(57)【要約】  音響振動が存在する環境において、分散型音響感知（ＤＡＳ）を実行するシステムは、当該環境に配置された少なくとも１つの光ファイバであって、Ｎ個の空間チャネルを備えており、Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバのＮ個の空間チャネル内へ発射され、ファイバ長にわたって伝搬する光ファイバと、Ｎ個の空間チャネルのそれぞれから、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号を測定する１つまたは複数のセンサと、を備え、Ｎ個の信号は、空間的平均化のためにデジタル的に追加され、ＤＡＳを判定するために適用される。
2019504323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響振動が存在する環境において、分散型音響感知（ＤＡＳ）を実行する装置であって、
前記環境に配置され、Ｎ個の空間チャネルを備え、Ｎ個のレーザパルスが光ファイバの前記Ｎ個の空間チャネル内へ発射され、ファイバ長にわたって伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、
Ｎ個の空間チャネルのそれぞれから、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号を測定する１つまたは複数のセンサと、を備え、
前記Ｎ個の信号は、空間平均化のためにデジタル的に追加され、ＤＡＳを判定するために適用される装置。
【請求項２】
空間平均化のために、前記Ｎ個の空間チャネルからの前記Ｎ個の信号をデジタル的に追加するプロセッサを備え、前記音響振動の前記信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が、Ｎ1/2倍に増加される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光ファイバは、振動に音響的に結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記環境は、橋、トンネル、鉄道、建物、油井、国境のうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記空間チャネルは、多数の光ファイバを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記空間チャネルは、単一モードまたはマルチモードのファイバを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記空間チャネルは、マルチコア光ファイバのコアを備え、各コアは、単一モードまたはマルチモードのファイバを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記空間チャネルは、１つまたは複数のマルチモード光ファイバの空間モードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記空間チャネルは、マルチコア光ファイバのコアの空間モードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記空間チャネルは、多数のマルチコア光ファイバのコアの空間モードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
Ｎ個の各空間チャネルは、音響振動を受ける、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
各空間チャネルは、前記音響振動に対して同一の応答を有し、同じ位相の音響振動を受ける、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記Ｎ個の空間チャネル内に発射された前記Ｎ個のレーザパルスのそれぞれが、前記光ファイバ長にわたって伝搬し、前記光ファイバ長に沿った１つまたは複数の空間的な点においてレイリー後方散乱を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記Ｎ個の空間チャネルのそれぞれについて、前記光ファイバの長さに沿った空間的な点におけるレイリー後方散乱の位相は、その空間的な点における前記音響振動の振幅に比例する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号は、前記光ファイバの前記Ｎ個の空間チャネルのそれぞれから測定される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
Ｎ個の信号は、前記レイリー後方散乱の位相と、光時間領域反射測定法（ＯＴＤＲ）トレースと、を使用して測定される、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記音響振動の振幅および周波数からなる、測定されたＮ個の信号が、デジタル的に追加され、前記音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号を生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記音響振動の振幅および周波数からなる前記新たな信号の前記ＳＮＲは、Ｎ1/2倍に増加される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
