(57)【要約】スペクトル応答を追跡するためのデバイスおよび方法。デバイスおよび方法は、光を、導波管媒体内に間隔を置かれた関係で配置されている複数の摂動センサを有する導波管媒体に入力することと、複数の摂動センサから反射された複数の信号を受信することと、受信された信号から、複数の信号値を表すデータを読み出すことであって、各信号値は、少なくとも大きさ値および波長値を含む、ことと、複数の信号値内において、重複状態にある少なくとも第１の信号値と第２の信号値とを識別することと、複数の摂動センサのうちの少なくとも一部に対して、予期される信号値を推定することと、各予期される信号値を複数の信号値からのそれぞれの信号値に関連付けることと、各予期される信号値を関連付けられた信号値で更新することとを含む。
2018517896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル応答を追跡する方法であって、前記方法は、
光を導波管媒体に入力することであって、前記導波管媒体は、前記導波管媒体内に間隔を置かれた関係で配置されている複数の摂動センサを有する、ことと、
複数の信号を前記複数の摂動センサから受信することと、
前記受信された信号から複数の信号値を表すデータを読み出すことであって、各信号値は、少なくとも大きさ値および波長値を含む、ことと、
前記複数の信号値内において、少なくとも第１の信号値と第２の信号値とを識別することであって、前記少なくとも第１の信号値と第２の信号値とは、重複状態にある、ことと、
前記複数の摂動センサのうちの少なくとも一部に対して、予期される信号値を推定することと、
各予期される信号値を前記複数の信号値からのそれぞれの信号値に関連付けることと、
各予期される信号値を前記関連付けられた信号値で更新することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記導波管媒体は、光ファイバである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記受信信号の各々は、完全信号の少なくとも一部を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記関連付けるステップの前に、
前記第１の信号値の大きさ値を前記第１の受信された信号の以前に受信された大きさで置換するステップと、
前記第２の信号値の大きさ値を前記第２の受信された信号の以前に受信された大きさで置換するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の信号値に第１の拡張信号値を追加するステップであって、前記第１の拡張信号値は、前記第１の信号値の波長と等しい波長値と前記第２の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値とを有する、ステップと、
前記複数の信号値に第２の拡張信号値を追加するステップであって、前記第２の拡張信号値は、前記第２の信号値の波長と等しい波長値と前記第１の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値とを有する、ステップと
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記関連付けるステップは、
各予期される信号値と前記複数の信号値内の各信号値との間の誤差値を計算するステップと、
各予期される信号値を最小誤差値を伴う前記信号値に割り当てるステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記誤差を計算するステップは、各予期される信号値および前記複数の信号値からの各信号値に対するイノベーションを決定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記関連付けるステップは、
前記推定された信号の所定の間隔内において、予期される信号値と前記複数の信号値からの任意の信号値との間の誤差を計算するステップと、
前記予期される信号値を前記間隔内の最小誤差を伴う前記信号値に割り当てるステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記重複した信号を識別するステップは、前記複数の信号値からの任意の信号値と前記複数の値からの任意の他の信号値との波長間の差異が所定の値未満であるかどうかを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、カルマンフィルタによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、アルファベータフィルタによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、粒子フィルタによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
