(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的に透明な媒体における光路長変化の定量的な分布測定のためのシステム及び方法に関し、特に、光学的に透明な媒体内の光路に沿った光位相変動の定量的な分布測定のためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
本発明は、主として、音響、弾性、地震、振動、熱又は運動エネルギーによって引き起こされる光ファイバに沿った光路長変化の定量的な分布センシングのための方法及びシステムにおける使用に関して開発されており、以下、この用途を参照して説明される。しかしながら、本発明がこの特定の分野での使用に限定されないことが理解されるであろう。
【背景技術】
【０００３】
本明細書中での背景技術の如何なる議論も、そのような背景技術が先行技術であることを認めるものとしてみなされるべきでなく、また、そのような背景技術が豪州において若しくは世界的に広く知られている又は当該分野における技術常識の一部を形成していることを認めるものとしてみなされるべきではない。
【０００４】
特許又は特許出願を含め、本明細書中で引用される全ての参考文献をここに援用する。いずれかの参考文献が従来技術を構成することを認めるものではない。参考文献の説明は、それらの著者が主張していることを述べるものであり、本出願人は、引用文献の正確性及び適切性に異議を申し立てる権利を留保する。明瞭に理解されることには、多数の従来技術文献がここで参照されるが、この参照は、それらの文献のいずれかが豪州又はその他の国において技術常識の一部を構成することの自認を構成するものではない。
【０００５】
国境保障又はインフラ保障のための外乱検出の用途では、単一の外乱点のみの（定量的測定なしでの）検出及び位置特定がしばしば必要とされる。ＳｉｋｏｒａのＵＳ７９９５１９７Ｂ２（特許文献１）は、光ファイバ上の１つだけの外乱を検出するために使用される連続波インコヒーレント光源を開示しているが、ファイバに沿った外乱の点を位置特定する方法を教示していない。ＨｅａｌｅｙのＵＳ８６７０６６２Ｂ２（特許文献２）は、そのような１つだけの外乱が周波数変調によってどのように位置特定され得るかを提案することによって、Ｓｉｋｏｒａの教示を発展させている。しかしながら、ＳｉｋｏｒａとＨｅａｌｅｙはどちらも、外乱を検出するために、専ら後方散乱光の強度変化を検出することに頼っており、位相を直接的に測定することができない１つの強度検出器のみを用いている。ファイバ上の外乱の大きさとその結果として生じる強度揺らぎとの間には、高度に非線形で非一意的な関係が存在する。従って、実際の動作において光路長変化（又は例えば歪みなどのその他の物理パラメータ）を正確且つ曖昧さなく測定することは不可能である。また、Ｓｉｋｏｒａは、多重的な外乱をそれらの固有の分光的特徴を用いて区別することを提案している。これは、多重外乱を位置特定するために外乱についての予備知識を必要とする。従って、Ｓｉｋｏｒａ及びＨｅａｌｅｙによって教示された方法は、例えば、センシング媒体内の複数の光路長変化を測定することといった、分布センシングの手段を提供しない。
【０００６】
例えばＵｄｄのＵＳ６４５９４８６Ｂ１及びＶａｋｏｃのＥＰ１４９６７２３Ｂ１にて教示されているようなサグナック（Ｓａｇｎａｃ）ベースのファイバセンシングシステムは、広帯域光源又はインコヒーレント光源を用いて動作することができる。しかしながら、それらは、サグナック効果を利用するために双方向光路又は対向伝播光路に頼っており、自明なことに、分布した後方散乱の状況（センシングファイバの両端へのアクセスが提供されない）に拡張されない。
【０００７】
より最近になり、例えば地震波又は音響波記録などのその他の用途が、ファイバに沿ったファイバ歪み変化の定量的で高感度の分布測定を可能にする高度なシステム設計を必要としている。この技術の適用は、油田及びガス田での地震探査、水圧破壊貯水池刺激における微小地震動モニタリング、地盤調査、及び流体流測定を含んできた。これらの適用を可能にするための技術進歩は、使用されるシステムのいっそう高いコスト及び複雑さをもたらしてきた。
【０００８】
分布振動センシングとしても知られる分布音響センシング（ＤＡＳ）は、典型的には光ファイバである光学的に透明な媒体からのレイリー後方散乱を用いて、分布してファイバの全長に沿った光ファイバの物理特性の小さな変化を測定する方法である。
【０００９】
一般に、分散型センサとして（ケーブルジャケットの保護ありで又はなしで）光ファイバを使用することで、多数のポイントセンサを置き換えることができる。結果として、非常にコスト効率が良くて重量・空間効率が良いセンサシステムが利用可能となる。何故なら、それは、同じファイバから信号を送信し、受信し、そしてセンシングすることができる１本のファイバのみを必要とし、また、温度、応力、振動、及び音響エネルギーにおける局所的な変化を表示するのに１つのモニタのみで十分であるからである。さらに、光ファイバは、過酷な環境、高温での動作によく適応されており、電磁干渉によって誘起されるダメージ又はノイズを免れる。このかなり軽量であるという利点は、ポイントファイバセンサと比較しても、特に例えばパイプライン、井戸、鉄道、道路、コンベヤ、橋梁、トンネル、建物及びフェンスなどの長い線状の資産のモニタリングに関して、光ファイバ内に分布した光散乱に基づく分散型センサを、最も万能なモニタリングオプションの１つとする。
【００１０】
既知のＤＡＳシステムは、高度にコヒーレントな（狭帯域）レーザエネルギーパルスを光ファイバに結合し、光ファイバの微視的な不完全性と不均一性から生じるレイリー後方散乱を解析することによって機能する。光パルスは、入力からファイバに沿って遠（遠位）端まで進むにつれて、それら微視的不完全性／不均一性から反射する。そのような相互作用が少量の光を後方散乱させて入力端に戻させ、そこでそれらが検出されて分析される。音響波は、光ファイバをなす材料と相互作用するとき、微視的構造における伸びと、屈折率における小さな変化とを生み出す。これらの変化は後方散乱特性に影響を及ぼし、検出可能なイベントとなる。時間ドメイン技術を用いて、イベント位置が正確に決定され、１メートル以下の分解能を持つ完全分散型のセンシングを提供する。
【００１１】
ＤＡＳは、測定を達成するために非線形ブリルアン後方散乱を使用しないという点で、従来の分布歪みセンシングとは異なる。これは、非常に高感度、線形、且つ高速な分布測定を可能にする。例えば、２ｋＨｚより高い測定レート及び１０ｍより短い空間分解能で、サブナノメートル歪み感度をＤＡＳで達成することができる。
【００１２】
しかしながら、以前のＤＡＳシステムは全て、光源のコヒーレンス長及び付随する位相雑音が、システムの信号対雑音比を制限し、それにより感度を制限する主要な要因であるという同じ欠点に悩まされている。従って、長距離にわたるＤＡＳでは、前方に伝播する光と後方に伝播する光とが干渉して、戻り信号の解析を行うために使用される干渉信号を生成することを可能にするよう、システムに使用される光源が非常に狭帯域（狭い線幅）であり、従って、非常に高いコヒーレンス長を持たなければならない。一部のＤＡＳシステムにおいて、コヒーレンス長は、実用的な距離にわたってのレイリー後方散乱信号の解析を可能にするために、何十キロメートルほどの高さとなり得る。当然ながら、ソース光信号がこのような高いコヒーレンス長パラメータを満足することを必要とすることは、ＤＡＳシステム全体にかなりの複雑さ及びコストを追加する。
【００１３】
既存のＤＡＳシステムの更なる欠点は、前方伝播光とセンシング媒体それ自体との間の非線形相互作用の前にセンシング媒体（例えば、光ファイバ）に送達され得る光パワーについての制限であり、それが、何十又は何百メートルを超えて伝播可能な光パワーを制限してしまい、又はレイリー後方散乱信号を破損させる位相及び強度変調を導入してしまい得る。光ファイバにおける典型的な非線形効果はいわゆる変調不安定性であり、これは、長距離ＤＡＳシステムにおいて位置依存信号フェーディングを誘起し得るものである。このフェーディングは、一部の位置での干渉信号の完全なマスキング、ひいては、それらの位置での感度の損失につながる。特に制限となり得る光ファイバにおける別の典型的な非線形効果はブリルアン散乱であり、これは、１００ｍＷほどの小さな入力パワーレベルでレイリー後方伝播信号の損失をもたらすかなりの影響を呈し得る。レイリー後方散乱は非常に弱い現象であるため、これは、センシングファイバ内で使用可能な光パワーの量を制限することによって、システムの感度を直接的に制限してしまう。
【００１４】
ＤＡＳの現在採用されている方法は、コヒーレント光時間領域反射測定（coherent  optical  time  domain  reflectometry；ｃ−ＯＴＤＲ）又はコヒーレント光周波数領域反射測定（coherent  optical  frequency  domain  reflectometry；ｃ−ＯＦＤＲ）に基づいている。これらどちらの方法でも、かなり高い度合いの時間的コヒーレンスを持つ狭帯域レーザが使用されている（狭帯域）。この方法の変形に応じて、コヒーレンス長は１０ｍより大きくなり得るが、これより遥かに大きいことが多く、しばしば１００ｋｍより遥かに大きい。
【００１５】
一般に、ｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲにおいて、低コヒーレンスのレーザは、測定の位相雑音に直接的に負の影響を及ぼし、それ故に、システムの感度をひどく制限する。さらに、多くの形態、特に、ローカル発振器を用いたヘテロダイン検出を伴う形態では、レーザのコヒーレンス長がセンシングファイバの最大長を直接的に決定するので、長い測定距離を可能にするためには非常に高い度合いのコヒーレンスが不可欠である。
【００１６】
他方で、高コヒーレンスのレーザは典型的に、より高いコスト、より高い複雑性、及び制御されない環境内での輸送又は動作中の乏しいシステム堅牢性をもたらす。光源又はシステムの振動は、システム性能をひどく損ね得る。さらに、狭帯域／狭線幅及び故に高度にコヒーレントなレーザ源は、例えば誘導ブリルアン散乱、４波混合、及び変調不安定性などの、光ファイバにおけるいっそう低い非線形閾値に悩まされ、それら低い閾値が、光ファイバ内に発射され得る光パワーを制限する。光源に対するコヒーレンス要件はまた、コヒーレンスを悪化させることなくソースを直接的に変調することを困難にする。従って、システムのコスト及び複雑さを追加する外部変調器が必要とされる。
【００１７】
ほぼ単色の又はコヒーレントな光源をＤＡＳに使用することの更なる他の制限は、光ファイバからのレイリー後方散乱がファイバに沿ってランダムな振幅変動を呈することである。（信号フェーディングとして知られている）比較的低い又はゼロの振幅の位置では、それぞれ、位相が不正確に測定され又は定義できない。これは、コヒーレント光時間領域反射測定（ｃ−ＯＴＤＲ）及びコヒーレント光周波数領域反射測定（ｃ−ＯＦＤＲ）システムにおける有意な誤差の原因であり、システム感度に負の影響を及ぼす。この制限を克服するために、Ａ．Ｈ．Ｈａｒｔｏｇらによって論文“The  use  of  multi  frequency  acquisition  to  significantly  improve  the  quality  of  fibre  optic  distributed  vibration  sensing”，Geophysical  Prospecting  Vol  66,  Issue  S1,  (2017)（非特許文献１）にて教示されるように、異なる周波数にある複数の高コヒーレンスレーザ源をシステム内で同時に使用し、フェーディングを軽減するようにそれらの信号を組み合わせることができる。複数の高コヒーレンス源及び複数の周波数は、ＤＡＳシステムにかなりのコスト及び複雑さをもたらす。
【００１８】
従って、向上されたノイズ除去能力、高められた外乱位置特定精度、向上された振動耐性、向上された堅牢性、安定性及び信頼性を有し、また、最小限のシステムコスト及び複雑さを伴う、媒体内の多重的な光路長変化の問い合わせ及び検出を行うための真の分布センシングシステム及び方法が望まれる。
【００１９】
定義
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。
【００２０】
別段の定義がない限り、ここで使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。更に理解されることには、ここで使用される用語は、本明細書及び関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、ここでそのように明示的に定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式張った意味では解釈されるものではない。本発明の目的で、追加の用語が以下に定義される。また、ここで定義及び使用される全ての定義は、特定の用語の意味に疑いがない限り、辞書定義、援用する文書での定義、及び／又は定義される用語の通常の意味を支配するように理解されるべきであり、疑いがある場合に、その用語の一般的な辞書定義及び／又は一般的な用法が優先することになる。
【００２１】
本発明の目的で、以下の用語を以下に定義する。
【００２２】
冠詞“ａ”及び“ａｎ”は、ここでは、冠詞の文法的対象が１つ又は２つ以上（すなわち、少なくとも１つ）であることを指すために使用される。例として、“ａｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ”は、１つのｅｌｅｍｅｎｔ又は２つ以上のｅｌｅｍｅｎｔを指す。
【００２３】
用語“約”は、ここでは、参照量に対して３０％程度だけ、好ましくは２０％程度だけ、より好ましくは１０％程度だけ変わり得る量を指すために使用される。数を修飾するための用語‘約’の使用は、単に、その数が正確な値として解釈されるべきでないことを明示的に指し示すものである。
【００２４】
本明細書を通して、文脈が別のことを要求していない限り、用語“有する”及び“有している”は、他のステップ若しくは要素又は他の複数のステップ若しくは要素の群を除外することを意味するのではなく、述べられるステップ若しくは要素又は複数のステップ若しくは要素の群を含むことを意味するように理解される。
【００２５】
ここで使用される用語“含んでいる”又は“含む”のいずれも、他のものを排除するのではなく、その用語に続く要素／機構を少なくとも含むことを意味するオープンな用語である。従って、“含んでいる”は、“有している”と同義であり、それを意味する。
【００２６】
特許請求の範囲、並びに以上の概要及び以下の説明において、例えば、“有している”、“含んでいる”、“担持している”、“持っている”、“包含している”、“伴っている”、“保持している”、“で構成される”、及びこれらに類するものなどの、全ての移行句は、オープンエンドな、すなわち、“含むがそれに限定されない”を意味するように理解されるべきである。“からなる”及び“基本的にからなる”なる移行句のみが、それぞれ、クローズド又は準クローズドな移行句である。
【００２７】
好適な方法及び材料が記載されるが、本発明の実施又は試験において、ここに記載されるものと同様の又は等価な方法及び材料を使用することができる。理解されることには、ここに記載される方法、装置及びシステムは、多様なやり方で多様な目的のために実装され得る。ここでの記載は、単なる例示である。