Ｎ個のインタロゲータを使用して、前記音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号が、前記光ファイバの前記Ｎ個の空間チャネルのそれぞれからの前記レイリー後方散乱から測定される、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
レイリー後方散乱の位相を測定する干渉計を備える、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記干渉計は、自己参照ユニット、ローカル発振器、ヘテロダイン発信器、ホモダイン発振器、マッハ・ツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計のうちの１つを備える、請求項２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間的平均化によって分散型音響感知の信号対ノイズ比を増加させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相またはコヒーレント光時間領域反射測定法（ＯＴＤＲ）としても称されている分散型音響感知（ＤＡＳ）は、光ファイバの長さに沿った任意の空間的な点における音響振動を感知するために光ファイバを使用している。図１Ａ〜図１Ｄに概略的に図示されているように、ＤＡＳでは、レーザパルスが光ファイバ内へ発射され、従来のＯＴＤＲと同様に、ＯＴＤＲ「トレース」が測定されている。すなわち、レイリー後方散乱光が、飛行時間解析を使用して、光ファイバの長さに沿ったすべての空間的な点において測定されている。図１Ａは、分散型音響感知（ＤＡＳ）の概要を図示し、図１Ｂは、１つの光ファイバを図示し、図１Ｃは、Ｎ個の光ファイバを図示し、図１Ｄは、Ｎ個のコアを備えたマルチコア光ファイバを図示している。従来のＯＴＤＲとは対照的に、ＤＡＳでは、レイリー後方散乱光の位相もまた測定されている。光弾性効果によって、音響振動が、光ファイバの長さに沿った空間的な点において、光ファイバと物理的な接触をしているのであれば、空間的な点におけるレイリー後方散乱光の位相は、音響振動の振幅に正比例することになる。光ファイバ内にレーザパルスを反復的に発射することによって、振幅および周波数を備えた音響振動の信号が検出され得る。
【０００３】
光ファイバは、さまざまな構成で組み込まれ得るので、ＤＡＳは、数ある中でも、橋、トンネル、鉄道、建物、油井、国境のモニタリングを含む、空間的な精度を伴う長距離にわたる音響振動の感知を必要とするアプリケーションのために魅力的である。
【０００４】
ＤＡＳの１つの問題は、検出された音響振動の信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させることである。ＤＡＳのノイズは、レーザ位相ノイズ、レーザ強度ノイズ、エルビウムドープファイバ増幅器等のような光増幅器の使用から生じる自発放射増幅ノイズを含む多くのソースを有している。ＳＮＲが増加されると、音響振動が検出され得る光ファイバの長さが、効果的に増加されることになる。それに加えて、ＳＮＲが増加されると、所与の光ファイバ長において、音響振動の検出の感度、すなわち、検出可能な最小の音響振動が、増加されることになる。
【０００５】
従来のＯＴＤＲでは、ＳＮＲは、時間的平均化によって増加され得る。時間的平均化では、レーザパルスが、光ファイバ内へ反復的に発射されている。各レーザパルスについて、ＯＴＤＲトレースが測定されている。ＯＴＤＲトレースはその後、デジタル的に追加されている。連続的なＯＴＤＲトレースは、経時的に変化せず、同一であると仮定されている。ノイズは、信号が存在しない間、統計的にランダムであると仮定されている。したがって、連続的なＯＴＤＲトレースを追加することによって、ノイズは、この信号よりも「ゆっくりと」加わり、ＳＮＲが増加することになる。しかしながら、従来のＯＴＤＲとは対照的に、ＤＡＳでは、連続的なＯＴＤＲトレースは、異なる位相の音響振動に対応しているので、同一ではない。その結果、時間的平均化は、可能ではない。
【０００６】
ＳＮＲが増加され得る別のソリューションは、光ファイバ内へ発射されるレーザパルスの電力を増加させることによるので、より多くの光が、受信機パフォーマンスを高めている。しかしながら、どれだけ多くの電力が、光ファイバ内へ発射され得るのかについては制限がある。この制限を超えると、光は、音響振動の信号に悪影響を与え得る光ファイバとの非線形的な相互作用を受けることになる。それに加えて、ある電力制限を超えると、検出器ショットノイズのようないくつかのノイズソースが、音響振動の信号よりも多く増加することになる。
【０００７】