各摂動センサは、ファイバブラッググレーティングである、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
スペクトル応答を追跡するためのデバイスであって、前記デバイスは、非一過性記憶媒体を備え、前記デバイスは、
複数の信号値を表すデータを受信することであって、各信号値は、大きさ値および波長値を有する、ことと、
前記複数の信号値内において、少なくとも第１の信号値と第２の信号値とを識別することであって、前記少なくとも第１の信号値と第２の信号値とは、重複状態にある、ことと、
複数の摂動センサのうちの少なくとも一部に対して、予期される信号値を推定することと、
各予期される信号値を前記複数の信号値からのそれぞれの信号値に関連付けることと、
各予期される信号値を前記関連付けられた信号値で更新することと
を行うように構成されている、デバイス。
【請求項１５】
前記データは、前記複数の摂動センサによって反射され、導波管媒体内を伝搬される信号から受信される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記受信された信号の各々は、完全信号の少なくとも一部を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記デバイスは、関連付けることの前に、
前記第１の信号値の大きさ値を前記第１の反射された信号の以前に受信された大きさで置換することと、
前記第２の反射された信号の大きさ値を前記第２の反射された信号の以前に受信された大きさで置換することと
を行うようにさらに構成されている、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記デバイスは、
前記複数の信号値に第１の拡張信号値を追加することであって、前記第１の拡張信号値は、前記第１の信号値の波長と等しい波長値と前記第２の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値とを有する、ことと、
前記複数の信号値に第２の拡張信号値を追加することであって、前記第２の拡張信号値は、前記第２の信号値の波長と等しい波長値と前記第１の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値とを有する、ことと
を行うようにさらに構成されている、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
関連付けることは、
各予期される信号値と前記複数の信号値内の各信号値との間の誤差値を計算することと、
各予期される信号値を最小誤差値を伴う前記信号値に割り当てることと
を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記誤差を計算することは、各予期される信号値および前記複数の信号値からの少なくとも１つの信号値に対するイノベーションを決定することを含む、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
関連付けることは、
前記推定された信号の所定の間隔内において、予期される信号値と前記複数の信号値からの任意の信号値との間の誤差を計算することと、
前記予期される信号値を前記間隔内の最小誤差を伴う前記信号値に割り当てることと
を含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記重複した信号を識別することは、
前記複数の信号値からの任意の信号値と前記複数の値からの任意の他の信号値との波長間の差異が所定の値未満であるかどうかを決定することを含む、
請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、カルマンフィルタによって行われる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、アルファベータフィルタによって行われる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記推定するステップおよび更新するステップの各々は、粒子フィルタによって行われる、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記摂動センサの各々は、ファイバブラッググレーティングである、請求項１４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、摂動センサの反射または伝送されるスペクトル応答を追跡する方法およびデバイスに関し、より具体的には、重複状態における摂動センサのスペクトル応答を追跡する方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバブラッググレーティングセンサは、温度および応力を監視するための現在のシステムに広範囲の改良をもたらす。例えば、石油およびガス産業は、多くの場合、掘削現場の部位の坑井環境を監視することを要求する。石油およびガス産業は、多くの場合、分散型温度センサならびに分散型音響センサを採用し、温度および応力を測定するが、これらのセンサは、望ましくない長い集積時間（例えば、５分を上回る）を有する。ファイバブラッググレーティングセンサは、対照的に、信号がセンサから反射し、送受信機システムに戻るためにかかる時間のみに限定され、それは、１０マイクロ秒／キロメートル未満である。さらに、ファイバブラッググレーティングセンサは、他の公知の解決策に優るはるかに高い信号対雑音比の利点をもたらす。