【００２８】
“及び／又は”という句は、本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、そのように結合された要素のうちの“いずれか又は双方”、すなわち、ある場合には共に存在し、他の場合には分かれて存在する要素を意味するように理解されるべきである。“及び／又は”を用いて列挙された複数の要素も同様に解釈されるべきであり、すなわち、そのように連結された要素のうちの“１つ以上”として解釈されるべきである。具体的に特定された要素に関連するか関連しないかにかかわらず、“及び／又は”なる句によって具体的に特定された要素以外の要素がオプションで存在し得る。従って、非限定的な例として、“Ａ及び／又はＢ”への言及は、例えば“有している”などのオープンエンドな語とともに使用されるとき、一実施形態においてＡのみ（オプションでＢ以外の要素を含む）、他の一実施形態においてＢのみ（オプションでＡ以外の要素を含む）、更なる他の一実施形態においてＡ及びＢの双方（オプションで他の要素を含む）を指し得る、等々である。
【００２９】
ここで本明細書及び特許請求の範囲において使用されるとき、“又は”は、上で定義した“及び／又は”と同じ意味を持つように理解されるべきである。例えば、リスト中のアイテムを分けるとき、“又は”又は“及び／又は”は、包含的である、すなわち、幾つかの又はリストの要素のうちの、２つ以上をも含めて、少なくとも１つと、オプションでリストにない追加のアイテムとを含むとして解釈されるものとする。例えば“のうちの１つのみ”又は“のうちのまさに１つ”などの、それとは異なることが明瞭に指し示された用語のみが、あるいは、特許請求の範囲で使用されるときの“からなる”は、幾つかの又はリストの要素のうちのまさに１つの要素を含むことを指す。概して、ここで使用される用語“又は”は、例えば“いずれかの”、“のうちの１つ”、“のうちの１つのみ”、又は“のうちのまさに１つ”などの排他性の用語が先立つときにのみ、排他的な選択肢（すなわち、“一方又は他方であるが双方ではない”）を指し示すとして解釈されるものとする。“基本的にからなる”は、特許請求の範囲で使用されるとき、特許法の分野において使用されるその通常の意味を持つものとする。
【００３０】
ここで本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、１つ以上の要素のリストを参照しての、“少なくとも１つ”という句は、要素のリスト内の要素のうちの任意の１つ以上から選択される少なくとも１つの要素を意味するように理解されるべきであり、必ずしも、要素のリスト内に具体的に列挙された全ての要素各々を少なくとも１つ含むわけではなく、また、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するわけではない。この定義はまた、“少なくとも１つ”という句が言及している要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連していようといなかろうと、オプションで存在してもよいことを許す。従って、非限定的な例として、“Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ”（又は等価的に“Ａ又はＢの少なくとも１つ”、又は等価的に“Ａ及び／又はＢの少なくとも１つ”）は、一実施形態において、オプションで２つ以上を含めて少なくとも１つのＡであり、Ｂは存在しない（及びオプションでＢ以外の要素を含む）ことを指すことができ；他の一実施形態において、オプションで２つ以上を含めて少なくとも１つのＢであり、Ａは存在しない（及びオプションでＡ以外の要素を含む）ことを指すことができ；更なる他の一実施形態において、オプションで２つ以上を含めて少なくとも１つのＡ及びオプションで２つ以上を含めて少なくとも１つのＢ（及びオプションで他の要素を含む）を指すことができる。
【００３１】
本明細書の目的で、方法ステップがシーケンスで記述される場合、そのシーケンスは、そのシーケンスを解釈する他の論理的なやり方がない限り、必ずしも、それらのステップがそのシーケンスにおける時系列的順番で実行されることを意味しない。
【００３２】
さらに、本発明の特徴又は態様がマーカッシュ群に関して記述される場合、当業者が認識することには、それによって、そのマーカッシュ群のいずれかの個々のメンバー又はメンバーのサブグループに関しても本発明が記述されていることになる。
【００３３】
ここで本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、電磁波源に関しての“広帯域ソース”という句は、２つ以上の周波数を有する電磁波を生成するソースを意味するために使用される。広帯域ソースの周波数は、周波数のレンジ内で連続的であってもよいし離散的であってもよく、あるいは、双方の組み合わせであってもよい。広帯域ソースの周波数は、例えば、増幅器の増幅自然放出（Amplified  Spontaneous  Emission；ＡＳＥ）、ＳＬＥＤ、マルチモードレーザ、又は複数の独立レーザの結合出力など、ランダムな又は不定の位相関係（すなわち、インコヒーレント又は部分コヒーレント）を持ち得る。広帯域ソースはまた、モードロックレーザ、振幅変調レーザ、偏光変調レーザ、又は周波数／位相変調レーザから期待されるように、周波数間に定まった又は固定された位相関係（すなわち、コヒーレント）を持つことがある。
【００３４】
ここで本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、“位相・振幅受信器”は、２つの電磁波入力（例えば、光入力）間の位相差（完全な直交決定を有する、すなわち、２πラジアンの範囲内で曖昧さを有しない）と、２つの電磁波入力（例えば、光入力）間の干渉の振幅との、２つのパラメータを正確に測定して出力することができる受信器システムを記述するために使用される（あるいは、受信方法を記述するために“位相・振幅測定”が使用される）。
【００３５】
ここで本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、“光周波数”という句は、１×１０１３Ｈｚから３×１０１５Ｈｚまでの範囲内の周波数を記述するために使用される。“光源”は、光周波数にある電磁エネルギーのソースである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】米国特許第７９９５１９７号明細書
【特許文献２】米国特許第８６７０６６２号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５９４８６号明細書
【特許文献４】欧州特許第１４９６７２３号明細書
【非特許文献】
【００３７】
【非特許文献１】A.  H.  Hartog  et  al.，“The  use  of  multi  frequency  acquisition  to  significantly  improve  the  quality  of  fibre  optic  distributed  vibration  sensing”，Geophysical  Prospecting  Vol  66，Issue  S1，(2017)
【発明の概要】
【００３８】
本発明の１つの目的は、従来技術の欠点のうちの少なくとも１つ又はそれより多くを克服若しくは改善すること、又は有用な代替を提供することである。
【００３９】
本発明は、例えば光ファイバに沿ってなどの、光学的に透明な媒体における光路長変化の定量的且つ分布的な測定の方法に関する。複数の物理パラメータが、それらが生み出す結果としての光路長変化によってセンシングされ、物理パラメータは、縦歪み、横歪み、音響波、地震波、振動、運動、曲げ、ねじれ、温度、光遅延、及び化学組成を含み得る。光路に沿った伸長及び／又は屈折率変化及び／又は変形を誘起する機構を有する他の物理パラメータもセンシングされ得る。光路長変化はまた、センシング媒体内の散乱／反射粒子の動きによっても起こり得る。ここに開示される本発明の実施形態は、強度変調された（又はパルス化された）広帯域光源を、例えば光ファイバといった光学的に透明なセンシング媒体からの分布後方散乱についての遅延並びに正確な位相及び振幅の測定とともに使用する。
【００４０】
本発明の第１の態様によれば、分布光学センシングシステムが提供される。このシステムは広帯域光源を有し得る。このシステムは更に、位相・振幅受信器を有し得る。
【００４１】
第１の態様の特定の一構成によれば、広帯域光源と、位相・振幅受信器とを有する分布光学センシングシステムが提供される。広帯域光源は、コヒーレンス時間τｃｏｈ、及び交換可能に、コヒーレンス長ｌｃｏｈを持ち得る。
【００４２】
コヒーレンス長ｌｃｏｈは、１ｍ未満、５０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、９ｃｍ未満、８ｃｍ未満、７ｃｍ未満、６ｃｍ未満、５ｃｍ未満、４ｃｍ未満、３ｃｍ未満、２ｃｍ未満、１ｃｍ未満、９ｍｍ未満、８ｍｍ未満、７ｍｍ未満、６ｍｍ未満、５ｍｍ未満、４ｍｍ未満、３ｍｍ未満、２ｍｍ未満、１ｍｍ未満、０．９ｍｍ未満、０．８ｍｍ未満、０．７ｍｍ未満、０．６ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、０．４ｍｍ未満、０．３ｍｍ未満、０．２ｍｍ未満、０．１ｍｍ未満、０．０５ｍｍ未満、０．０４ｍｍ未満、０．０３ｍｍ未満、０．０２ｍｍ未満、０．０１ｍｍ未満、０．００５ｍｍ未満、０．００４ｍｍ未満、０．００３ｍｍ未満、０．００２ｍｍ未満、又は０．００１ｍｍ未満とし得る。
【００４３】
例えば、特定の構成において、コヒーレンス長ｌｃｏｈは、約０．００１ｍｍ、０．００２ｍｍ、０．００３ｍｍ、０．００４ｍｍ、０．００５ｍｍ、０．００６ｍｍ、０．００７ｍｍ、０．００８ｍｍ、０．００９ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０１５ｍｍ、０．０２ｍｍ、０．０３ｍｍ、０．０４ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０６ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０９ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１１ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１３ｍｍ、０．１４ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１６ｍｍ、０．１７ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．１９ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍ、７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍ、０．１ｍ、０．２ｍ、０．３ｍ、０．４ｍ、０．５ｍ、０．６ｍ、０．７ｍ、０．８ｍ、０．９ｍ、又は１ｍとし得る。
【００４４】
広帯域光源の帯域幅は、約１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの間、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの間、１ＧＨｚから１０ＧＨｚの間、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの間、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの間、１０ＴＨｚから１００ＴＨｚの間とし得る。すなわち、１０ＭＨｚから１００ＴＨｚ（すなわち、１０×１０６Ｈｚから１００×１０１２Ｈｚ）。
【００４５】
例えば、特定の構成において、広帯域光源の帯域幅は、約１０ＭＨｚ、１５ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、３０ＭＨｚ、３５ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、４５ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、７０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、９０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、５００ＭＨｚ、６００ＭＨｚ、７００ＭＨｚ、８００ＭＨｚ、９００ＭＨｚ、１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、３０ＧＨｚ、３５ＧＨｚ、４０ＧＨｚ、４５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、７０ＧＨｚ、８０ＧＨｚ、９０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、４００ＧＨｚ、５００ＧＨｚ、６００ＧＨｚ、７００ＧＨｚ、８００ＧＨｚ、９００ＧＨｚ、１ＴＨｚ、１．５ＴＨｚ、２ＴＨｚ、２．５ＴＨｚ、３ＴＨｚ、３．５ＴＨｚ、４．５ＴＨｚ、５ＴＨｚ、５．５ＴＨｚ、６ＴＨｚ、６．５ＴＨｚ、７ＴＨｚ、７．５ＴＨｚ、８ＴＨｚ、８．５ＴＨｚ、９ＴＨｚ、９．５ＴＨｚ、１０ＴＨｚ、１５ＴＨｚ、２０ＴＨｚ、２５ＴＨｚ、３０ＴＨｚ、３５ＴＨｚ、４０ＴＨｚ、４５ＴＨｚ、５０ＴＨｚ、６０ＴＨｚ、７０ＴＨｚ、８０ＴＨｚ、９０ＴＨｚ、又は約１００ＴＨｚとし得る。
【００４６】
位相・振幅受信器は、媒体に向けて光源によって生成された光信号の分布後方散乱を受信するように適応され得る。
【００４７】
広帯域光源は、インコヒーレント又は部分コヒーレントのいずれかの広帯域光源とし得る。広帯域光源はコヒーレント広帯域光源とし得る。
【００４８】
このシステムは更に、少なくとも１つの意図的相対遅延経路（Intentional  Relative  Delay  Path；ＩＲＤＰ）を有し得る。ＩＲＤＰは、光源によって生成された光の一部を遅延させるように適応され得る。
【００４９】
光源は変調光源とし得る。変調光源は強度変調光源又はパルス光源とし得る。
【００５０】
このシステムは更に、光源によって生成された出力光を受けるように適応された順方向光路を有し得る。
【００５１】
このシステムは更に、順方向光路内の光源によって生成された光の少なくとも一部を変調するように適応された変調器を有し得る。変調器は、順方向光路内の光の少なくとも一部の強度を変調するように適応され得る。変調器は、順方向光路内の光の少なくとも一部の位相を変調するように適応されもよい。変調器は、順方向光路内の光の少なくとも一部の偏光を変調するように適応されてもよい。変調器は、順方向光路内の光の少なくとも一部の周波数を変調するように適応されてもよい。
【００５２】
順方向光路は更に、変調された出力光を、物理的変化に応答して光信号を変化させるように適応された光学的に透明な媒体に伝えるように適応され得る。光学的に透明な媒体は、当該媒体内での光信号の経路長を変更することによって、当該媒体中を伝播する光信号を乱すように適応され得る。光路長は、媒体中を伝播する光信号の光路長とし得る。
【００５３】