さらに別のソリューションは、コーディングである。「コーディング」では、時間的平均化と同様に、レーザパルスが、光ファイバ内へ反復的に発射されている。各レーザパルスについて、ＯＴＤＲトレースが測定されている。しかしながら、コーディングでは、光ファイバ内へ発射された光パルスが、「コード化」されている。すなわち、光パルスが、離散化された時間間隔で発射されている。コード化された各レーザパルスについて、ユニークなＯＴＤＲトレースが測定されている。測定されたＯＴＤＲトレースは、所望されるＯＴＤＲトレースを復元するために、デジタル的に処理されている。コーディングを使用して、ＳＮＲの増加は、時間的平均化よりも大きくなる。コーディングでは、発射された各レーザパルスについて、所望されるＯＴＤＲトレースは、経時的に変化せず、同一であると仮定されている。しかしながら、従来のＯＴＤＲとは対照的に、ＤＡＳでは、連続的なＯＴＤＲトレースは、異なる位相の音響振動に対応しているので、同一ではない。その結果、コーディングは可能ではない。
【０００８】
したがって、従来のＯＴＤＲとは異なり、ＤＡＳのＳＮＲは、時間的平均化、発射されたレーザパルスの電力の増加、またはコーディングによって、増加され得ない。したがって、ＤＡＳのＳＮＲを増加させる方法の大きなニーズがある。ＤＡＳのＳＮＲを増加させることによって、音響振動が検出され得る光ファイバの長さが増加され、所与の光ファイバ長において、音響振動の検出の感度、すなわち、検出可能な最小の音響振動が、増加されることになる。
【０００９】
他の人は、ラマン増幅によって、ＤＡＳのＳＮＲを増加させることを試みた。ラマン増幅では、レーザパルスが光ファイバ内へ発射され、従来のＯＴＤＲと同様に、ＯＴＤＲ「トレース」が測定されている。すなわち、飛行時間解析を使用して、レイリー後方散乱光が、光ファイバの長さに沿ったすべての空間的な点において測定されている。しかしながら、ＯＴＤＲトレースは、ラマン増幅を使用して増幅されている。すなわち、ラマンポンプ光ビームもまた、光ファイバ内へ発射されている。ラマン増幅は、音響振動の信号を増加させ、結果として、ＤＡＳのＳＮＲを増加させている。
【００１０】
従来のＯＴＤＲとは異なり、ＤＡＳのＳＮＲは、時間的平均化、発射されたレーザパルスの電力の増加、またはコーディングによって、増加され得ない。したがって、ＤＡＳのＳＮＲを増加させる方法に対する大きなニーズがある。
【発明の概要】
【００１１】
１つの態様では、音響振動が存在する環境において、分散型音響感知（ＤＡＳ）を実行するシステムは、前記環境に配置され、Ｎ個の空間チャネルを備えており、Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバの前記Ｎ個の空間チャネル内へ発射され、ファイバ長にわたって伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、Ｎ個の空間チャネルのそれぞれから、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号を測定する１つまたは複数のセンサとを備え、前記Ｎ個の信号は、空間的平均化のためにデジタル的に追加され、ＤＡＳを判定するために適用される。
【００１２】
別の態様では、分散型音響感知（ＤＡＳ）を実行するシステムは、音響振動が存在する環境と、前記環境に配置され、Ｎ個の空間チャネルを備えており、Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバの前記Ｎ個の空間チャネル内へ発射され、ファイバ長にわたって伝搬する少なくとも１つの光ファイバと、Ｎ個の空間チャネルからのＮ個の空間チャネルのそれぞれから、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号を測定する１つまたは複数のセンサと、空間的平均化のために、前記Ｎ個の空間チャネルからのＮ個の信号をデジタル的に追加し、音響振動の信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を、Ｎ1/2倍に増加するプロセッサと、を含んでいる。
【００１３】
実施では、ＤＡＳのＳＮＲが、空間的平均化によって増加されている。空間的平均化では、ＤＡＳは、Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバを使用して実行されている。空間的平均化を使用すると、光ファイバにおける許容可能な電力レベルを維持しながら平均化が可能である。多数の空間チャネルを介して、多数の信号が同時に獲得されるので、平均化は可能である。
【００１４】
空間的平均化の別の実施態様では、
１．Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバのＮ個の空間チャネル内へ発射され、光ファイバの長さにわたって伝搬している。
【００１５】
２．Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバが、ＤＡＳのために使用されている。
【００１６】