【０００３】
しかしながら、温度、歪み、振動、圧力、および音響信号は、ファイバブラッググレーティングセンサの周囲で変動するので、反射された信号は、少なくとも波長および大きさが変動するであろう。図１に示されるように、十分な温度または応力を受けると、反射された信号の波長は、別個のファイバブラッググレーティングセンサの反射された信号に重複する点まで変動し得る。この重複状態は、複数のファイバブラッググレーティングセンサのスペクトル応答の測定に曖昧性を導入し得る。より具体的には、これは、１つのセンサからの信号が別のものに重複しないであろうように、センサが間隔を置かれる必要があるので、ファイバあたりのセンサの数を限定し得る。この曖昧性および結果として生じる要求される間隔は、ファイバブラッググレーティングセンサの空間分解能および有効性を限定し得る。
【０００４】
故に、当技術分野において、重複状態における摂動センサの信号を正確に追跡し、曖昧性を低減させ、または排除するであろう方法および／もしくはデバイスの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、重複状態における摂動センサの応答を追跡するための本発明の方法および装置を対象とする。本明細書における種々の実施形態および実装は、信号検出器、追跡フィルタ、ならびに重複検出器が、複数の摂動センサを有する光ファイバケーブルと通信する方法およびデバイスを対象とする。本明細書における種々の実施形態および実装を使用して、重複状態における摂動センサの信号応答が、追跡され得る。例示的側面では、スペクトル応答を追跡する方法は、光を、導波管媒体内に間隔を置かれた関係で配置されている複数の摂動センサを有する導波管媒体に入力することと、複数の信号を複数の摂動センサから受信することと、受信された信号から複数の信号値を表すデータを読み出すことであって、各信号値は、少なくとも大きさ値および波長値を含む、ことと、複数の信号値内において、重複状態にある少なくとも第１の信号値と第２の信号値とを識別することと、複数の摂動センサのうちの少なくとも一部に対して、予期される信号値を推定することと、各予期される信号値を複数の信号値からのそれぞれの信号値に関連付けることと、各予期される信号値を関連付けられた信号値で更新することとを含む。
【０００６】
ある実施形態によると、導波管媒体は、光ファイバである。
【０００７】
ある実施形態によると、受信信号の各々は、完全信号の少なくとも一部波形を備える。
【０００８】
ある実施形態によると、方法はさらに、関連付けるステップの前に、第１の信号値の大きさ値を第１の反射された信号の以前に受信された大きさで置換するステップと、第２の反射された信号の大きさ値を第２の反射された信号の以前に受信された大きさで置換するステップとを含む。
【０００９】
ある実施形態によると、方法はさらに、複数の信号値に、第１の信号値の波長と等しい波長値および第２の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値を有する第１の拡張信号値を追加するステップと、複数の信号値に、第２の信号値の波長と等しい波長値および第１の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値を有する第２の拡張信号値を追加するステップとを含む。
【００１０】
ある実施形態によると、関連付けるステップは、各予期される信号値と複数の信号値内の各信号値との間の誤差値を計算するステップと、各予期される信号値を最小誤差値を伴う信号値に割り当てるステップとを含む。
【００１１】
ある実施形態によると、誤差を計算するステップは、各予期される信号値および複数の信号値からの各信号値に対するイノベーションを決定するステップを含む。
【００１２】
ある実施形態によると、関連付けるステップは、推定された信号の所定の間隔内において、予期される信号値と複数の信号値からの任意の信号値との間の誤差を計算するステップと、予期される信号値を間隔内の最小誤差を伴う信号値に割り当てるステップとを含む。
【００１３】
ある実施形態によると、重複した信号を識別するステップは、複数の信号値からの任意の信号値と複数の値からの任意の他の信号値との波長間の差異が所定の値未満であるかどうかを決定するステップを含む。