順方向光路は、光信号を少なくとも２つの部分に分割するように適応された光スプリッタを有し得る。変調器は、分割された光信号の一方又は双方の部分を受けて、少なくとも１つの変調された光信号を提供するように適応され得る。
【００５４】
順方向光路は、第１の遅延τ１を持つ第１の光遅延手段を有し得る。第１の光遅延手段は、光スプリッタから光信号の第１の部分を受けるように適応され得る。第１の光遅延手段は更に、その後、遅延前方伝播光信号を光学的に透明な媒体に伝えるように適応され得る。
【００５５】
順方向光路は更に、光スプリッタから強度変調された光信号の第２の部分を受け、その後、第１の光遅延手段を迂回して、直接前方伝播光信号を光学的に透明な媒体に伝えるように適応された直接光伝送手段を有し得る。遅延前方伝播光信号は、直接前方伝播光信号に対して、第１の遅延τ１だけ時間的に遅延され得る。
【００５６】
このシステムは更に、直接前方伝播光信号と遅延前方伝播光信号とを共通の順方向光路上で結合する結合手段を有し得る。このシステムは更に、光学的に透明な媒体から後方伝播光を受け、該受けた後方伝播光を戻り光路に向けるように適応された光方向付け手段を有し得る。戻り光路は、後方伝播光を少なくとも２つの部分へと分割するように適応された戻り光スプリッタを有し得る。戻り光路は更に、第２の遅延τ２を持つ第２の光遅延手段を有し得る。第２の光遅延手段は、戻り光スプリッタから後方伝播光の第１の部分を受けるように適応され得る。第２の光遅延手段は更に、遅延戻り光信号を位相・振幅受信器に伝えるように適応され得る。
【００５７】
このシステムは更に、戻り光スプリッタから後方伝播光の第２の部分を受けるように適応された直接戻り光伝送手段を有し得る。直接戻り光伝送手段は更に、その後、第２の光遅延手段を迂回して、直接戻り光信号を位相・振幅受信器に伝えるように適応され得る。遅延戻り光信号は、直接戻り信号に対して、第２の遅延τ２だけ遅延され得る。
【００５８】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は、遅延τｃｏｍを持つ共通の遅延手段とし得る。
【００５９】
このシステムは、第１の光遅延手段を有し得る。このシステムは、外乱に応答して光信号の経路長を変えるように適応された光学的に透明な媒体を有し得る。このシステムは、広帯域光源からの光出力を受け、強度変調された光信号を提供する光強度変調手段を有し得る。強度変調光信号は、２つの部分へと分割されることができ、変調光信号の第１の部分は、遅延された出力信号を生成し且つその後に光学的に透明な媒体へと伝える第１の光遅延手段に導かれることができ、変調光信号の第２の部分（直接出力信号）は、光学的に透明な媒体に直接導かれることができ、それにより、第１の光遅延手段を迂回し、変調光信号の第１の部分によって経験される第１の光遅延手段によって与えられる遅延よりも小さい遅延を経験する。第１の光遅延手段中を通る変調光信号の第１の部分は、変調光信号の第２の部分に対して遅延される。
【００６０】
このシステムは、強度変調光信号の第１の部分から生じる第１の後方散乱光信号と、強度変調光信号の第２の部分から生じる第２の後方散乱光信号とを有する戻り光信号を、光学的に透明な媒体から受信するように適応され得る。
【００６１】
このシステムは、第２の光遅延手段を有し得る。
【００６２】
第１の後方散乱光信号は、第１の後方散乱第１部分及び第１の後方散乱第２部分である少なくとも２つの部分へと分割され得る。第１の後方散乱第１部分は、第１の後方散乱第２部分に対して時間的に遅延されるように第２の光遅延手段に導かれることができ、第１の遅延後方散乱光信号（第１の後方散乱第１部分から生じる）と、第１の直接後方散乱光信号（第１の後方散乱第２部分から生じる）とが生成され得る。
【００６３】
第２の後方散乱光信号は、第２の後方散乱第１部分及び第２の後方散乱第２部分である少なくとも２つの部分へと分割され得る。第２の後方散乱第１部分は、第２の後方散乱第２部分に対して時間的に遅延されるように第２の光遅延手段に導かれることができ、第２の遅延後方散乱光信号（第２の後方散乱第１部分から生じる）と、第２の直接後方散乱光信号（第２の後方散乱第２部分から生じる）とが生成され得る。
【００６４】
このシステムは更に、第１の遅延後方散乱光信号と第２の遅延後方散乱光信号との間での干渉信号を検出して、光学的に透明な媒体に光路差を引き起こす外乱を指し示す第１の遅延後方散乱光信号と第２の遅延後方散乱光信号との間の位相の不一致を決定するように適応された位相・振幅受信器を有し得る。
【００６５】
透明光学媒体は、光ファイバとし得る。
【００６６】
第１の光遅延手段は、それに導かれた光信号に（出射経路上の少なくとも１つの他の部分に対して）時間遅延τ１を与え得る。第２の光遅延手段は、それに導かれた光信号に（戻り経路上の少なくとも１つの他の部分に対して）時間遅延τ２を与え得る。
【００６７】
第１の光遅延手段からの時間遅延τ１と第２の光遅延手段からの時間遅延τ２との間の絶対差は、広帯域光源のコヒーレンス時間τｃｏｈよりも小さい、すなわち、｜τ１−τ２｜＜τｃｏｈとし得る。これに代わる構成では、第１の光遅延手段からの時間遅延τ１と第２の光遅延手段からの時間遅延τ２との間の絶対差は、広帯域光源のコヒーレンス時間τｃｏｈのａ倍よりも小さい、すなわち、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈとしてもよく、ただし、｜τ１−τ２｜は最大でコヒーレンス時間τｃｏｈの１００倍まで、すなわち、｜τ１−τ２｜＜１００τｃｏｈとしてもよい。
【００６８】
広帯域光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを持つことができる。コヒーレンス時間は、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈを満たすとし得る。乗算係数ａは約１とし得る。乗算係数ａは約１と約１００との間としてもよい。乗算係数ａは、約１と約２との間、約１と約３との間、約１と約４との間、約１と約５との間、約１と約６との間、約１と約７との間、約１と約８との間、約１と約９との間、約１と約１０との間、約１と約２０との間、約１と約３０との間、約１と約４０との間、約１と約５０との間、約１と約６０との間、約１と約７０との間、約１と約９０との間、約１と約９０との間、約１と約１００との間、約１０と約２０との間、約２０と約３０との間、約３０と約４０との間、約４０と約５０との間、約５０と約６０との間、約６０と約７０との間、約７０と約８０との間、約８０と約９０との間、又は約９０と約１００との間としてもよい。乗算係数ａは、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は約１００としてもよい。
【００６９】
遅延τ１及び／又はτ２は、光源から光学的に透明な媒体の遠位端まで、そして再び戻るまでの光信号の往復時間よりも大きいとし得る。これに代わる構成において、遅延τ１及び／又はτ２は、（光源から光学的に透明な媒体の遠位端まで、そして再び戻るまでの）光信号の往復時間よりも小さくてもよい。
【００７０】
順方向光路は、光信号を少なくとも２つの部分へと分割するように適応された光スプリッタを有し得る。変調器は、分割された光信号の一方又は双方の部分を受けて、少なくとも１つの変調された光信号を提供するように適応され得る。
【００７１】
順方向光路は、第１の遅延τ１を持つ第１の光遅延手段であり、光スプリッタから光信号の第１の部分を受け、その後、遅延前方伝播光信号を光学的に透明な媒体に伝えるように適応された第１の光遅延手段を有し得る。順方向光路は更に、光スプリッタから強度変調された光信号の第２の部分を受け、その後、第１の光遅延手段を迂回して、直接前方伝播光信号を光学的に透明な媒体に直接伝えるように適応された直接光伝送手段を有することができ、遅延前方伝播光信号は、直接前方伝播光信号に対して、第１の遅延τ１だけ時間的に遅延される。
【００７２】
このシステムは更に、光学的に透明な媒体から後方伝播光を受け、該受けた後方伝播光を戻り光路に向けるように適応された光方向付け手段を有し得る。戻り光路は、後方伝播光を少なくとも２つの部分へと分割するように適応された戻り光スプリッタを有し得る。戻り光路は、第２の遅延τ２を持つ第２の光遅延手段を有し得る。第２の光遅延手段は、戻り光スプリッタから後方伝播光の第１の部分を受け、その後、遅延戻り光信号を光受信器に伝えるように適応され得る。戻り光路は更に、戻り光スプリッタから後方伝播光の第２の部分を受け、その後、第２の光遅延手段を迂回して、直接戻り光信号を光受信器に伝えるように適応された直接戻り光伝送手段を有し得る。遅延戻り光信号は、直接戻り信号に対して、第２の遅延τ２だけ遅延され得る。
【００７３】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は共通とし得る。第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は、前方伝播する光信号及び後方伝播する光信号を許すように適応された共通のＩＲＤＰとし得る。共通のＩＲＤＰ中をいずれの方向に伝播する光信号も遅延を被ることができる。前方伝播する光信号に共通ＩＲＤＰによって与えられる遅延は、後方伝播する光信号に共通ＩＲＤＰによって与えられる遅延と異なることができる。
【００７４】
広帯域光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを持つことができ、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈであり、乗算係数ａは、１と約１００との間とし得る。第１及び第２の光遅延手段の遅延は、それぞれ、τ１＞τｃｏｈ及びτ２＞τｃｏｈなる関係を満たすとし得る。
【００７５】
位相・振幅受信器は、当該位相・振幅受信器に入射する光信号の位相における差を測定するように適応され得る。この光受信器は、
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。
【００７６】
信号２及び信号３は略同時に光受信器に到着して、信号２が信号３と干渉することを可能にし、それにより、信号２と信号３との間での光路差の尺度を提供するように適応された干渉信号を生成することができ、それが代わって、外乱によって引き起こされる光学的に透明な媒体内での経路長差を示す。
【００７７】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は共通とすることができ、遅延τｃｏｍを持つ。共通の遅延手段は、その中を前方伝播方向に伝播する光に対して第１の遅延手段として作用し得る。共通の遅延手段は更に、その中を後方伝播方向に伝播する光に対して第２の遅延手段として作用することができ、τｃｏｍ＞τｃｏｈである。
【００７８】
位相・振幅受信器は、当該位相・振幅受信器に入射する光信号の位相及び干渉振幅における差を測定するように適応され得る。位相・振幅受信器は、以下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）。
【００７９】
受信される信号２及び信号３は略同時に受信器に到着して、信号２が信号３と干渉することを可能にし、それにより、外乱によって引き起こされる光学的に透明な媒体内での経路長差を示し得る信号２と信号３との間での光路差、の尺度を提供するように適応された干渉信号を生成し得る。
【００８０】
透明光学媒体は光ファイバでとし得る。
【００８１】
このシステムは更に、位相・振幅受信器の出力信号を受信するように適応された計算・解析手段を有し得る。計算・解析手段は更に、光学的に透明な媒体内の分布光路長変化を計算するように適応され得る。計算・解析手段は、測定された光路長変化から光学的に透明な媒体における物理的変化を推測するように適応され得る。
【００８２】
このシステムは更に、複数の光学的に透明な媒体を有し得る。このシステムは更に、直接前方伝播光信号及び遅延前方伝播光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を有し得る。選択された各周波数帯が、選択された媒体に向けられる前方伝播直接及び遅延光信号を有し得る。このシステムは更に、各選択された光媒体から後方伝播光信号を受信する複数の受信手段を有し得る。このシステムは更に、直接戻り伝播光信号及び遅延戻り伝播光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戻り伝播直接及び遅延光信号を有する、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位相における差を測定して、分布して各選択された媒体に沿った光路長変化を決定し、該選択された媒体における物理的変化を推測するように適応された複数の位相・振幅受信器と、を有し得る。
【００８３】
本発明の第２の態様によれば、分布してセンシング媒体に沿った光路長変化をセンシングする方法が提供される。この方法は、光出力を生成する広帯域光源を用意するステップを有し得る。光源は、コヒーレンス時間τｃｏｈを持ち得る。この方法は、光出力を少なくとも２つの部分へと分離し、分離された各部分を独立した順方向光路に導く更なるステップを有し得る。この方法は、光路のうちの第１の光路内に第１の光遅延手段を設ける更なるステップを有することができ、該遅延手段は、第１の順方向光路上の光出力の少なくとも１つの部分を、少なくとも１つの他の独立した順方向光路に対して所定の遅延時間τ１だけ遅延させ、それにより、遅延光出力信号と少なくとも１つの直接光出力信号とを生成するように適応される。この方法は、出力信号をセンシング媒体内に導く方向付けデバイスを設ける更なるステップを有し得る。この方法は、センシング媒体からの分布後方散乱信号を受信する受信手段を設ける更なるステップを有し得る。この方法は、後方散乱信号を少なくとも２つの独立した戻り経路へと分離する更なるステップを有し得る。この方法は、戻り経路のうちの第１の戻り経路内に第２の光遅延手段を設ける更なるステップを有することができ、該遅延手段は、第１の戻り経路上の受信後方散乱信号の少なくとも１つの部分を、少なくとも１つの他の戻り光路に対して所定の遅延時間τ２だけ遅延させ、それにより、遅延後方散乱信号と少なくとも１つの直接後方散乱信号とを生成するように適応される。この方法は、分離された遅延後方散乱信号と直接後方散乱信号との間の相対的な位相差を測定して、センシング媒体に沿った光路長変化を決定する更なるステップを有し得る。
【００８４】
本発明の第２の態様の特定の一構成によれば、分布してセンシング媒体に沿った光路長変化をセンシングする方法が提供され、この方法は、光出力を生成する広帯域光源を用意するステップであり、該光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを持つ、ステップと、光出力を少なくとも２つの部分へと分離し、分離された各部分を独立した順方向光路に導くステップと、光路のうちの第１の光路内に第１の光遅延手段を設けるステップであり、該遅延手段は、第１の順方向光路上の光出力の少なくとも１つの部分を、少なくとも１つの他の独立した順方向光路に対して所定の遅延時間τ１だけ遅延させ、それにより、遅延光出力信号と少なくとも１つの直接光出力信号とを生成するように適応される、ステップと、出力信号をセンシング媒体内に導く方向付けデバイスを設けるステップと、センシング媒体からの分布後方散乱信号を受信する受信手段を設けるステップと、後方散乱信号を少なくとも２つの独立した戻り経路へと分離するステップと、戻り経路のうちの第１の戻り経路内に第２の光遅延手段を設けるステップであり、該遅延手段は、第１の戻り経路上の受信後方散乱信号の少なくとも１つの部分を、少なくとも１つの他の戻り光路に対して所定の遅延時間τ２だけ遅延させ、それにより、遅延後方散乱信号と少なくとも１つの直接後方散乱信号とを生成するように適応される、ステップと、分離された遅延後方散乱信号と直接後方散乱信号との間の相対的な位相差を測定して、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。