ａ．光ファイバは、音響振動が検出される必要のある、例えば、橋、トンネル、鉄道、建物、油井、国境等のような環境の近傍にある。光ファイバが、音響振動と直接的に物理的な接触をしているか、または、音響振動が、光ファイバの長さに沿った任意の空間的な点において、中間媒体またはデバイスを経由して光ファイバへ伝送されている。
【００１７】
ｂ．Ｎ個の空間チャネルは、以下の通りであり得る。
【００１８】
ｉ．多数の光ファイバ（図１ｂ）。光ファイバは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００１９】
ｉｉ．マルチコア光ファイバのコア（図１ｃ）。コアは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００２０】
ｉｉｉ．マルチモード光ファイバの空間モード。
【００２１】
ｉｖ．多数のマルチモード光ファイバの空間モード。
【００２２】
ｖ．マルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００２３】
ｖｉ．多数のマルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００２４】
３．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれが、音響振動を受けている。
【００２５】
ａ．各空間チャネルは、音響振動に対して同一の応答を有すると仮定され、同じ位相の音響振動を受けている。
【００２６】
ｂ．光ファイバの長さにわたって伝搬する、Ｎ個の空間チャネル内へ発射されたＮ個のレーザパルスのそれぞれは、光ファイバの長さに沿ったすべての空間的な点においてレイリー後方散乱を生成している。
【００２７】
ｉ．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれにおいて、光ファイバの長さに沿った空間的な点におけるレイリー後方散乱の位相は、光ファイバの長さに沿った空間的な点における音響振動の振幅へ正比例している。
【００２８】
４．音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号が、光ファイバのＮ個の空間チャネルのそれぞれから測定されている。Ｎ個の信号は、レイリー後方散乱の位相およびＯＴＤＲトレースを介して測定されている。
【００２９】
５．音響振動の振幅および周波数からなる測定されたＮ個の信号は、デジタル的に追加され、音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号を生成している。
【００３０】
ａ．音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号のＳＮＲは、Ｎ1/2倍に増加されている。
【００３１】
このシステムの利点は、以下のうちの１つまたは複数を含んでいてよい。ＤＡＳのＳＮＲは、時間的平均化がなく、発射されるレーザパルスの電力を増加させることなく、および、コーディングなく、増加されている。ＤＡＳのＳＮＲを増加させることによって、音響振動が検出され得る光ファイバの長さが増加されることになる。それに加えて、ＳＮＲが増加されると、所与の光ファイバ長において、音響振動の検出の感度、すなわち、検出可能な最小の音響振動が、増加されることになる。ＤＡＳのＳＮＲは、時間的平均化がなく、発射されるレーザパルスの電力を増加させることなく、および、コーディングなく、増加されている。本発明では、ＤＡＳのＳＮＲは、空間的平均化と称される方法によって増加されている。従来の方法を使用して、ＤＡＳのＳＮＲを増加させることは可能ではないので、空間的平均化を使用して、ＳＮＲが増加され得る。ＤＡＳのＳＮＲを増加させるために、空間的平均化を使用することによって、音響振動が検出され得る光ファイバの長さが増加されることになる。それに加えて、ＳＮＲが増加されるのであれば、所与の光ファイバ長において、音響振動の検出の感度、すなわち、検出可能な最小の音響振動が、増加されることになる。それに加えて、ＤＡＳのＳＮＲを増加させるために、空間的平均化が、ラマン増幅のような他の方法とともに使用され得る。これは、音響振動が検出され得る光ファイバの長さのさらなる増加と、所与の光ファイバ長における音響振動の検出の感度の増加とを提供することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ＤＡＳ判定へのさまざまなアプローチを示す図である。
【図２】空間的平均化を実行する典型的な処理を示す図である。
【図３】空間的平均化動作の典型的な概要を示す図である。
【図４】別の典型的な空間的平均化ＤＡＳシステムを示す図である。
【図５】空間的平均化を取り扱う典型的なプロセッサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図２は、空間的平均化を実行する典型的な処理を図示している。この処理は、以下の動作を含んでいる。
【００３４】
（１００）において、Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバのＮ個の空間チャネル内へ発射され、光ファイバの長さにわたって伝搬している。
【００３５】
