現する。さらに、時間調整法はレイリーフェージングに対してよりロバストである。
【0035】
本開示によるシステムおよび方法のさらに別の特徴は、複数の周波数チャネルを使用して実行されるＭＩＭＯ質問に関する。これは光周波数での実装に限定されないだけでなく、送信機と受信機のハードウェアを異なるチャネル間で共有できるため、機能を実現する最も簡単な方法の１つであることがわかる。周波数領域のＤＡＳ ＭＩＭＯでは、複数の周波数を使用する質問パルス／コードを時間的にずらして送信することで、より高い音響サンプリングレートを実現し、ＤＳＰ再合成後の雑音抑制が可能となる。
【0036】
ここで再度指摘するように、本開示による本発明のＭＩＭＯ ＤＡＳ技術の重要な利点の１つは、ＤＡＳの感度を向上させるために帯域外雑音を抑制しながら、所与のファイバケーブル経路に対するＤＡＳシステムの音響サンプリングレートが結果として増加することである。
【0037】
図２は、本開示の態様による、互い違いの質問信号を備えた例示的なＭＩＭＯ ＤＡＳアーキテクチャ構成を示す概略図である。単一チャネルのＤＡＳと比較すると、図に示すこの方式は、複数のチャネルで質問を行い、各チャネルはＴframeの本来のチャネル質問期間で質問パルス／シーケンスを送信し、レイリー信号を受信する。ただし、異なるチャネル上の質問信号は、Ｔframeのわずかな部分だけ時間的にずれている。したがって、ＭＩＭＯ検出および処理後、異なるチャネルのＤＡＳ信号情報を合成して、位相ノイズフロアが低く、帯域外雑音が抑制された位相信号出力を生成することができる。
【0038】
図に概略的に示すように、光ファイバケーブル内でＭＩＭＯ ＤＡＳを実現する方法は複数ある。おそらく最も簡単な方法は、複数の周波数／波長チャネルを使用するＦＤＭを介して実装することである。この場合、必要なファイバは１本だけであり、光／電子ハードウェアは複数のチャネル間で共有できる。
【0039】
また、異なるファイバ、マルチコアファイバ（ＭＣＦ）の異なるコア、またはマルチモードファイバ（ＭＭＦ）の異なるモードを使用することによって、空間分割多重（ＳＤＭ）を介して実行することもできる。ＳＤＭでは、通常、チャネル間で共有できないため、複数の光／電子ハードウェアのセットが必要になる。また、ＭＣＦやＭＭＦで行う場合には、空間多重化・逆多重化も必要となる。
【0040】
図３は、本開示の態様による、単一のＴＸ／ＲＸ／ＦＤＭ構成を使用して実装される例示的なＭＩＭＯ ＤＡＳを示す概略図である。この図では、単一の送信機と受信機のセットアップを使用してＭＩＭＯ ＤＡＳを実装できることを説明するために、例示的なＦＤＭ ＤＡＳセットアップが示されている。このセットアップは、従来技術と比較して、質問信号の生成に大きな違いを示す。本開示の態様によれば、本発明の方式は、異なる周波数チャネル間の時間ずらしを利用して、実効的な音響サンプリングレートを増加させる。各分離チャネルのＴframeの本来のフレーム期間では、各チャネルの質問パルスまたはシーケンスは意図的に時間的にオフセットされる。したがって、ＮチャネルＭＩＭＯ ＤＡＳシステムでは、隣接チャネル間の時間オフセットはＴframe／Ｎとなり、有効音響サンプリングレートはＮ倍に増加する。
【0041】
有利なことに、ＦＤＭ ＤＡＳのこの特定の実装では、単一の送信機を使用して、すべてのチャネルについてのＭＩＭＯ質問信号を一緒に生成することができる。まず、センシングレーザは、音響光学変調器（ＡＯＭ）によって各周波数の光パルスが生成される前に、同相／直交変調器（ＩＱＭ）によって変調されて複数の周波数が連続的に生成される。変調器への変調信号は、一般的なＤＡＣまたは任意波形発生器から生成できる。必要に応じて、この構成を使用してチャネルごとにシーケンス／コードを生成することもできるため、実装はパルス質問だけに限定されないことに留意されたい。
【0042】