【００１４】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、カルマンフィルタによって行われる。
【００１５】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、アルファベータフィルタによって行われる。
【００１６】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、粒子フィルタによって行われる。
【００１７】
別の側面では、非一過性記憶媒体を含む、スペクトル応答を追跡するためのデバイスは、複数の信号値を表すデータを受信することであって、各信号値は、大きさ値および波長値を有する、ことと、複数の信号値内において、重複状態にある少なくとも第１の信号値と第２の信号値とを識別することと、複数の摂動センサのうちの少なくとも一部に対して、予期される信号値を推定することと、各予期される信号値を複数の信号値からのそれぞれの信号値に関連付けることと、各予期される信号値を関連付けられた信号値で更新することとを行うように構成される。
【００１８】
ある実施形態によると、データは、複数の摂動センサによって反射され、導波管媒体内を伝搬される信号から受信される。
【００１９】
ある実施形態によると、受信された信号の各々は、完全信号の少なくとも一部を備える。
【００２０】
ある実施形態によると、デバイスは、関連付ける前に、第１の信号値の大きさ値を第１の反射された信号の以前に受信された大きさで置換し、第２の反射された信号の大きさ値を第２の反射された信号の以前に受信された大きさで置換するようにさらに構成される。
【００２１】
ある実施形態によると、デバイスはさらに、複数の信号値に、第１の信号値の波長と等しい波長値および第２の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値を有する第１の拡張信号値を追加し、複数の信号値に、第２の信号値の波長と等しい波長値および第１の信号値の以前に受信された大きさと等しい大きさ値を有する第２の拡張信号値を追加するように構成される。
【００２２】
ある実施形態によると、関連付けは、各予期される信号値と複数の信号値内の各信号値との間の誤差値を計算し、各予期される信号値を最小誤差値を伴う信号値に割り当てることを含む。
【００２３】
ある実施形態によると、誤差の計算は、各予期される信号値および複数の信号値からの少なくとも１つの信号値に対するイノベーションを決定することを含む。
【００２４】
ある実施形態によると、関連付けは、推定された信号の所定の間隔内において、予期される信号値と複数の信号値からの任意の信号値との間の誤差を計算し、予期される信号値を間隔内の最小誤差を伴う信号値に割り当てることを含む。
【００２５】
ある実施形態によると、重複した信号の識別は、複数の信号値からの任意の信号値と複数の値からの任意の他の信号値との波長間の差異が所定の値未満であるかどうかを決定することを含む。
【００２６】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、カルマンフィルタによって行われる。
【００２７】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、アルファベータフィルタによって行われる。
【００２８】
ある実施形態によると、推定するステップおよび更新するステップの各々は、粒子フィルタによって行われる。
【００２９】
これらおよび本発明の他の側面は、以下の図ならびに発明を実施するための形態から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明は、付随の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を熟読することによって、より完全に理解および認識されるであろう。
【００３１】
【図１】図１は、摂動センサから反射された信号の重複状態を描写する、一連のプロットを示す。
【００３２】
【図２】図２は、ある実施形態による、信号を摂動センサに送信し、そこから受信するためのシステムを示す。
【００３３】
【図３】図３は、ある実施形態による、一連の受信された信号を描写するプロットを示す。
【００３４】
【図４】図４は、ある実施形態による、重複検出器によって実装されるプロセスのフローチャートを示す。
【００３５】
【図５】図５は、ある実施形態による、追跡フィルタによって実装されるプロセスのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本開示は、重複状態における摂動センサの応答を追跡するための本発明の方法および装置を対象とする。本明細書における種々の実施形態および実装は、信号検出器、追跡フィルタ、ならびに重複検出器が、複数の摂動センサを有する光ファイバケーブルと通信する方法およびデバイスを対象とする。本明細書における種々の実施形態および実装を使用して、重複状態における摂動センサの信号応答が、追跡され得る。