（１１０）において、コヒーレントで連続波のレーザ光を生成するために、Ｎ個のレーザソースが使用されている。このレーザ光は、ＤＡＳのために使用される光ファイバのＮ個の「空間チャネル」内へ発射されることになる（２００）。Ｎ個未満のレーザソースもまた使用され、Ｎ回分割され、その後、Ｎ個の空間チャネル内へ発射され得る。レーザソースは、固体レーザ、ガスレーザ、光ファイバレーザ等を含んでいる。レーザソースの波長は、例えば、可視、近赤外等のように、光ファイバへガイドされる任意の波長であり得る。
【００３６】
（１２０）において、連続波のレーザ光を、Ｎ個のレーザソース（１１０）からＮ個のレーザパルスへ変換するために、Ｎ個のパルス発生器が使用され、すなわち、連続波のレーザ光が時間的に変調されている。パルス幅およびパルスの反復率は、ＤＡＳの空間的分解能および光ファイバ長要件を満たすように、パルス発生器によって制御されている。Ｎ個のレーザソース（１１０）から、連続波のレーザ光を変調するために、Ｎ個未満のパルス発生器もまた使用され得る。パルス発生器は、音響光学変調器、半導体光増幅器、マッハ・ツェンダー変調器等であり得る。Ｎ個のパルス発生器は、Ｎ個のレーザソースを、同一のパルス幅および反復率を有するＮ個のレーザパルスへ変換している。
【００３７】
（１３０）において、Ｎ個のレーザパルスを増幅するために、Ｎ個の光増幅器が使用されている。この増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器等であり得る。Ｎ個のレーザパルスを増幅するために単一の光増幅器も使用され得る。
【００３８】
（１４０）において、ファイバカップリング。Ｎ個のレーザパルスが、ＤＡＳのために使用される光ファイバのＮ個の空間チャネルへ結合されている（２００）。Ｎ個のレーザパルスは、自由空間光学系（例えば、レンズ、ミラー）、シリコン空間光変調器における液晶、微小電気機械システムを利用したデジタル微小ミラーデバイス、および、「ファンアウト」デバイス、光子ランタン等のような光ファイバカプラを使用して、Ｎ個の空間チャネルへ結合されている。Ｎ個のレーザパルスが、同一の時間において、Ｎ個の空間チャネルにおいて結合されている。
【００３９】
（２００）では、Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバが、ＤＡＳのために使用されている。
【００４０】
１．光ファイバは、音響振動が検出される必要のある、例えば、橋、トンネル、鉄道、建物、油井、国境等のような環境の近傍にある。光ファイバが、音響振動と直接的に物理的な接触をするか、または、音響振動が、光ファイバの長さに沿った任意の空間的な点において、中間媒体またはデバイスを経由して光ファイバへ伝送されている。
【００４１】
２．ＤＡＳのために使用される光ファイバのＮ個の空間チャネル。各空間チャネルは、空間によって識別されている。すなわち、各空間チャネルは、互いに関して直交している。これは、以下を含み得る。
【００４２】
ａ．（２０１）多数の光ファイバ（図３）。光ファイバは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００４３】
ｂ．（２０２）マルチコア光ファイバのコア（図３）。コアは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００４４】
ｃ．マルチモード光ファイバの空間モード。
【００４５】
ｄ．多数のマルチモード光ファイバの空間モード。
【００４６】
ｅ．マルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００４７】
ｆ．多数のマルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００４８】
３．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれが、音響振動を受けている。
【００４９】
ａ．各空間チャネルは、音響振動に対して同一の応答を有すると仮定され、同じ位相の音響振動を受けている。
【００５０】
ｂ．光ファイバの長さにわたって伝搬する、Ｎ個の空間チャネル内へ発射されたＮ個のレーザパルスのそれぞれは、光ファイバの長さに沿ったすべての空間的な点においてレイリー後方散乱を生成している。
【００５１】
ｉ．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれにおいて、光ファイバの長さに沿った空間的な点におけるレイリー後方散乱の位相は、光ファイバの長さに沿った空間的な点における音響振動の振幅へ正比例している。
【００５２】
（３００）において、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号が、Ｎ個の空間チャネルからのＮ個の空間チャネルのそれぞれから測定されている。
【００５３】