受信機では、各チャネルからのレイリー反射信号は、逆多重化することなく単一のコヒーレント受信機によって検出することができる。ＤＳＰの動作では、各ＦＤＭチャネルは、並列処理のためにメインのＤＡＳアルゴリズムに渡される前に、まずフィルタリングされ、デジタル的にベースバンドにダウンコンバートされる。各周波数チャネルのすべての位置 （システムの空間解像度によって定義される）について、アルゴリズムによって差動位相値が生成される。
【0043】
上述したように、本開示による発明のシステムおよび方法は、ＤＡＳ位相結果をＭＩＭＯ ＤＡＳの異なるチャネルからの単一ストリームに合成する２つの方法を採用しており、それらを図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、本開示の態様による、帯域外雑音抑制のための複数のＤＡＳ結果を合成するアルゴリズムを示す図であり、図４（Ａ）は時間インターリーブ法の図であり、図４（Ｂ）は時間調整法の図である。
【0044】
両方のアルゴリズムが、同じファイバ位置での複数の位相トリビュタリの組み合わせを扱うことに留意されたい。前述したように、第１の方法は時間インターリーブ法で、個々の本来のサンプリングレートが１／ＴのＮ個のチャネルがつなぎ合わされて、Ｎ／Ｔのより高いサンプリングレートを形成する。時間インターリーブの前に、各チャネルからの位相ベクトルが回転され、追加のインターリーブ雑音の発生を防止する。これは、ＬＰＦベースの合成アルゴリズムによって実行できる。
【0045】
時間調整による第２の方法は、個々のチャネルのタイミングオフセットを処理し、それらをまとめて、寄与する各サンプルが時間的に調整されるようにする。各チャネルを調整するために、各チャネルでＦＦＴとＩＦＦＴを実行し、
の対応する位相係数を乗算する。時間調整後、各チャネルからの位相結果が合計される前に、同じ位相ベクトル回転アルゴリズムを使用できる。最終的なＤＡＳの位相出力サンプリングレートは、個々のチャネルの本来のサンプリングと同じであることに留意されたい。
【数1】
【0046】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、本開示の態様による、より高い音響サンプリングレートによるＤＡＳ感度の向上を示すプロットである。図５（Ａ）は低い音響サンプリングレートであり、図５（Ｂ）は高い音響サンプリングレートである。これらの図では、より高い音響サンプリングレートがどのようにＤＡＳの歪み感度を向上させることができるかを説明する基本原理を示す。ＤＡＳ質問システムでは、レーザ位相雑音や加法性白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）の両方が最終的なＤＡＳ位相雑音に寄与し、感度性能が制限される。
【0047】
議論を容易にするために、レーザ位相雑音が主要な雑音源である短距離ＤＡＳ動作領域に焦点を当てる。図５（Ｂ）に示すように、１０～１００Ｈｚ以下の周波数では、レーザモジュールの機械的および温度的な分離の制限により、レーザ位相雑音は非常に高くなる。レーザ位相雑音は、レーザの本来の線幅に対応する安定したレベルまで徐々に減少する。
【0048】
レーザ位相雑音は、ＤＡＳ質問動作に固有のものであり、ＤＳＰの受信機ハードウェアＬＰＦおよびデジタルフィルタによって部分的にしかフィルタリングできないことに留意されたい。これらのフィルタの帯域幅は、通常、ＤＡＳの空間分解能要件に従って設計されているため、質問往復時間によって制限される音響サンプリング帯域幅よりもはるかに広い。したがって、短距離で比較的高い繰り返しレートを使用しても、ナイキスト帯域幅の外側に適切にフィルタリングできない多くの位相雑音が存在し、それらがＤＡＳの音響帯域幅に折り返され、位相ノイズフロアが大幅に上昇する。例えば、～１０ｋＨｚの繰り返しレート（１０ｋｍの距離の場合）と～１０ＭＨｚの信号フィルタリング（１０ｍの空間分解能の場合）では、音響サンプリングレートが不十分なため、雑音レベルが約３０ｄＢ増加する。
【0049】