【００８５】
この方法は、センシングされた光路長変化からセンシング媒体における物理的変化を推測する更なるステップを有し得る。
【００８６】
光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを有し得る。第１及び第２の遅延手段の遅延は、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈなる関係を満たすとし得る。乗算係数ａは約１とし得る。乗算係数ａは約１と約１００との間としてもよい。
【００８７】
広帯域光源は、インコヒーレント又は部分コヒーレントのいずれかの広帯域光源とし得る。広帯域光源はコヒーレント広帯域光源とし得る。光源は変調光源又はパルス光源とし得る。
【００８８】
広帯域光源の帯域幅は、約１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの間、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの間、１ＧＨｚから１０ＧＨｚの間、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの間、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの間、１０ＴＨｚから１００ＴＨｚの間とし得る。すなわち、１０ＭＨｚから１００ＴＨｚ（すなわち、１０×１０６Ｈｚから１００×１０１２Ｈｚ）。
【００８９】
この方法は、出力信号をセンシング媒体に導くことに先立って、光出力、又は遅延出力信号及び／又は直接出力信号、のいずれかを変調する更なるステップを有し得る。
【００９０】
この方法は、出力信号をセンシング媒体内に導くことに先立って、遅延出力信号と少なくとも１つの直接出力信号とを共通の順方向光路上に結合する結合手段を設ける更なるステップを有し得る。
【００９１】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は共通とし得る。
【００９２】
この方法は、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、光路長変化の位置又は物理パラメータを決定する更なるステップを有し得る。この方法は、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更なるステップを有し得る。この方法は、決定された光路長変化からセンシング媒体の１つ以上の物理パラメータを推測する更なるステップを有し得る。
【００９３】
変調するステップは、光信号の強度を変調すること、振幅を変調すること、周波数を変調すること、位相を変調すること、又は偏光を変調することのいずれかを有し得る。変調はパルス化されることができ、それにより、強度変調された光出力を提供する。
【００９４】
光源は変調光源とし得る。この方法は、出力信号をセンシング媒体に導くことに先立って、光出力、又は遅延出力信号及び／又は直接出力信号、のいずれかを変調する更なるステップを有し得る。変調するステップは、光信号の振幅を変調すること、周波数を変調すること、位相を変調すること、又は偏光を変調することのいずれかを有し得る。変調はパルス化されることができ、それにより、強度変調された光出力を提供する。
【００９５】
このシステムは更に、出力信号をセンシング媒体内に導くために、遅延光信号及び少なくとも１つの直接出力信号を共通の順方向光路上に再結合するように適応された光再結合器を有し得る。
【００９６】
センシング媒体は、光源によって生成される光の所定の１つ以上の波長で光学的に透明な媒体とし得る。光学的に透明な媒体は、所定の１つ以上の波長を持つ光を導波するように適応された光ファイバ又は光導波路とし得る。光学的に透明な媒体は、水、海水、流体、ガラス、ポリマー、半導体材料、空気、メタン、圧縮天然ガス、液化天然ガス、ガス、又は他の好適な光学的に透明な材料とし得る。
【００９７】
光学的に透明な媒体は導波媒体でなくてもよく、この方法は更に、出力信号を実質的にコリメートして該コリメートした出力信号をセンシング媒体内に発射する１つ以上のコリメータを設けるステップを有することができ、該１つ以上のコリメータは更に、センシング媒体からの後方散乱光信号を収集する。
【００９８】
この方法は、第１の周波数選択手段を設ける更なるステップを有し得る。第１の周波数選択手段は、直接前方伝播光信号及び遅延前方伝播光信号の各々内の複数の周波数帯を選択するように適応され得る。選択された各周波数帯が、前方伝播する直接及び遅延光信号を有し得る。第１の周波数選択手段は、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つに導くように適応され得る。第１の周波数選択手段は、選択された各光学媒体から後方伝播する分布後方散乱光信号を受信するように適応され得る。第１の周波数選択手段は、受信した光信号の各々を共通の光戻り経路上に結合するように適応され得る。
【００９９】
この方法は、第２の周波数選択手段を設ける更なるステップを有し得る。第２の周波数選択手段は、戻り経路から光信号を受信するように適応され得る。第２の周波数選択手段は、受信した光信号で複数の周波数帯を選択するように適応され得る。第２の周波数選択手段は、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遅延後方散乱光信号と直接後方散乱光信号との間の相対的な位相差を測定し、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し、それにより、各センシング媒体における物理的変化を推測するように適応され得る。
【０１００】
第１の周波数選択手段は光周波数デマルチプレクサ及びマルチプレクサを有し得る。第２の周波数選択手段は光デマルチプレクサを有し得る。
【０１０１】
周波数デマルチプレクサによって選択された複数の周波数帯内の光信号が各々、固有の位相・振幅受信器へと導かれ得る。周波数デマルチプレクサによって選択された複数の選択された周波数帯内の光信号が各々、共通の位相・振幅受信器に導かれてもよい。
【０１０２】
本発明の第３の態様によれば、分布してセンシング媒体に沿った光路長変化をセンシングする方法が提供される。この方法は、広帯域光源を用意するステップを有し得る。この方法は、光源からの光出力を少なくとも２つの出力経路へと分離する更なるステップを有し得る。この方法は、１つの出力経路内の光を、少なくとも１つの他の出力経路に対して遅延時間τ１だけ遅延させる更なるステップを有し得る。この方法は、異なる出力経路からの光をセンシング媒体内に導くことに先立つ任意のステップにて光を変調する更なるステップを有し得る。この方法は、異なる出力経路からの光を媒体内に導く更なるステップを有し得る。この方法は、センシング媒体からの分布後方散乱を受信する更なるステップを有し得る。この方法は、受信した後方散乱を少なくとも２つの戻り経路へと分離する更なるステップを有し得る。この方法は、１つの戻り経路内の光を、少なくとも１つの他の戻り経路に対して遅延時間τ２だけ遅延させる更なるステップを有し得る。この方法は、分離された遅延後の分布後方散乱光の間の相対的な位相差を測定する位相・振幅受信器を設ける更なるステップを有し得る。
【０１０３】
第３の態様の特定の一構成によれば、分布してセンシング媒体に沿った光路長変化をセンシングする方法が提供され、この方法は、広帯域光源を用意し、光源からの光出力を少なくとも２つの出力経路へと分離し、１つの出力経路内の光を、少なくとも１つの他の出力経路に対して遅延時間τ１だけ遅延させ、異なる出力経路からの光をセンシング媒体内に導くことに先立つ任意のステップにて光を変調し、異なる出力経路からの光をセンシング媒体内に導き、センシング媒体からの分布後方散乱を受信し、受信した後方散乱を少なくとも２つの戻り経路へと分離し、１つの戻り経路内の光を、少なくとも１つの他の戻り経路に対して遅延時間τ２だけ遅延させ、そして、分離された遅延後の分布後方散乱光の間の相対的な位相差を測定する位相・振幅受信器を設けることを有する。
【０１０４】
この方法は、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更なるステップを有し得る。
【０１０５】
この方法は、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、光路長変化の位置、又はセンシング媒体における光路長変化を生じさせている１つ以上の物理パラメータを決定する更なるステップを有し得る。この方法は、光路長における変化から１つ以上の物理パラメータを推測する更なるステップを有し得る。
【０１０６】
光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを有し得る。第１及び第２の遅延手段の遅延は、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈなる関係を満たすとし得る。乗算係数ａは約１とし得る。乗算係数ａは約１と約１００との間としてもよい。
【０１０７】
広帯域光源は、インコヒーレント又は部分コヒーレントのいずれかの広帯域光源とし得る。広帯域光源はコヒーレント広帯域光源とし得る。
【０１０８】
広帯域光源の帯域幅は、約１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの間、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの間、１ＧＨｚから１０ＧＨｚの間、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの間、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの間、１０ＴＨｚから１００ＴＨｚの間とし得る。すなわち、１０ＭＨｚから１００ＴＨｚ（すなわち、１０×１０６Ｈｚから１００×１０１２Ｈｚ）。
【０１０９】
光源によって生成される光の強度又は振幅が、センシング媒体の前の任意の場所で変調され得る。光源によって生成される光の周波数が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。光源によって生成される光の位相が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。光源によって生成される光の偏光が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。
【０１１０】
この方法は、出力信号をセンシング媒体内に導くことに先立って、遅延出力信号と少なくとも１つの直接出力信号とを共通の順方向光路上に結合する結合手段を設ける更なるステップを有し得る。
【０１１１】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は共通とし得る。光源によって生成される光の強度又は振幅が、センシング媒体の前の任意の場所で変調され得る。光源によって生成される光の周波数が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。光源によって生成される光の位相が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。光源によって生成される光の偏光が、センシング媒体の前の任意の場所で変調されてもよい。
【０１１２】
この方法は、出力信号をセンシング媒体内に導くことに先立って、遅延出力信号と少なくとも１つの直接出力信号とを共通の順方向光路上に結合する結合手段を設ける更なるステップを有し得る。
【０１１３】
第１の光遅延手段及び第２の光遅延手段は共通とし得る。
【０１１４】
位相及び振幅測定は、位相・振幅受信器；周波数シフト（例えば、音響光学周波数シフト）と、位相を復元するための複素復調；３×３カプラ、又はＭ≧２若しくはＮ≧３であるＭ×Ｎカプラ；ヒルベルト変換の使用を介して位相を復元するための、光信号の周波数掃引；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；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；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つ以上の使用を有し得る。第１の遅延（τ１）と第２の遅延（τ２）とが等しくない（τ１≠τ２）場合、光学スペクトル全体で位相が均一ではないことが期待され、その場合、位相及び振幅測定は、この事実を使用することによって実行され、あるいは、複数の異なる周波数帯で別々に実行され得る。
【０１１５】
位相測定は、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し得る。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得る。位相の測定は、時間をかけて連続的に実行され、又は一気に（バーストにて）実行され得る。位相の測定は、振幅の測定と同期して実行され得る。
【０１１６】
物理パラメータは、センシング媒体における、縦歪み、横歪み、音響波、地震波、振動、運動、曲げ、ねじり、温度変化、化学組成変化、又は散乱／反射粒子の動きを有する群から選択され得る。
【０１１７】
物理パラメータは、センシング媒体における、縦歪み、横歪み、音響波、地震波、振動、運動、曲げ、ねじり、温度変化、光遅延変化、化学組成変化、又は散乱／反射粒子の動きを有する群から選択されてもよい。
【０１１８】
光路長変化の位置又は物理パラメータを決定する方法は、パルス変調を使用するステップと有することができ、測定される位相は、遅延時間にわたっての光路長変化に比例し、サンプル時間は、センシング媒体に沿った位置にほぼ線形にマッピングされる。光路長変化の位置又は物理パラメータを決定する方法は、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の更なるステップを有してもよい。光路長変化の位置又は物理パラメータを決定する方法は、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の更なるステップを有してもよい。
【０１１９】
本発明の第４の態様によれば、広帯域光源の強度を変調する方法が提供される。この方法は、低い入力光強度であるときに増幅自然放出（ＡＳＥ）の連続した出力を生成する光増幅器を用意するステップを有し得る。この方法は、強度変調器を用いて光増幅器のＡＳＥの出力の強度を変調する更なるステップを有し得る。この方法は、変調されたＡＳＥを、増幅のために光増幅器又は第２の光増幅器の入力に送る更なるステップを有し得る。この方法は、システムでの使用に、増幅器からの増幅された変調光の全て又は一部を用いる更なるステップを有し得る。この方法は、変調スキームの更なるステップを有することができ、増幅器の出力から増幅器の入力まで光が進行するのにかかる時間τＯよりも短い期間τＰにわたって変調が高強度状態を維持し、その後、τＯよりも長い期間にわたる低強度状態が続く。