（３１０）において、ファイバ分離。レイリー後方散乱光が、ＤＡＳのために使用される光ファイバ（２００）のＮ個の空間チャネルから分離されている。レイリー後方散乱光は、自由空間光学系（例えば、レンズ、ミラー）、シリコン空間光変調器における液晶、微小電気機械システムを利用したデジタル微小ミラーデバイス、および、「ファンアウト」デバイス、光子ランタン等のような光ファイバカプラを使用して、Ｎ個の空間チャネルのそれぞれから分離されている。レイリー後方散乱光は、同一時間において、Ｎ個の空間チャネルから分離されている。
【００５４】
（３２０）において、ＤＡＳのために使用される光ファイバのＮ個の空間チャネルからのレイリー後方散乱光を増幅するために、Ｎ個の光増幅器が使用されている。この増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器等であり得る。単一の光増幅器も使用され得る。
【００５５】
（３３０）において、Ｎ個のインタロゲータが使用され、音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号が、Ｎ個の「インタロゲータ」を使用して、光ファイバのＮ個の空間チャネルのそれぞれからのレイリー後方散乱光から測定されている。
【００５６】
インタロゲータは、以下を含む。
【００５７】
１．干渉計のように、レイリー後方散乱の位相を測定する方法。干渉計は、自己参照され得る。また、ローカル発振器、ヘテロダイン、ホモダイン、マッハ・ツェンダー干渉計、マイケルソン干渉計等を使用し得る。
【００５８】
２．レイリー後方散乱を電気信号へ変換する光検出器。
【００５９】
３．例えばリアルタイムオシロスコープを使用して、飛行時間測定のような、レイリー後方散乱のＯＴＤＲトレースを測定する任意の方法。
【００６０】
４．ＯＴＤＲトレースを記憶するデジタルメモリ。
【００６１】
５．測定されたＯＴＤＲトレースを、音響振動の信号、信号１（３３１）、信号２（３３２）、・・・、信号Ｎ（３３３）へ変換するデジタル信号処理の方法。
【００６２】
（４００）Ｎ個の信号をデジタル的に追加している。音響振動の振幅および周波数からなる測定されたＮ個の信号（３３０）が、デジタル的に追加され、空間的平均と称される音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号を生成する（４０１）。
【００６３】
空間的平均＝信号ｌ＋信号２＋．．．＋信号Ｎ                              （１）
Ｎ個の信号のそれぞれは、追加のノイズを有することになる。ノイズは、レーザ位相ノイズ、レーザ強度ノイズ、エルビウムドープファイバ増幅器等のような光増幅器から発せられた自発放出増幅ノイズを含む多くのソースを有している。ノイズは、統計的にランダムであると考えられている。Ｎ個の信号をデジタル的に追加する場合、ノイズは、信号よりも「ゆっくりと」加わり、結果として得られる、Ｎの関数としての空間的平均のＳＮＲは、
ＳＮＲ（Ｎ）~Ｎ1/2                                                    （２）
によって与えられる。
【００６４】
空間的平均化のために、Ｎ個の空間チャネルを使用して、音響振動の信号のＳＮＲは、Ｎ1/2倍に増加することになる。図３（４０２）は、Ｎ個の信号をデジタル的に平均化する場合（式１）、理論的に計算された、および、Ｎの関数として数学的に計算されたＳＮＲのプロットを示している。
【００６５】
このシステムは、検出された音響振動の信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させる必要性を解決している。従来のＯＴＤＲとは対照的に、ＤＡＳのＳＮＲは、以下によって増加されない。
【００６６】
１．時間的平均化。なぜなら、ＤＡＳでは、連続的なＯＴＤＲトレースは、異なる位相の音響振動に対応しているので、同一ではないからである。
【００６７】
２．電力の増加。なぜなら、どれだけ多くの電力が、光ファイバ内へ発射され得るのかに関する制限があるからである。この制限を超えると、光は、音響振動の信号に悪影響を与え得る光ファイバとの非線形的な相互作用を受けることになる。それに加えて、ある電力制限を超えると、検出器ショットノイズのようないくつかのノイズソースが、音響振動の信号よりも多く増加することになる。
【００６８】
３．コーディング。なぜなら、ＤＡＳでは、連続的なＯＴＤＲトレースは、異なる位相の音響振動に対応しているので、同一ではないからである。
【００６９】
本システムの空間的平均化によって、ＤＡＳのＳＮＲは、時間的平均化なく、電力を増加させることなく、および、コーディングなく、増加されるようになる。空間的平均化を使用すると、光ファイバにおける許容可能な電力レベルを維持しながら平均化が可能である。多数の空間チャネルを介して、多数の信号が同時に獲得されるので、平均化は可能である。ＤＡＳの従来方式とは対照的に、空間的平均化では、多数の空間チャネルが使用されている。
【００７０】
Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバが、ＤＡＳのために使用され、Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバのＮ個の空間チャネル内へ発射され、光ファイバの長さにわたって伝搬している。音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号は、Ｎ個の空間チャネルからのＮ個の空間チャネルのそれぞれから測定され、システムは、Ｎ個の信号をデジタル的に追加している。空間的平均化のためにＮ個の空間チャネルを使用して、音響振動の信号のＳＮＲは、Ｎ1/2倍に増加することになる。
【００７１】
本発明では、ＤＡＳのＳＮＲは、空間的平均化と称される方法によって増加されている。空間的平均化では、ＤＡＳは、Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバを使用して実行されている。空間的平均化を使用すると、光ファイバにおける許容可能な電力レベルを維持しながら平均化が可能である。多数の空間チャネルを介して、多数の信号が同時に獲得されるので、平均化は可能である。空間的平均化では、方法は、以下を含み得る。
【００７２】
１．Ｎ個のレーザパルスが、光ファイバのＮ個の空間チャネル内へ発射され、光ファイバの長さにわたって伝搬している。
【００７３】
２．Ｎ個の空間チャネルを有する光ファイバがＤＡＳのために使用されている。
【００７４】
ａ．光ファイバは、音響振動が検出される必要のある、例えば、橋、トンネル、鉄道、建物、油井、国境等のような環境の近傍にある。光ファイバが、音響振動と直接的に物理的な接触をするか、または、音響振動が、光ファイバの長さに沿った任意の空間的な点において、中間媒体またはデバイスを経由して光ファイバへ伝送されている。
【００７５】
ｂ．Ｎ個の空間チャネルは、以下であり得る。
【００７６】
ｉ．多数の光ファイバ（図１ｂ）。光ファイバは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００７７】
ｉｉ．マルチコア光ファイバのコア（図１ｃ）。コアは、単一モードまたはマルチモードであり得る。
【００７８】
ｉｉｉ．マルチモード光ファイバの空間モード。
【００７９】
ｉｖ．多数のマルチモード光ファイバの空間モード。
【００８０】
ｖ．マルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００８１】
ｖｉ．多数のマルチコア光ファイバのコアの空間モード。
【００８２】
３．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれが、音響振動を受けている。
【００８３】
ａ．各空間チャネルは、音響振動に対して同一の応答を有すると仮定され、同じ位相の音響振動を受けている。
【００８４】
ｂ．光ファイバの長さにわたって伝搬する、Ｎ個の空間チャネル内へ発射されたＮ個のレーザパルスのそれぞれは、光ファイバの長さに沿ったすべての空間的な点においてレイリー後方散乱を生成している。
【００８５】
ｉ．Ｎ個の空間チャネルのそれぞれにおいて、光ファイバの長さに沿った空間的な点におけるレイリー後方散乱の位相は、光ファイバの長さに沿った空間的な点における音響振動の振幅へ正比例している。
【００８６】
４．音響振動の振幅および周波数からなるＮ個の信号は、光ファイバのＮ個の空間チャネルのそれぞれから測定されている。Ｎ個の信号は、レイリー後方散乱の位相およびＯＴＤＲトレースを介して測定されている。
【００８７】
５．音響振動の振幅および周波数からなる測定されたＮ個の信号は、デジタル的に追加され、音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号を生成している。
【００８８】
ａ．音響振動の振幅および周波数からなる新たな信号のＳＮＲは、Ｎ1/2倍に増加されている。
【００８９】
同一の付番が、同一または類似の要素を表す図面、先ず図５を参照すると、本原理の実施態様に従って、本原理が適用されてもよい典型的な処理システム１００を説明するブロック図が示されている。処理システム１００は、システムバス１０２を介して他の構成要素へ動作可能に結合された少なくとも１つのプロセッサ（ＣＰＵ）１０４を含む。キャッシュ１０６、読出専用メモリ（ＲＯＭ）１０８、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１１０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ１２０、サウンドアダプタ１３０、ネットワークアダプタ１４０、ユーザインターフェースアダプタ１５０、およびディスプレイアダプタ１６０が、システムバス１０２へ動作可能に結合されている。
【００９０】
第１の記憶デバイス１２２および第２の記憶デバイス１２４が、Ｉ／Ｏアダプタ１２０によって、システムバス１０２へ動作可能に結合されている。記憶デバイス１２２、１２４は、ディスク記憶デバイス（例えば、磁気または光ディスク記憶デバイス）、固体磁気デバイス等のうちのいずれかであり得る。記憶デバイス１２２、１２４は、同じタイプの記憶デバイス、または、異なるタイプの記憶デバイスであり得る。
【００９１】