本開示による本発明のシステムおよび方法により、音響サンプリングレートは、ＭＩＭＯ ＤＡＳ質問によって効果的に増加させることができる。図５（Ｂ）に示したように、サンプリングレートが高くなると、ナイキスト帯域の外側に存在する雑音の量は実質的に少なくなり、折り返される雑音が少なくなるため、帯域内位相ノイズフロアが減少する。したがって、本開示によるＭＩＭＯ ＤＡＳの実装は、高周波信号の検出および識別のためにより広いＤＡＳ帯域幅を達成することを目的とするのではなく、より高い音響サンプリングレートによって帯域内位相雑音を抑制することを目的とすることに留意されたい。
【0050】
仮に、前述のＤＡＳシステム上で１０ｋＨｚの繰り返しレートで１００×ＭＩＭＯが実行された場合、理論上、位相雑音を２０ｄＢだけ抑制することができる。
【0051】
また、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に例示した動作を調べることによって、ノイズフロアがどのように抑制されるかを確認することもできる。時間インターリーブ法の場合、検出されたＤＡＳ位相は、次のように表すことができる。
【数2】
【0052】
時間インターリーブ結果は、（ｋ＝ｍ・Ｎ＋ｎ－１）
となる。
【数3】
【0053】
最終結果が示すように、歪み信号
と付随するレーザ位相雑音
の両方のサンプリングレートをＮ倍に効果的に増加させた。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示されるように、固有位相雑音がはるかに広い帯域幅を有すると仮定すると、雑音レベルはオーバーサンプリングによって効果的に低減することができる。各チャネルのＡＷＧＮレベルが類似していると仮定すると、３番目の項は
と書くことができ、平均雑音レベルがＮ倍高くサンプリングされた単一のＡＷＧＮとして見ることができる。レーザ位相雑音と同じ引数（argument）を使用すると、ＡＷＧＮによって引き起こされる実効ＤＡＳ位相ノイズフロアは、サンプリングレートが高いほど抑制される。
【数4】
【数5】
【数6】
【0054】
時間調整法では、ＤＳＰの動作は次のように記載できる。
【数7】
【0055】
最終的な時間インターリーブ結果は、
となる。
【数8】
【0056】
結果の最初の２つの項
と
は、歪み信号と音響帯域幅内のレーザ位相雑音について、すべてのトリビュタリから同じサンプリングレートで同じ位相結果が得られることを示している。最後の２つの総和項では、異なるチャネルからの異なる帯域外レーザ位相雑音およびＡＷＧＮが考慮される。帯域外レーザ位相雑音の場合、ＦＦＴ／ＩＦＦＴで調整できる周波数領域の外側に存在するため、雑音強度はコヒーレントに加算される。ＡＷＧＮ雑音についても、寄与するチャネルが異なるので同じである。同様のＡＷＧＮレベルを仮定すると、
を得る。
【数9】
【数10】
【数11】
【0057】
上記の式から、単一チャネルＤＡＳが帯域外レーザ位相雑音とＡＷＧＮによって支配されている場合、ＮチャネルのＭＩＭＯ－ＤＡＳを使用すると、時間調整法によって雑音レベルをＮ倍抑制することができる。
【0058】
ＭＩＭＯ－ＤＡＳを使用して位相雑音の抑制を確認するために、説明した概念に基づいていくつかの実験を行った。市販のセンシングレーザを使用したベースラインのシングルチャネルＤＡＳは、
の歪み感度
を達成することができ、～２０ｋＨｚの繰り返しレート（５ｋｍの距離)および１０ＭＨｚのフィルタ帯域幅（１０ｍの分解能）で動作するＦＤＭ ＤＡＳを実装して図３に示すようなＭＩＭＯ－ＤＡＳを実現した。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）に示すように、５０ＭＨｚ間隔および４０ｎｓパルスカービングを有するＡＷＧを使用して、合計８、１６、および３２の周波数チャネルが生成される。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）は、本開示の態様による、ＦＤＭ ＭＩＭＯ ＤＡＳの例示的なサンプリングされた受信機スペクトルを示すプロットである。図６（Ａ）は８波長、図６（Ｂ）は１６波長、図６（Ｃ）は３２波長のものである。