【０１２０】
第４の態様の特定の一構成によれば、広帯域光源の強度を変調する方法が提供され、この方法は、低い入力光強度であるときに増幅自然放出（ＡＳＥ）の連続した出力を生成する光増幅器を用意するステップと、強度変調器を用いて光増幅器のＡＳＥの出力の強度を変調するステップと、変調されたＡＳＥを、増幅のために光増幅器又は第２の光増幅器の入力に送るステップと、システムでの使用に、増幅器からの増幅された変調光の全て又は一部を用いるステップと、増幅器の出力から増幅器の入力まで光が進行するのにかかる時間τＯよりも短い期間τＰにわたって変調が高強度状態を維持し、その後、τＯよりも長い期間にわたる低強度状態が続くものである変調スキームのステップと、を有する。
【０１２１】
広帯域光源の帯域幅は、約１０ＭＨｚから１００ＭＨｚの間、１００ＭＨｚから１ＧＨｚの間、１ＧＨｚから１０ＧＨｚの間、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの間、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの間、１ＴＨｚから１０ＴＨｚの間、１０ＴＨｚから１００ＴＨｚの間とし得る。すなわち、１０ＭＨｚから１００ＴＨｚ（すなわち、１０×１０６Ｈｚから１００×１０１２Ｈｚ）。
【０１２２】
変調スキームはパルス変調とし得る。パルスの継続時間はτＯよりも短くし得る。パルスの繰り返し周期はτＯよりも長くし得る。
【０１２３】
第２から第４の態様のいずれの態様の方法も、第１の態様のシステムにて適用され得る。上記第２から第４の態様の方法は、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、コンベアのモニタリング、例えば圧縮機、ファン、タービン及び発電機などの回転機のモニタリング、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、を有する群のうちの１つ以上に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
本発明の範囲内に入り得る他の形態にかかわらず、以下、添付の図面を参照して、単に例として、本発明の一好適実施形態／複数の好適実施形態を説明する。
【図１】ここに開示されるＤＡＳシステム及び方法の概略ブロック図を示している。
【図２】ここに開示されるシステム及び方法におけるセンシング媒体からの分布後方散乱光信号の到着時間の概略図を示している。
【図３】共通経路構成における、ここに開示されるＤＡＳシステム及び方法の概略ブロック図を示している。
【図４】ここに開示されるセンシングシステムの特定の一構成のフォトニックコンポーネントを示す概略図を示している。
【図５】共通経路構成における、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示す概略図を示している。
【図６】ここに開示されるセンシングシステムの特定の一構成のフォトニックコンポーネントを示す概略図を示している。
【図７】共通経路構成における、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示す概略図を示している。
【図８】位相・振幅受信器として３×３カプラの全ての出力ポートを使用する、共通経路実施形態における、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示している。
【図９】偏光ビームスプリッタを備えた共通経路実施形態における、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示している。
【図１０】ここに開示されるシステム及び方法に従ったパルス化ＤＡＳシステムで検出された振幅トレースの一例を示している。
【図１１】ここに開示されるシステム及び方法に従った、試験目的で４３０ｍ位置に振動ファイバストレッチャを用いて測定された、センシングファイバに沿った位置に対する位相の一例を示している。
【図１２】ここに開示されるシステム及び方法に従った、試験目的で４３０ｍ位置に振動ファイバストレッチャを用い、センシングファイバに沿った位置に対して、及び時間に対して、計算した歪み率の一例を示している。
【図１３】１つの光増幅器からの増幅自然放出光がソースとして使用される、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示している。
【図１４】ここに開示される分布後方散乱信号をセンシングする方法を示している。
【図１５】位相・振幅受信器として３×３カプラの全ての出力ポートを使用する、共通経路実施形態における、ここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示している。
【図１６】ここに開示される振幅及び位相の処理及び解析の方法を示している。
【図１７】センシング媒体への２つの独立した光路を有する共通経路構成における、ここに開示されるＤＡＳシステム及び方法の概略ブロック図を示している。
【図１８】図１８及び図１８Ａ−１８Ｃは、出射信号を共通の出射経路内で再結合することなくセンシング媒体内に導いて、センシング媒体から後方散乱信号を受信する方法を用いる、上に示したシステムの更なる構成を示している。
【図１８Ａ】図１８及び図１８Ａ−１８Ｃは、出射信号を共通の出射経路内で再結合することなくセンシング媒体内に導いて、センシング媒体から後方散乱信号を受信する方法を用いる、上に示したシステムの更なる構成を示している。
【図１８Ｂ】図１８及び図１８Ａ−１８Ｃは、出射信号を共通の出射経路内で再結合することなくセンシング媒体内に導いて、センシング媒体から後方散乱信号を受信する方法を用いる、上に示したシステムの更なる構成を示している。
【図１８Ｃ】図１８及び図１８Ａ−１８Ｃは、出射信号を共通の出射経路内で再結合することなくセンシング媒体内に導いて、センシング媒体から後方散乱信号を受信する方法を用いる、上に示したシステムの更なる構成を示している。
【図１９】複数のセンシング媒体上の経路長変化を検出するための周波数選択マルチプレクシング／デマルチプレクシング及び周波数指示コンポーネントが追加された、上に示したシステムの更なる構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【０１２５】
言及しておくべきことには、以下の説明において、異なる実施形態における類似又は同じ参照符号は、同じ又は同様のフィーチャを表す。
【０１２６】
例えば光ファイバなどの光学的に透明な媒体などのセンシング媒体に沿った光路長変化の定量的分布測定のための定量的分布音響センシングシステムに関するシステム及び方法がここに開示される。ここに開示されるＤＡＳシステムは、広帯域光源と、位相を正確に測定することが可能な位相及び振幅測定とを有する。広帯域光源は、コヒーレンス時間τｃｏｈ、及び交換可能に、コヒーレンス長ｌｃｏｈを持つことができ、コヒーレンス長ｌｃｏｈは、コヒーレンス時間に等しい時間での媒体中の伝播に相当する光路長として定義される。ここに開示されるシステム及び方法で使用されるとき、ソースのコヒーレンス長に原理的な下限は存在しない。コヒーレンス時間τｃｏｈは、コヒーレンス長ｌｃｏｈを媒体中での光の速さで割ることによって計算され、近似的に、τｃｏｈ≒１／Δν≒λ２／（ｃΔλ）なる関係によって与えられ、ここで、λはソースの中心波長であり、Δν及びΔλはそれぞれ周波数及び波長の単位でのソースのスペクトル線幅であり、ｃは真空中での光の速さである。
【０１２７】
複数の物理パラメータが、結合された媒体内でそれらが生み出す結果としての光路長変化によってセンシングされ得る。結合された媒体において光路長変化を誘起することが可能な現象の例は、縦歪み、横歪み、音響波、地震波、振動、運動、曲げ、ねじれ、温度、光遅延、又は化学組成を含み得る。光路に沿った伸長及び／又は屈折率変化及び／又は変形を誘起する機構を有する他の物理パラメータもセンシングされ得る。光路長変化はまた、センシング媒体内の散乱／反射粒子の動きによっても起こり得る。ここに開示されるシステム及び方法は、強度変調される広帯域光源を、例えば光ファイバ（ここではセンシングファイバとして参照する）などのセンシング媒体からの分布後方散乱についての遅延並びに正確な位相測定のための位相及び振幅測定とともに利用する。センシング光路からシステムへと光が戻ることに関する可能な機構は、レイリー後方散乱、ミー後方散乱、離散反射（例えば欠陥又はコネクタ結合などの意図的なもの及び意図せぬもの）、ブラッグ格子反射、例えば結晶及びガラス中のドーパントなどの固体中の散乱粒子、例えば水中の細胞又はスリットなどの液体中の散乱粒子、又は例えば空気中の大気エアロゾルなどの気体中の散乱粒子を含む。
【０１２８】
ここに開示されるシステム及び方法とともに使用される又はここに開示される光遅延手段の実装のために使用されるセンシング媒体に関する可能な光路は、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、マルチコアファイバ、偏光維持ファイバ、フォトニック結晶、フォトニックバンドギャップファイバ、液体若しくはガスで充填されたコアを持つファイバ、任意の好適材料から製造され得る平面導波路、又は空気又は水を含み得る後方散乱媒体（気体、液体又は固体）内での自由空間伝播を含む。
【０１２９】
ここに開示されるシステムでは、光源によって生成された出力信号が、ＩＲＤＰに導かれる例えば２つの部分へと分割され、そして、光出力の一方の部分が、遅延されない出力信号の第２の部分（直接出力信号）に対して時間遅延される（従って、遅延出力信号を生成する）。そして、遅延出力信号及び直接出力信号がセンシング媒体に導かれ、その結果、遅延出力信号及び直接出力信号がセンシング媒体中を伝播し、従って、外乱によるセンシング媒体の変化を受ける。遅延出力信号及び直接出力信号は、オプションで、センシング媒体に先立って、共通の光路及び／又は共通の偏光に結合され得る。異なる遅延を有する適切なＩＲＤＰの実装しようとする当業者に理解されるものである光を複数の経路へと分離することの可能な方法は、光カプラ（２×２、３×３、又はＭ×Ｎ）、ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、スイッチ（例えば、ＬＣＯＳ、ホログラム、ＭＥＭ、又は電気光学）、音響光学変調器、光学フィルタ、部分反射器、又は複屈折を含みうる。
【０１３０】
それらがセンシング媒体中を伝播するにつれて、遅延出力信号及び直接出力信号が各々、出力信号の伝播方向に沿って分布した様相で、センシング媒体によって散乱され、そして、散乱された出力信号の一部が直接的に、前方伝播する信号とは逆の伝播方向に逆方向に、後方伝播する。出力信号からの後方伝播光（又は後方散乱光）は、センシング媒体における光路長変化を引き起こす何らかの外乱の分析のためにＤＡＳシステムによって収集される。
【０１３１】
図１は、本発明に従ったＤＡＳシステムの概念的な概略ブロック図を示している。
【０１３２】
光源１０１からの出力光１５０が、オプションで、変調器１０３によって変調される。これに代わる構成において、光源１０１はパルス光源である。より更なる構成において、光源１０１は、組み込まれた変調器１０３を有し得る。ソースは、好ましくはレーザ内で又は分離の前に変調されるが、それに代えて、センシング媒体（例えば、センシングファイバなど）１６０に入る前のどこで変調されてもよく、すなわち、前方伝播経路１３０内の光が、光源１０１とセンシング媒体１６０との間の任意のポイントで変調される。変調器１０３は、センシング媒体１６０より前で、システム１００の前方伝播経路１３０内の光の強度、周波数、位相又は偏光のうちのいずれか１つ以上を変調するように適応され得る。パルス又は符号化変調は、使用され得る変調スキームの例である。当業者によって理解される変調のための可能な他の手段は、例えば、電気光学変調器、音響光学変調器、光スイッチ、直接ソース変調、及び可飽和吸収体を含み得る。可能な変調スキームは、パルス化、擬似ランダム符号化、シンプレックスコード、ゴーレイコード、線形周波数チャープ、又はバーカーコードを含み得る。
【０１３３】
変調器がシステム１００のスプリッタ１０５の後に置かれる場合、それは、他の出力部分に作用することなく遅延出力部分１５１又は直接出力部分１５３のいずれかに作用するように適応されることができ、そして、システム１００は、変調器がスプリッタ１０５の前に置かれる場合と同様に機能することができる。
【０１３４】
２つの出力部分１５１及び１５３に別々に作用するように２つ以上の変調器が使用される場合、それらの変調器は好ましくは、遅延の前にそれらの部分に作用するとともに揃って作用する。変調器が遅延後であるが結合器１１１ａよりも前に出力部分に作用する場合には、これら変調器は好ましくは、光遅延に等しい遅延を有する同じ変調パターンを使用する。
【０１３５】
変調器が結合器１１１ａの後且つセンシング媒体１６０の前で使用される場合、変調は好ましくは、光遅延に等しい時間の後にその変調パターンを繰り返す。
【０１３６】
可能な広帯域光源は、例えばファブリーペローレーザといったマルチモードレーザ、例えばＤＦＢレーザといったシングルモードレーザ、例えばＥＤＦＡ及びＳＯＡといった自発放出又は増幅自然放出（ＡＳＥ）；スーパールミネセントダイオード（ＳＬＥＤ）、スーパーコンティニウム光源、モードロックレーザ、振幅変調光源、周波数変調光源、掃引周波数光源、位相シフトキーイングレーザ、位相変調光源、自然光、蛍光又は燐光、又は当業者に認識されるこれらの光フィルタリングされた光源、又はこれらの組み合わせを含み得る。特定の構成において、ソースのコヒーレンス長は、システム１００の空間分解能よりも短い。
【０１３７】
以下の説明において、変調器は、単に例示の目的で、強度変調器として記述される。しかしながら、当業者が直ちに理解することには、強度変調は、光源１０１によって生成された光の位相、偏光又は周波数のいずれかの変調で直ちに代用されることができる。
【０１３８】
システム１００の特定の構成において、その各要素間の光路は、光ファイバによって提供される。それに代わる構成において、要素間の光路は自由空間であってもよい。光源１０１からの光１５０は、次に、光スプリッタ１０５に導かれ、そこで、少なくとも２つの出力光部分１５２及び１５３へと分離され、それぞれが、分離された光路（例えば、別々の光ファイバ）を有する第１の意図的相対遅延経路（ＩＲＤＰ）１０６ａに導かれる。第１のＩＲＤＰ１０６ａは、例えば、分割された出力信号の第１の部分１５２に既知の遅延時間τ１を与え、それにより遅延出力信号１５１を生成するために、例えば所定の長さの光ファイバ遅延ラインとし得る第１の光遅延手段１０７ａを有する。更なる説明において、第１の光遅延手段１０７ａを迂回する光出力１５０の分割部分１５３は、直接出力信号１５３として参照される。次いで、遅延出力信号１５１及び直接出力信号１５３の双方が、結合器１１１ａにて、共通の前方伝播光路１７１上に再結合され、そして、センシング媒体１６０に導かれる。センシング媒体１６０は、例えば、センシング媒体１６０上に光路長変化を誘起することが可能な１つ以上のパラメータをセンシングするように適応された光ファイバである。特定の構成において、ＩＲＤＰ１０６ａ内で分離された信号１５１及び１５３に付与される遅延の差は、好ましくは（必ずしも必要ではないが）センシング媒体１６０内での光の往復時間よりも長い。