スピーカ１３２は、サウンドアダプタ１３０によって、システムバス１０２へ動作可能に結合されている。トランシーバ１４２は、ネットワークアダプタ１４０によって、システムバス１０２へ動作可能に結合されている。ディスプレイデバイス１６２は、ディスプレイアダプタ１６０によってシステムバス１０２へ動作可能に結合されている。第１のユーザ入力デバイス１５２、第２のユーザ入力デバイス１５４、および第３のユーザ入力デバイス１５６は、ユーザインターフェースアダプタ１５０によってシステムバス１０２へ動作可能に結合されている。ユーザ入力デバイス１５２、１５４、および１５６は、キーボード、マウス、キーパッド、画像キャプチャデバイス、動き感知デバイス、マイクロホン、前述したデバイスの少なくとも２つの機能を組み込んだデバイス等のうちのいずれかであり得る。もちろん、他のタイプの入力デバイスもまた、本原理の趣旨を維持しながら使用され得る。ユーザ入力デバイス１５２、１５４、および１５６は、同じタイプのユーザ入力デバイス、または、異なるタイプのユーザ入力デバイスであり得る。ユーザ入力デバイス１５２、１５４、および１５６は、システム１００へ情報を入力、および、システム１００から情報を出力するために使用されている。
【００９２】
もちろん、処理システム１００はまた、当業者には容易に考慮されるような他の要素（図示せず）を含んでいてもよいのみならず、いくつかの要素を省略してもよい。例えば、他のさまざまな入力デバイスおよび／または出力デバイスが、当業者には容易に理解されるように、入力デバイスおよび／または出力デバイスの特定の実施に依存して、処理システム１００に含まれ得る。例えば、さまざまなタイプの無線および／または有線の入力および／または出力デバイスが使用され得る。さらに、さまざまな構成における追加のプロセッサ、コントローラ、メモリ等もまた、当業者には容易に認識されるように、利用され得る。処理システム１００のこれらおよび他のバリエーションが、本明細書で提供された本原理の教示を与えられた当業者には容易に考慮されている。
【００９３】
本明細書において説明される実施態様は、全体がハードウェアであってもよく、または、ハードウェア要素と、限定されないが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含むソフトウェア要素との両方を含んでいてもよいことが理解されるべきである。
【００９４】
実施態様は、コンピュータまたは任意の命令実行システムによる使用のための、または、コンピュータまたは任意の命令実行システムと接続されたプログラムコードを提供するコンピュータ使用可能またはコンピュータ読取可能な媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品を含んでいてもよい。コンピュータ使用可能またはコンピュータ読取可能な媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによる使用のための、または、命令実行システム、装置、またはデバイスと接続されたプログラムを記憶し、通信し、伝搬し、または伝送する任意の装置を含んでいてもよい。この媒体は、磁気、光、電気、電磁気、赤外線、または半導体システム（または装置またはデバイス）、または伝搬媒体であり得る。この媒体は、半導体または固体メモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスクおよび光ディスク等のようなコンピュータ読取可能な記憶媒体を含んでいてもよい。
【００９５】
プログラムコードを記憶および／または実行するために適切なデータ処理システムは、システムバスを介してメモリ素子へ直接的または間接的に接続された、例えばハードウェアプロセッサのような少なくとも１つのプロセッサを含んでいてもよい。メモリ素子は、プログラムコードの実際の実行中に適用されるローカルメモリと、バルクストレージと、実行中にコードがバルクストレージから検索される回数を低減するために、少なくともいくつかのプログラムコードの一時的なストレージを提供するキャッシュメモリとを含み得る。入力／出力またはＩ／Ｏデバイス（限定されないが、キーボード、ディスプレイ、ポインティングデバイス等を含む）は、直接的に、または、介在するＩ／Ｏコントローラを介してかのいずれかによってシステムへ接続されてもよい。
【００９６】
前述した説明は、すべての観点において、例示的および典型的であるが、限定的ではないと理解されるべきであり、本明細書で開示された本発明の範囲は、詳細な説明からではなく、むしろ、特許法によって許可された全容に従って解釈されるように、特許請求の範囲から決定されるべきである。本明細書で図示および説明された実施態様は、本発明の原理を単に例示しているにすぎず、当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなくさまざまな変形を実施してもよいことが理解されるべきである。当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、他のさまざまな特徴の組合せを実施し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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