【数12】
【数13】
【0059】
単側波帯（ＳＳＢ）信号の変調および検出は、送信機および受信機からのＩ／Ｑ不均衡によるペナルティを回避するために使用される。各チャネルのＤＡＳ信号は、提案された２つの方法を使用して合成される前に、ＤＳＰで個別に処理される。
【0060】
スペクトログラム、位相プロット、および位相スペクトルにおいて、８つの周波数で時間調整法を使用したＦＤＭ ＤＡＳの結果を決定した。出力されるＤＡＳの結果は、同じ２０ｋＨｚのサンプリングレートである。これらの結果から、１．２６７ｋＨｚ、０．１６ｒａｄの信号の伸長信号がはっきりと確認でき、ＰＺＴの位置を特定することができる。位相スペクトルを調べると、８周波数システムでは、
のノイズフロアレベルが得られ、単一周波数のＤＡＳと比較して約８倍向上していることがわかった。
【数14】
【0061】
別の実験では、時間インターリーブ法を使用して、最終的なＤＡＳ結果を構築した。時間インターリーブにより、最終的な音響サンプリングレートは１６０ｋＨｚである。結果プロットにおいて、より広帯域の雑音が存在するため(これは、さらなるデジタルフィルタ処理で除去できる)、位相プロットには、時間調整実験と比較してより多くの雑音が含まれるが、ストレッチャーの位置と適用された信号も取得することができる。位相スペクトルを調べたところ、雑音レベルは時間調整法と同様であることがわかった。ただし、スペクトログラムでは、この方法によって追加のインターリーブ雑音が追加されることに留意されたい。
【0062】
図７は、本開示の態様による大規模なＦＤＭ ＭＩＭＯを用いた例示的な平均ＤＡＳ感度を示すプロットである。この図では、２つの異なる合成法を使用してＭＩＭＯ－ＤＡＳの性能を比較する。時間調整法は、時間インターリーブ法よりも優れた性能を達成することがわかった。性能差の原因は、レイリーフェージングによるものと考えられる。各周波数チャネルのレイリー応答は異なるため、ＳＮＲが平均より大幅に悪いチャネルが必ず存在する。時間インターリーブでは、１つの不良チャネルが全体的な性能に影響を与える可能性があるため、合成された結果はフェージングの影響を受けやすくなる。一方、時間調整法は、全チャネルの位相平均を使用して位相雑音を抑制し、平均化によりフェージングを軽減することもできる。各周波数チャネルを２０ｋＨｚ（５ｋｍのテストスプール）でサンプリングすると、３２チャネルを使用し、～２ＧＨｚの合計ＴＸ／ＲＸ帯域幅を使用して、記録的に低い
を達成することができる。時間調整法の唯一の欠点は、出力音響帯域幅が低いことである。
【数15】
【0063】
本発明の２つの合成方法は、連続的に一緒に使用することもできることに留意されたい。したがって、すべてのチャネルを時間インターリーブまたは調整する代わりに、最初に隣接するチャネルに対して時間調整を実行してフェージングを緩和し、位相雑音性能を向上させ、後で時間インターリーブを実行してより高い周波数の音響信号を検出することができる。これにより、位相雑音性能と出力音響帯域幅の間のより緩やかなトレードオフ曲線が得られる。最後に、ＡＷＧＮが主な雑音源である場合、大規模なＭＩＭＯ ＤＡＳは、長距離でコード化されたＤＡＳと組み合わせて使用することもできる。その結果、図３に示す質問パルスは、個々のＤＡＳチャネルの光ＳＮＲを向上させるためにコードシーケンスに置き換えられる。
【0064】
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、当業者であれば、本発明の教示がそれ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限定されるべきである。
【図1(A)】
【図1(B)】
【図2】
【図3】
【図4(A)】
【図4(B)】
【図5(A)】
【図5(B)】
【図6(A)】
【図6(B)】
【図6(C)】
【図7】
【国際調査報告】