【０１３９】
センシング媒体１６０内で前方伝播光によって誘起されて、センシング媒体１６０内の同じ光路に沿って後方伝播する分布後方散乱が、システム１００によって収集され、最初に、後方散乱受信手段１１５によって、システム１００内の前方伝播経路１３０から後方伝播経路１３５内に分けられる。後方散乱受信手段１１５は、ａ）前方伝播経路１３０からの前方伝播光を受けて、それをセンシング媒体１６０に導くとともに、ｂ）センシング媒体１６０から後方伝播する後方散乱光を受けて、それを後方伝播経路１３５に導く光サーキュレータ又はそれに類するものとし得る。システム１００によって受信される後方散乱光信号１６１及び１６３は、センシング媒体１６０内での遅延出力信号１５１の後方散乱から生じる第１の後方散乱戻り信号１６３と、センシング媒体１６０内での直接出力信号１５３の後方散乱から生じる第２の後方散乱戻り信号１６１とを有する。後方散乱信号１６１及び１６３は、各々が後方伝播経路１３５上を伝播し、各々がスプリッタ１１１ｂによって、別々の光路上の少なくとも２つの後方散乱信号部分へと分割され、そして分割されたそれらの後方散乱信号部分が、第２のＩＲＤＰ１０６ｂに導かれる。第２のＩＲＤＰ１０６ｂは、第２の光遅延手段１０７ｂを有し、それは、例えば、後方散乱戻り信号１６１及び１６３の各々の第１の部分に既知の遅延時間τ２を与えるための所定の長さの光ファイバ遅延ラインとし得る。
【０１４０】
第２の光遅延手段１０７ｂは、受信した後方散乱信号１６１及び１６３の各々の少なくとも１つの部分を、他の戻り光路に対して所定の遅延時間τ２だけ遅延させ、それにより、後方散乱信号１６１及び１６３の各々の遅延後方散乱信号部分と、後方散乱信号１６１及び１６３の各々の少なくとも１つの直接後方散乱信号部分とを生成するように適応され、第１の遅延手段の遅延（τ１）及び第２の遅延手段の遅延（τ２）は、光源１０１のコヒーレンス時間τｃｏｈと、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈなる関係を満たす。ここで、乗算係数ａは１と約１００との間とし得る。一部の例において、τ１≠τ２であるシステムを意図的に設計することが、後述するように、位相及び振幅測定に有利となり得る。そして、これらの戻り後方散乱信号が各々、位相・振幅受信器１３１に導かれる。
【０１４１】
上述のシステム１００の光路に従って、位相・振幅受信器１３１は、以下を含む複数の信号を受信する：
・  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）。
【０１４２】
信号２  １６３ａ及び信号３  １６１ｂは略同時に受信器に到着して、信号２  １６３ａが信号３  １６１ｂと干渉することを可能にし、それにより、信号２と信号３との間での光路差の尺度を提供するように適応された干渉信号１７０を受信器１３１の出力に生成し、これは、外乱によって引き起こされるセンシング媒体内での経路長差を示す。
【０１４３】
検出された信号は、ストレージ１３３に記録及び記憶され、また、外乱によって引き起こされたセンシング媒体１６０の実効的な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。
【０１４４】
システム１００は更に、オプションの増幅器１１３ａ及び１１３ｂを有しており、増幅器１１３ａは、センシング媒体（例えば、センシングファイバ）１６０内に発射するのに先立つ、外への前方伝播光信号１５１及び１５３の光増幅用であり、増幅器１１３ｂは、受信した後方散乱信号１６１及び１６３の光増幅用である。
【０１４５】
斯くして、システム１００を通って、及びセンシング媒体１６０内を、コヒーレントに進む広帯域光は、光周波数に関係なく、また、後方反射が発生したセンシングファイバに沿った位置に関係なく、光源と位相・振幅受信器との間のほぼ等しい光路長を進行することができる（いわゆる“白色光”干渉条件）。この条件は、異なる時点にセンシング媒体１６０から戻る広帯域の分布後方散乱の間で、位相・振幅受信器１３１において電子的に測定可能な干渉信号を生成する。位相・振幅受信器１３１で測定される、（それぞれ直接出力信号及び遅延出力信号から生じる）遅延及び非遅延の後方散乱信号１６３ａ及び１６１ｂの相対的な位相は、第１の（前方伝播）ＩＲＤＰ及び第１の光遅延手段１０７ａによって誘起される遅延期間内でセンシング媒体中に生じる光路長の変化を正確に決定するために必要とされる主たる情報を含む。位相・振幅受信器１３１で測定される、検出された信号の振幅は、以下の信号モデル導出で説明するように、位相情報の品質を推定するために使用されることができ、また、符号化スキームの使用によって分布センシングの空間分解能及び感度を向上させるために使用されることができる。
【０１４６】
可能な位相及び振幅測定方法は、当業者によって理解されるように、直接＋遅延信号及び／又は遅延＋直接信号を周波数シフト（例えば、音響光学周波数シフト）させることと、位相を復元するための複素復調；３×３カプラ、又はＭ≧２若しくはＮ≧３であるＭ×Ｎカプラ；周波数掃引と、位相を復元するためのヒルベルト変換；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；分光計（例えば、回折格子）又は光学フィルタの使用と、複数の異なる周波数帯で強度を検出する又は位相・振幅測定を実行すること；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、を含みうる。第１の遅延（τ１）と第２の遅延（τ２）とが等しくない（τ１≠τ２）場合、光学スペクトル全体で位相が均一ではないことが期待され、その場合、位相及び振幅測定は、この事実を使用することによって実行され、あるいは、複数の異なる周波数帯で別々に実行され得る。これは、製造の単純さ及びコストの改善、並びにセンシング媒体における分散の補償という利点を有し得る。複数の異なる周波数帯で位相及び振幅測定を実行することはまた、異なるセンシング媒体に出力信号を導く周波数デマルチプレクサを使用し、戻ってくる後方散乱信号を周波数マルチプレクサを用いて受信することによって、複数のセンシング媒体上での分布センシングも可能にし得る。
【０１４７】
当業者には理解される第１及び第２の光遅延手段１０７ａ及び１０７ｂの可能な構成は、光ファイバ遅延ライン、光ビーム遅延ライン（例えば、自由空間）、光キャビティ、再循環ループ、又は電磁気的に誘起される透過性などの、光を遅延させる手段を含み得る。
【０１４８】
好ましくは、スプリッタ及び位相・振幅受信器は、図８、図１３又は図１５に示すように、共通のデバイスで構成され得る。
【０１４９】
次に、図１４を参照するに、分布後方散乱信号をセンシングする方法が示されており、分布してセンシング媒体に沿った光路長変化を定量的にセンシングする方法１４００を含んでいる。方法１４００は、光出力を生成する広帯域光源を用意するステップ１４０１を有し、光源はコヒーレンス時間τｃｏｈを持つ。方法１４００は更に、光出力を少なくとも２つの部分へと分離するステップ１４０３と、分離された各部分を外への独立した光路に導くステップ１４０５とを有する。分離は、空間的な分離又は偏光成分への分離によって行われ得るが、これらに限定されるものではない。独立した偏光は、独立した光路と考えられる。方法１４００は更に、光路のうちの第１の光路内に第１の光遅延手段を設けるステップ１４０７を有する。第１の光遅延手段は、第１の順方向光路上の光出力の少なくとも１つの部分を、他の独立した順方向光路に対して所定の遅延時間τ１だけ遅延させ、それにより、遅延出力信号と少なくとも１つの直接出力信号とを生成するように適応される。方法１４００は、オプションで遅延光信号及び少なくとも１つの直接出力信号を共通の順方向光路上に再結合する光再結合器を設けるステップ１４０９、及び、再結合されたか否かにかかわらず出力信号をセンシング媒体内に導くステップ１４１１を有する。方法１４００は更に、光源によって生成された光出力を変調する変調器を設けること１４２０を有する。変調ステップ１４２０は、ステップ１４０１と１４１１との間の何処かで実行され得る。変調器は、センシング媒体１６０よりも前で前方伝播経路１３０内の光の強度、周波数、位相又は偏光のうちのいずれか１つ以上を変調するように適応され得る。
【０１５０】
方法１４００は更に、センシング媒体からの後方散乱信号を受信する受信手段を設けること１４１３を有する。方法１４００は更に、後方散乱信号を少なくとも２つの独立した戻り経路へと分離すること１４１５を有する。分離は、空間的な分離又は偏光成分への分離によって行われ得るが、これらに限定されるものではない。独立した偏光は独立した光路と考えられる。方法１４００は更に、戻り経路のうちの第１の戻り経路内に第２の光遅延手段を設けること１４１７を有する。第２の光遅延手段は、第１の戻り経路上で受信した後方散乱信号の少なくとも１つの部分を、他の戻り光路に対して所定の遅延時間τ２だけ遅延させ、それにより、遅延後方散乱信号と少なくとも１つの直接後方散乱信号とを生成するように適応される。
【０１５１】
第１及び第２の遅延手段の遅延は、｜τ１−τ２｜＜ａτｃｏｈなる関係を満たし、ここで、乗算係数ａは１と約１００との間とし得る。第１及び第２の遅延手段は、共通のデバイス又は共通の光路であってもよい。方法１４００は更に、分離された遅延後方散乱信号と直接後方散乱信号との間の相対的な位相差を測定するように適応された位相・振幅受信器で、遅延後方散乱信号及び直接後方散乱信号を受信すること１４１９を有する。分布したセンシング媒体内の光路長変化の測定を実行するために、測定された振幅及び位相に対して解析プロセッサ１３６が使用され得る。
【０１５２】
次に図２に戻るに、例えば変調光源１０１を有するシステム１００などのここに開示されるシステム及び方法における、センシング媒体から位相・振幅受信器１３１への分布後方散乱信号の到着時間のタイムライン描写が示されている。変調光源が強度変調光源である場合、強度変調の深さは、好ましくは、５０％よりも大きく、最大で１００％（例えば、パルス光源からの出力）である。明瞭さのため、図２における到着時間は、パルス光源を参照して記述されている。パルス２００が生成されたすぐ後に、センシング媒体（光ファイバ）１６０の前及び後で直接経路を進んだ（すなわち、前方伝播方向の第１の光遅延手段１０７ａと後方伝播方向の第２の光遅延手段１０７ｂとを迂回した）光が位相・振幅受信器１３１に到着する。それは、分布した後方散乱に起因して、時間とともに広げられる。センシング媒体１６０内の光の往復時間よりも遅延が長い場合、最初に直接経路を通り、その後に遅延経路を通って進んで受信器１３１に到着した光（すなわち、信号３  １６１ｂ）は、信号１  １６１ａ及び信号４  １６３ｂと重なることなく受信器に到着することになる。信号３  １６１ｂは、当該信号３  １６１ｂとほぼ同期して到着するものである最初に遅延経路を通った後に直接経路を通って進んだ光、すなわち、信号２  １６３ａとコヒーレントに干渉することになる。本センシング方法では、信号３  １６１ｂと信号２  １６３ａとの相対的な位相が使用される。そして、両方の遅延経路を通って進んだ光（すなわち、信号４  １６３ｂ）が続く。このプロセスが、後続のパルス２０５及び２０６に対して繰り返される。
【０１５３】
図３は、共通経路構成における本発明の更なる一構成に従ったＤＡＳシステム２００の概念的な概略ブロック図を示している。図３では、図１と比較して同様の要素を示すために共通参照番号が使用されている。
【０１５４】
図３に示すように、共通経路実施形態は、偏光、方向、又はタイミングが異なってもよいが、センシング媒体１６０の前及び後の遅延が共通光路（例えば、光ファイバなどの導波路）を使用して達成される。あるいは、共通経路実施形態は、センシング媒体１６０の前及び後の遅延に関して完全に同一の光路を有することができる。このような実施形態は、システムの製造コスト及び複雑さを大幅に単純化する。何故なら、例えば温度、圧力又は経年変化などのパラメータに関して、２つ以上の別個のＩＲＤＰ又は光遅延手段の間での遅延の変化が、遅延の差がここに開示されるシステム及び方法に従って光源のコヒーレンス時間よりも小さいことを確実にするために、システム内で（物理的に、電子的に、又は信号処理にてのいずれかで）対処又は補償される必要がないからである。（遅延が静的である）共通経路実施形態において、位相・振幅受信器で測定される位相が、センシングファイバも静的である場ときにゼロに近くなる。センシング媒体１６０内での光路長の変化が、比例した非ゼロの位相をもたらす。共通経路実施形態を用いず、且つセンシング媒体の前及び後の遅延に長い長さの異なる光ファイバが使用される場合、ファイバ光路長が、光源のコヒーレンス長（τｃｏｈ〜１００マイクロメートルほどの短さであり得る）以内で製造され、システムの動作温度範囲（例えば、１０℃から５０℃）にわたってそうであることを確保するように注意が払われるべきである。
【０１５５】
図３の共通経路構成では、光遅延手段１０７ａを有する前方伝播ＩＲＤＰ及び光遅延手段１０７ｂを有する後方伝播ＩＲＤＰが、単一の共通の光遅延手段２０７を有した、前方伝播経路及び後方伝播経路の双方に共通である単一のＩＲＤＰで置き換えられている。システム２００は、加えて、以下のように複数の光サーキュレータ又はカプラ２０６ａ及び２０６ｂを有している：
（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。
【０１５６】
システム２００は更に、前方伝播する光出力信号、及び媒体１６０から受信される後方伝播する光後方散乱信号の光増幅のための、オプションの増幅器２１３を有している。
【０１５７】
図４及び図５は、それぞれ、システム１００及び２００の更なる構成における共通のシステム用語体系での、デュアル経路（例えば、図１を参照）及び共通経路（例えば、図３を参照）の光学システム４００及び５００の概略レイアウトを示している。
【０１５８】
図６及び図７は、それぞれ、システム１００及び２００の更なる構成における共通のシステム用語体系での、デュアル経路（例えば、図１を参照）及び共通経路（例えば、図３を参照）の光学システム６００及び７００の概略レイアウトを示している。図６及び図７は、各構成の干渉計アーム内に偏光を変えるファラデーミラーを使用して構成されている。ファラデーミラーは、入力光の偏光に対して９０°回転させた偏光を持つ光を戻す。当業者に理解されるように、ファラデーミラーは、それによって、長い長さの光ファイバ中を進んだ光の偏光状態における無制御の及び／又はランダムな変化を補償するように機能する。斯くして、偏光維持ファイバよりもコストがかからないものである長い長さの標準的なシングルモード光ファイバを、偏光の入力状態と出力状態との間に固定の関係を確保しつつ、光信号を遅延させるために使用することができる。
【０１５９】
図８は、当業者には理解されるように３×３カプラ８１０の全ての出力ポートを位相・振幅受信器として使用した、共通経路実施形態にてここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成８００のフォトニックコンポーネントを示している。理想的な３×３カプラからの３つの検出される出力信号をＩ１、Ｉ２、Ｉ３によって表すとすると、複素干渉信号の実部は線形結合（Ｉ１＋Ｉ２−２×Ｉ３）によって決定することができ、複素信号の虚部は線形結合√３（Ｉ１−Ｉ２）によって決定することができる。センシングファイバからの戻り信号が、出力信号と共にセンシングファイバに戻るように導かれることを防止するために、時間ゲート又は変調器８０１が使用され得る。
【０１６０】
図９は、偏光ビームスプリッタ９０８を備えた、共通経路実施形態にてここに開示されるセンシングシステムの更なる一構成のフォトニックコンポーネントを示している。システムの様々な部分内を進む光の偏光状態がベクトルによって示されており、当業者は、それらの偏光状態に対する様々なコンポーネントの作用を理解することができる。この構成の目的は、偏光を利用することで、意図的相対遅延経路（ＩＲＤＰ）９０２に入射する光９０１の大部分が偏光ビームスプリッタ及びファラデーミラーの作用によってセンシングファイバに向けられることを確保することである。前方伝播光９０３が、この構成では光ファイバであるセンシング媒体１６０に入る。さらに、この構成はまた、センシングファイバによって後方散乱されてＩＲＤＰ９０２に入射する後方散乱光９０４の大部分が偏光ビームスプリッタ並びにファラデーミラー９０６及び９０７の同じ作用によって位相・振幅受信器９１０の方に向けられることを確保する。位相・振幅受信器の方に向けられる光に付随する偏光状態にラベル９０５が付されている。この構成では、単一ファイバにおける２つの直交する偏光が、独立した光路として作用する。
【０１６１】
本発明の実験的検証を図１０−図１２に提示する。図１０は、長さが約８００ｍの遠隔通信グレードの光ファイバを有するセンシング媒体からの分布後方散乱放射を検出するパルス化スキームに関して、位相・振幅受信器からの信号の振幅を時間に対して示している。検出信号の第１の部分１００１は、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検出後方散乱信号１６１ａ（信号１）に相当する。検出信号の最後の部分１００３は、遅延出力信号１５３が第２の光遅延手段を通り抜けたことから生じる検出後方散乱信号１６３ｂ（信号４）に相当する。検出信号の中央部１００５は、遅延された前方伝播出力信号１５３が第２の光遅延手段を迂回したことから生じる検出後方散乱信号１６３ａ（信号２）と、直接出力信号１５１が第２の光遅延手段１０７ｂを通り抜けたことから生じる後方散乱信号１６１ｂ（信号３）とに相当し、従って、そこで信号２と信号３との間の干渉が受信器で起こる検出信号の部分であり、センシング媒体における光路長変化の解析に使用される部分である。
【０１６２】
この例では、光源によって生成されるパルス光出力のパルス長は１００ｎｓであり、ソース出力のパルス繰り返しレートは２０ｋＨｚであり、実験システムで使用されるＩＲＤＰからの遅延は１５マイクロ秒である。本実施例のデータは、図１５に示す共通経路設定を用いて取得されたものである。本実施例におけるソースのコヒーレンス長は、約４ＴＨｚの帯域幅に相当する０．０５ｍｍ未満である。センシングファイバ内に、センシングファイバの入力端から約４３０ｍにて、単一の周波数トーンを有するファイバストレッチャを配置して、その位置で、センシングファイバの経路長を変える振動信号を提供している。
【０１６３】
図１１は、センシングファイバに沿った位置に対する、位相・振幅受信器からの後方散乱信号の検出された位相のグラフである。図１２は、計算された歪み率を、位置に対して、及び時間に対して示している。歪みεは、式：
【数１】
0006989703.tif 000002
を用いて位相勾配Δφ／Δｘから計算され、ここで、λはソースの中心波長であり、ｎはファイバの屈折率であり、γ≒０．７８は、機械的な歪みに応答したファイバ長の長さ変化によって引き起こされる光ファイバの屈折率の変化を定量化する弾性光学係数である。検出された信号内で、ファイバに沿った４３０ｍの距離にて、センシングファイバへの外乱（ファイバストレッチャ）の位置１０１１を容易に観察することができる。
【０１６４】
図１１はまた、距離に対する検出位相の上向きの勾配によって明らかにされたセンシングファイバの非線形性を示しており、これは、本システム及び方法における、センシング媒体の非線形性の効果の正常な決定性を指し示すものである。この効果は、ファイバ中の光の強度によってファイバの屈折率が一時的に変化されるというものであるカー非線形性に起因する。そう望まれる場合には、検出信号における非線形性の効果は、当業者によって理解されるように、遅延経路及び直接経路におけるパワーを等しくすることによって、又は解析において一定のオフセットを除去することによって、のいずれかで容易に補正されることができる。１Ｗを超えるピーク光パワーとして図５の構成を使用した実験結果は、変調不安定性又は誘導ブリルアン散乱（これらは、遥かに低いピークパワー（ピーク光パワー）でコヒーレント光ファイバセンシングシステムに有害な影響を持つことが知られている）の非線形効果に関連する負の影響を示していない。
【０１６５】
図１３のシステム１３００は、図８のシステム８００と同様の構成を有し、３×３カプラ１３１０を利用し、２つの異なるモードで動作することができる。第１の動作モードでは、増幅器１３０１からの広帯域の増幅自然放出（ＡＳＥ）がシステムの光源として機能する。このＡＳＥは、ＩＲＤＰ１３０５に入る前に強度変調器１３０２によって変調されることができ、その後、センシングファイバに向けられる。第２の変調器／時間ゲート１３１２が、この変調されたＡＳＥがセンシングファイバに入ることは許すが、他の望ましくない光が入ることは許さない（例えば、センシングファイバからの後方散乱光がシステム内で再循環することが防止される）時間ゲートとして機能する。第２の動作モードでは、変調器１３０２は必要とされず、増幅器１３０１からの連続したＡＳＥがＩＲＤＰに入り、その後、センシングファイバの方に向けられるのに先立って強度変調器１３１２で変調される。強度変調器１３１２は、この動作モードでも、望ましくない光がセンシングファイバに入るのを防止するように機能することができる。いずれの動作モードにおいても、変調器１３０２及び１３１２は、増幅器利得の直接変調を通じて、（それぞれ）増幅器１３０１及び１３１１に直接組み込まれてもよい。
【０１６６】
図１５は、システム１００、２００及び３００のそれぞれの更なる構成における共通のシステム用語体系での、共通経路（図３を参照）光学システム１５００の概略レイアウトを示している。システム１５００は、図８のシステム８００と同様に、当業者に理解されるように３×３カプラ１５１０の戻り経路上の３つの全ての光信号出力を位相・振幅受信器として使用する。
【０１６７】
図１６に、図１の解析プロセッサ１３６に実装されるような解析及び処理の方法１６００が示されている。図１のシステム１００を参照するに、方法１６００は、例えば電子信号のフィルタリングなどの手段を通じてシステムノイズを低減するステップ１６０１と、位相・振幅受信器１３１によって測定された振幅及び位相を用いて複素信号を構築するステップ１６０２と、出力信号１５１及び１５３に適用された既知の若しくは測定された変調又はこれらの信号が横切る媒体の伝搬特性を補償するために、複素信号に、デコンボリューション、相互相関、復号、スパイキング、色分散補償、偏光分散補償、又は非線形性補償の処理／アルゴリズムを適用するステップ１６０３と、得られた複素信号の位相を計算するステップ１６０４と、位相差又は位相勾配を取って、光路長変化、又は例えば歪み（センシング媒体１６０が光ファイバを有する場合）などのセンシング媒体１６０の物理パラメータを、時間及び位置の関数として計算するステップ１６０５と、所与の用途に必要とされるフィルタリング又は後処理のステップ１６０６と、所与の用途に必要とされる既知の自動解釈又は分類の方法を適用するステップ１６０７と、得られたセンシングデータを表示するステップ１６０８及び／又は格納するステップ１６０９と、所与の用途に必要とされるように、予め定められた基準に基づいて、ユーザへの警告を生成するステップ１６１０とを有する。
【０１６８】
図１７は、共通経路構成における本発明の更なる一構成に従ったＤＡＳシステム１７００の概念的な概略ブロック図を示している。図１７では、図１及び図３と比較して同様の要素を示すために共通の参照符号を用いている。システム１７００は、遅延出力信号１５１及び直接出力信号１５３が、共通の順方向光路上にこれら出力信号を再結合する中間ステップなしに、センシング媒体１６０に導かれることを示している。
【０１６９】
図１８は、共通の順方向光路上に出力信号を再結合するステップなしにセンシング媒体に導かれる出力信号の概念的な概略ブロック図表現１８００を示している。図１８では、図１７と比較して同様の要素を示すために共通の参照符号を用いている。図１８Ａ−図１８Ｃは、それぞれ、システム１８００のフォトニック実装の３つの構成例１８０１、１８０２、及び１８０３を示している。構成１８０２は、２つの出力経路及びセンシング媒体からの２つの戻り経路が、空間的に分離されなくてもよく、むしろ、直交する偏光によって別々且つ独立であってもよく、また、必ずしも線形偏光状態ではなくてもよい例を示している。
【０１７０】
図１９は、上述のシステムの更なる一実施形態１９００を示しており、前方伝播経路１３０は、図１に示したものと同様のスプリッタ及び遅延手段（図示せず）を有する。しかしながら、センシング媒体１６０に導かれる前に、前方伝播する（直接及び遅延）光信号を複数の周波数帯へと分割するため、及び各周波数帯の前方伝播信号の各対を複数のセンシング媒体１６０のうちの選択された１つに向けるために、周波数デマルチプレクサ／マルチプレクサ１９２０が設けられている。
【０１７１】
周波数マルチプレクサ／デマルチプレクサ（Ｍｕｘ／Ｄｅｍｕｘ）１９２０は更に、各センシング媒体１６０から後方伝播する後方散乱信号を受信し、各センシング媒体１６０からの信号対を、図１に示した戻り経路と同様の戻り経路１３５上に向けるように適応される。システム１９００は更に、後方伝播信号からの選択された周波数帯を、分布して各選択された媒体１６０に沿った光路長変化を決定して該選択された媒体における物理的変化を推測するために、選択された周波数帯における受信光信号の振幅位相の差を測定するように適応された対応する複数の位相・振幅受信器１３１上に向ける周波数デマルチプレクサ１９３０を有している。順方向経路１３０及び戻り経路１３５は、図３に示したように、共通のＩＲＤＰを共有することができる。一部の実施形態において、複数の周波数帯の後方伝播信号を１つの位相・振幅受信器１３１に導くことが有利であることがあり、その場合、センシング媒体の数は位相・振幅受信器の数よりも多い。他の実施形態において、１つのセンシング媒体からの後方伝播信号を複数の周波数帯に分離し、各周波数帯の光を複数の別々の位相・振幅受信器に導くことが有利であることがあり、その場合、センシング媒体の数は位相・振幅受信器の数よりも少ない。
【０１７２】
信号モデルの導出
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：
【数２】
0006989703.tif 000003
を導出しており、ここで、
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。
【０１７３】
この結果は、ランダムな誘電率揺らぎからの後方散乱場の複素振幅が励起場の特別な周波数の２倍で評価される誘電率揺らぎの空間フーリエ変換であることを示している。
【０１７４】
次に、以下の置換：
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、
【数３】
0006989703.tif 000004
が与えられる。ここで、我々は、
【数４】
0006989703.tif 000005
と定義する。そして、フーリエ変換の公式：
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。
【数５】
0006989703.tif 000006
なる恒等式を用いて、
【数６】
0006989703.tif 000007
が見出される。
【０１７５】
同一ファイバ上の２つの後方散乱場の間の干渉を決定するために、図１に示した幾何学構成を考える。この幾何学構成において、位相・振幅受信器の位置に２つの後方散乱信号場：
【数７】
0006989703.tif 000008
が存在し、ここで、
【数８】
0006989703.tif 000009
は、遅延Ｔの後のファイバのインパルス応答関数である。これは、センシングされるべきｇ（ｔ）に与えられる摂動を表す。
【０１７６】
干渉項：
【数９】
0006989703.tif 000010
を検討する。
【０１７７】
時間、周波数又は偏光の多重化を通して、第１項、第２項、及び第４項は、ゼロに等しくなるように強制され、第３項：
【数１０】
0006989703.tif 000011
のみが残される。
【０１７８】
代入：
【数１１】
0006989703.tif 000012
を行い、
【数１２】
0006989703.tif 000013
が得られる。
【０１７９】
そして、ｔ＃＝ｔ’＋ρ（ｔ’）を代入して：
【数１３】
0006989703.tif 000014
を得る。
【０１８０】
従って：
【数１４】
0006989703.tif 000015
となる。
【０１８１】
ｔ’＝ｔ＃を代入して：
【数１５】
0006989703.tif 000016
となる。
【０１８２】
サンプリング時間Δｔで、時点ｔｊにてサンプリングされるとき：
【数１６】
0006989703.tif 000017
である。
【０１８３】
インパルス応答関数に関して次の確率モデル：
【数１７】
0006989703.tif 000018
を仮定する。
【０１８４】
ここで、検出された強度は、
【数１８】
0006989703.tif 000019
によって与えられ、我々は、
【数１９】
0006989703.tif 000020
を得る。
【０１８５】
あるいは等価的に、コンボリューション表記では：
【数２０】
0006989703.tif 000021
となる。
【０１８６】
故に、光路長の変化ρ（ｔｊ）を決定するために、強度変調Ｉ（ｔｊ−ΔＴ）と記録されたデータｄ（ｔｊ）との間のデコンボリューションが適用され、
【数２１】
0006989703.tif 000022
となる。
【０１８７】
そして、従って、
【数２２】
0006989703.tif 000023
である。
【０１８８】
あるいは代替的に、
【数２３】
0006989703.tif 000024
である。
【０１８９】
特に：
【数２４】
0006989703.tif 000025
である場合に、相互相関が近似デコンボリューションを形成することができ、相互相関は：
【数２５】
0006989703.tif 000026
として記述される。
【０１９０】
ΔＴがコヒーレンス長よりも大きい場合、
【数２６】
0006989703.tif 000027
となる。
【０１９１】
あるいは等価的に、コンボリューション表記では：
【数２７】
0006989703.tif 000028
となる。
【０１９２】
以下：
【数２８】
0006989703.tif 000029
が異なるセンシング媒体（例えば、光ファイバ）を表す場合、
【数２９】
0006989703.tif 000030
となる。
【０１９３】
あるいは等価的に、コンボリューション表記では：
【数３０】
0006989703.tif 000031
となる。
【０１９４】
検出信号の解析
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：
【数３１】
0006989703.tif 000032
によって与えられることを示しており、ここで、
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。
【０１９５】
従って、光路長の変化は、位相・振幅受信器からの複素信号と変調レーザ強度との間のデコンボリューションによって決定されることができる。
【数３２】
0006989703.tif 000033
である場合には、デコンボリューションの代わりに相互相関を適用することができる。
【０１９６】
強度変調がパルス化される場合、光路長の変化は、位相・振幅受信器で測定される複素信号の位相から、
【数３３】
0006989703.tif 000034
として直接的に決定され得る。
【０１９７】
用途
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。
【０１９８】
利点
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。
【０１９９】
直接的な位相及び振幅測定が、非常に高い感度でセンシングファイバにおける光路長変化の割合及び大きさの正確な決定を可能にする。これはまた、セキュリティ警告のための定量的で、基本的な外乱検出を超えた、例えば機械状態モニタリングなどのいっそう広い範囲の応用を可能にする。感度及び忠実度の実証として、ここに開示されるシステムの実験を実際に行ってみて、マイクロフォン記録と同等の忠実度で、通常な人間の声を音響的に記録し且つ記録した音声を再生することができている。
【０２００】
直接的な位相及び振幅測定は、干渉する光の振幅変化及び位相変化を曖昧でなく区別する能力を提供し、これは（実際の動作において）、光路長変化の誤った測定（このような誤り、光ファイバにおける減衰効果、スプライス、コネクタ、非線形効果（カー非線形効果を含む）によって誘発され得る）を克服する。
【０２０１】
完全直交（２π範囲）での位相の測定及びその後のアンラッピングは、例えば圧縮と引張との間の曖昧さを生じさせるといった物理量の符号及び解釈における誤りをもたらすものであるπ範囲の曖昧さを排除する。さらに、それは、ここに開示されるシステムのダイナミックレンジを２倍にのばす。
【０２０２】
直接的な位相及び振幅測定は、ここに開示されるシステムが実際の動作において完全に無感度の状態にドリフトする傾向があるという問題を克服する。この無感度の状態は、小さな位相変化が測定可能な干渉強度変化を生成しないところである特定の位相値の近傍で生じる。３×３カプラは、その出力ポート上の光学場間に１２０°の相対的位相バイアスを作り出すためだけに用いられることができ、それにより、外乱の大きさが小さいときの感度を改善するために、位相バイアスを用いてカプラの伝達関数のより高いスロープ領域を選択することができる。しかしながら、このソリューションは、例えば時間、ファイバセンシング媒体に沿った位置、システムパラメータ、及び環境条件などのファクタと共にバイアス要求がドリフトするので、実際の動作において信頼できるものではない。
【０２０３】
直接的な位相及び振幅測定は、感度を改善すること及び測定範囲を広げることを含め、システム性能を改善するために、ここに開示されるシステムと共に符号化及び／又は変調スキームが使用されることを可能にする。
【０２０４】
直接的な位相及び振幅測定は、位相測定を損ねるソース強度ノイズを回避し、それにより、さもなければシステムの信号対雑音区別を制限してしまうことになる外乱信号を回避する。
【０２０５】
ソースの意図的な強度変調は、例えばセンシングファイバなどのセンシング媒体における正確な分布センシングを可能にする。ここに開示されるシステム及び方法は、センシング媒体における単一の外乱のみの検出及び位置特定に限定されず、位置、時間又は周波数に基づいて複数の外乱を分類することを可能にする。
【０２０６】
ここに開示されるシステム及び方法はまた、既存のｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲシステムに固有の制限を克服し、例えば、広帯域ソースの使用は、位相雑音を導入することなく、感度を低下させることなく、又は測定範囲を制限することなく、システムのコスト、複雑さ及び堅牢性を有意に低減させる。
【０２０７】
ここに開示されるシステム及び方法は、広帯域ソースに存在する全ての光周波数についての分布センシング信号を本質的且つ同時に平均化する。これは、既存の狭帯域／コヒーレントｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲシステムと比較して重要な利点である。何故なら、これは、センシングファイバに沿った位置に対する振幅フェーディングに関連する問題を除去することによって、感度、精度、及び線形性を大幅に改善するからである。狭帯域／コヒーレントｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲにおける振幅フェーディングの現象は、ファイバに沿った各位置でランダムな振幅及び位相を生じるものであるレイリー後方散乱のランダム性の根本をなすものである。この現象は、コヒーレント光で照らされたときの粗い表面上のスペックルに類似している。後方散乱振幅がゼロに近い位置では、これらの位置での対応する位相が、正確に決定されることができず、あるいは、振幅がまさにゼロに等しいときには定まりもしない。さらに、ほぼゼロの振幅は、信号の符号変化として‘現れ’、これが、推定される位相変化において、高度に非線形の誤差を生じさせる。これらの位相誤差は、ｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲ  ＤＡＳシステムにおける大きくて基本的な誤差源であり、それらはその場合、振幅フェーディングの制限を克服するために、システム内で、複数の、狭帯域で、高度にコヒーレントな、レーザ源の使用を必要とし、それは、各個別のレーザ波長が、振幅及び位相の異なるランダムな実現（すなわち、異なるスペックルパターン）を生み出すことを利用することによって達成される。デジタル信号処理にて実行される振幅重み付けを用いた位相の平均化は、振幅がゼロに近い位置で測定された位相がほとんど無視されるので、システムにおける位相誤差を低減させることができる。ここに開示されるシステム及び方法は、後方散乱振幅がゼロ付近でランダムに発生し得る位置がセンシングファイバに沿って存在しないことを確保するために、十分に広帯域の光源を利用する。これが達成されるのは、各光周波数において、各位置における位相はランダムではなく（振幅はランダムであるが）、むしろ、各位置における位相が、光路長変化（所望の測定）及び遅延差に比例するからである。従って、光源の各周波数は、各位置における振幅及び位相に建設的に寄与する。そして、ランダムな振幅パターンは、十分に広帯域のソースを使用するとき、粗い表面上のスペックルの除去に類似して取り除かれる。
【０２０８】
広帯域光源の使用は、望ましくない非線形効果に関するパワー閾値がコヒーレント光源と比較して高いため、センシングに使用可能な光パワーを高める。閾値が改善される非線形効果は、誘導ブリルアン散乱、４波混合、及び変調不安定性を含む。実際、ここに開示されるシステム及び方法は、後方散乱信号に対する非線形メカニズムの影響が低コヒーレント領域において決定論的であり、従ってコヒーレントに検出された信号の解析において補正されることができるので、センシング媒体内に強い非線形効果が存在しても使用されることができる。
【０２０９】
ここに開示されるシステム及び方法の構成は、制御されない環境で、及び振動ノイズ源の存在下で、優れた安定性及び堅牢性を示す。これは、例えば石油掘削装置及び鉱山における地震モニタリングなどの、大型機械による屋外用途での信頼性ある性能にとって非常に重要となり得る。
【０２１０】
一般に、ｃ−ＯＴＤＲ及びｃ−ＯＦＤＲシステムでは、ソースにおける位相雑音は、全体的なノイズを増加させ、従って、システムの信号対雑音比を低下させるので望ましくない。これは、より狭帯域で、より高コヒーレントなレーザ源の使用を奨励するものである。ここに開示されるシステム及び方法は、この状況に反することを教示する。すなわち、ここに開示されるシステム及び方法のシミュレーションが指し示すことには、ソースの帯域幅（線幅）を大きくし、光源において、より大きいインコヒーレンス（より低いコヒーレンス、すなわち、より短いコヒーレンス時間及びコヒーレンス長）を奨励することが、実際には、従来の考え方に反して、ノイズを低減させて信号対雑音比を向上させることになる。これは、コヒーレンス長よりも大きく離間したセンシング媒体の異なる部分から戻って来る後方散乱光の間のインコヒーレントな干渉が、ソースの帯域幅全体にわたって広げられたバックグラウンド電子（ビート）ノイズを生み出すことによる。このノイズは、１ＴＨｚよりも大きい電子的帯域幅を有することができるので、非常に効果的にフィルタリングされて信号から除去され得る。
【０２１１】
ソースのパルス化は、センシング媒体内で強い反射が存在する実際の動作中にシステムを“ブラインド”することができるという、連続波ソースに勝る利点を持つ。これは、１つ以上のコネクタ又はデバイスを含む光ファイバリンクにおいてよくあることであり、潜在的に、既存の分布音響センシングシステムを数多くの実用的用途で使用できないものにしている。
【０２１２】
ソースのパルス化は、直接＋直接後方及び遅延＋遅延後方散乱信号が、直接＋遅延信号及び遅延＋直接信号とは異なる時間に到着するときに、ここに開示されるシステムの信号対雑音区別を改善する。
【０２１３】
分布センシングは、センシングファイバの両端へのアクセスを必要とするサグナック型システムとは対照的に、センシングファイバの一端のみへのアクセスしか持たないという制限があっても、ここに開示されるシステムを用いて達成されることができる。これは、掘削孔及び井戸内の用途、又は制限されたアクセスを持つその他の用途において利点を提供する。
【０２１４】
ここに記載される偏光制御の方法は、レーザの偏光安定性、又は光学コンポーネント若しくはセンシング媒体内の偏光モード分散によって引き起こされる主たる不正確性を回避する。
【０２１５】
ここに開示されるシステムは、数多くの変わりゆくセンシング用途のためのシステムの実装におけるいっそう高い多用途性のために、光ファイバコンポーネント、バルク光学コンポーネント、マイクロ光学コンポーネント、及び／又は平面導波路技術を用いた実装を可能にする。
【０２１６】
広帯域ソースは独立したセンシングに使用可能な複数の光波長を有するので、波長分割多重化によって複数のセンシングファイバ（又は利用可能なセンシング媒体）をシステムに接続することができる。
【０２１７】
解釈
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。
【０２１８】
実施形態／構成
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。
【０２１９】
同様に、理解されるべきことには、本発明の実施形態／構成例についての以上の説明では、本開示を効率化するとともに様々な発明態様のうちの１つ以上の理解を支援する目的で、本発明の様々な機構が、単一の実施形態／構成、図、又はその説明にまとめられているときがある。この開示手法は、しかしながら、各請求項に明示的に記載されるものよりも多くの機構を請求項に係る発明が必要とするという意図を反映しているとして解釈されるべきでない。むしろ、以下の請求項が映し出すように、発明態様は、単一の以上の開示実施形態／構成の全機構よりも少ないものの中にある。故に、この詳細な説明に続く請求項は、各請求項が本発明の別個の実施形態／構成として自立しているとして、ここにて、この詳細な説明に明示的に組み込まれる。
【０２２０】
また、ここに記載される一部の実施形態／構成が、他の実施形態／構成に含まれる一部の機構を含むが他の一部の機構を含んでいないとしても、当業者に理解されるように、複数の異なる実施形態／構成の機構の組み合わせは、本発明の範囲内にあって、異なる実施形態／構成を形成することが意図される。例えば、以下の請求項では、請求項に係る実施形態／構成のいずれかが任意の組み合わせで使用されることができる。
【０２２１】
具体的な詳細
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。
【０２２２】
用語
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。
【０２２３】
オブジェクトの異なるインスタンス
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。
【０２２４】
発明の範囲
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。
【０２２５】
特定の例を参照して本発明を説明してきたが、当業者によって理解されることには、本発明は数多くの他の形態でも具現化され得るものである。
【０２２６】
産業上の利用可能性
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。
【０２２７】
理解されることには、上で説明／図示した方法／機器／装置／システムは、少なくとも実質的に、光学的に透明な媒体における光路長変化の定量的な分布測定のための改善されたシステム及び方法を提供する。
【０２２８】
ここで説明し且つ／或いは図面に示したシステム及び方法は、単なる例として提示されており、本発明の範囲を限定するものではない。別のことが具体的に述べられていない限り、ここで説明したシステム及び方法の個々の態様及びコンポーネントは、変更されてもよく、あるいは、既知の等価物、又は将来的に開発されたり将来的に受け入れ可能と判明したりし得るような未知の代用物で置換されてもよい。ここで説明したシステム及び方法はまた、請求項に係る発明の範囲及び精神の範囲内にありながら、多様な用途に合わせて変更され得るものである。何故なら、潜在的な用途の範囲が広いからであり、また、ここで説明した本システム及び方法は、数多くのそのような変形に対して適応可能であることが意図されるからである。
【図１】
0006989703.tif 000035
【図２】
0006989703.tif 000036
【図３】
0006989703.tif 000037
【図４】
0006989703.tif 000038
【図５】
0006989703.tif 000039
【図６】
0006989703.tif 000040
【図７】
0006989703.tif 000041
【図８】
0006989703.tif 000042
【図９】
0006989703.tif 000043
【図１０】
0006989703.tif 000044
【図１１】
0006989703.tif 000045
【図１２】
0006989703.tif 000046
【図１３】
0006989703.tif 000047
【図１４】
0006989703.tif 000048
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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