【００３７】
本明細書における同様の参照番号が全体を通して同様の部分を指す、図面を参照すると、図２は、非限定的実施形態による、重複状態における摂動センサを追跡するためのシステム１００を示す。システム１００は、間隔を置かれた関係で配置されている複数の摂動センサ１０４−１、１０４−２、１０４−３、および１０４−４を有する光ファイバケーブル１０２と、インテロゲータ１０６と、結合器１０８とを備える。本開示の目的のために、摂動センサは、導波管媒体内またはその周囲の摂動に応答して変動し得る特性を有する信号を反射もしくは伝送するように構成される、任意のデバイスまたは導波管媒体の修正（導波管媒体は、例示的実施形態では、光ファイバケーブルであり得る）である。摂動センサの例は、本開示の精査と併せて、当業者によって理解されるであろうように、ファイバブラッググレーティング、ファブリ・ペロー干渉計、ファイバレーザ、ＭＣＦ、および他のセンサを含み得る。いくつかの摂動センサは、導波管媒体を通して放射されるスペクトル成分を反射し得るが、他のものは、スペクトル成分を伝送または別様に生成し得る。さらに、図は、ファイバブラッググレーティングを描写するが、これらは、本開示において定義されるような他の形態の摂動センサと置換され得ることを理解されたい。光ファイバケーブルが示されるが、光学信号を伝送し、摂動センサを格納または有効にすることが可能な任意の導波管媒体が、使用され得ることを理解されたい。さらに、導波管媒体は、直線として描写されるが、当業者によって理解されるであろうように、湾曲、弧、またはループ状であり得る。例えば、導波管媒体は、ループバックされ得、摂動センサによって伝送される任意の信号は、導波管媒体のループバック部分の端部で受信され得る。さらに、４つのセンサ１０４−１、１０４−２、１０４−３、および１０４−４が示されるが、任意の数のセンサが使用され得、センサの数は、限定ではないが、要求される空間分解能、光ファイバ長さ、ならびにシステム伝送および受信電力を含む、システムの種々の必要性に従って変動し得ることを理解されたい。例えば、例示的実施形態では、図３に示されるように、４０の応答信号が、４０の摂動センサから示される。
【００３８】
例示的実施形態では、各摂動センサ１０４は、固有の反射または伝送波長を有し、一定温度および応力下、各隣接するセンサの反射または伝送波長から等距離に間隔を置かれ得る。例えば、一定温度およびライン全体を通した均一応力に対して、隣接する摂動センサ間の反射または伝送される波長の差は、１ナノメートル（１ｎｍ）であり得る。したがって、図３に示されるように、可変周波数を有するレーザが、光ファイバケーブルに入力された場合、ラインは、波長１５３０．５、１５３１．５、１５３２．５等において光を反射し得る。代替実施形態では、反射または伝送される信号は、２ｎｍ毎もしくは特定の用途の必要性による要求に応じた任意の他の量で間隔を置かれ得る。さらに、当業者は、センサの周期性が、一定ではないこともあり、システムの用途による要求に応じて、クラスタまたはパターンに群化され得ることを認識するであろう。例示的実施形態では、各受信された信号は、信号のピークまたはピーク部分等、完全信号波形の少なくとも一部であろう。
【００３９】
システム１００は、光学送信機および受信機を含むインテロゲータ１０６も備え得る。光学送信機は、レーザを光ファイバケーブル１０２を通して伝送するために光学的に接続されるレーザダイオードを含み得る。光学送信機は、所定の波長範囲にわたって、レーザダイオードの周波数を変動させるように構成され得る。例示的実施形態によると、インテロゲータ１０６の光学送信機は、４０ｎｍの範囲にわたって、光学信号を掃引可能であろう。例示的インテロゲータは、ＦＡＺ  Ｖｘインテロゲータ（ＦＡＺ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ）である。しかしながら、当業者は、光学信号を光ファイバケーブルを通して伝送することができる、好適な性能特性を有する、他の現在公知または後に生成されるインテロゲータが、使用され得ることを認識するであろう。さらに、インテロゲータ１０６は、反射または伝送される光を摂動センサから収集可能な受信機を備え得る。例えば、ある実施形態では、インテロゲータ１０６は、１ピコ秒以下の分解能を伴うＡ／Ｄコンバータを介して、１ｍｓ以内に４０ｎｍにわたって４０，０００サンプルを収集可能であり得る。当業者は、受信機の要件がシステムの用途の要件に従って変動し得ることを認識するであろう。
【００４０】
最後に、インテロゲータ１０６は、摂動センサ１０４から反射または伝送される信号を認識および収集するための信号検出器を備え得る。一実施形態では、信号検出器は、受信された信号をサンプリングし、所定の閾値を上回る任意の信号を検出するための閾値検出器を伴うＡ／Ｄコンバータを備え得る。当業者は、受信された信号を摂動センサ１０４からサンプリングおよび検出するために十分な任意の信号検出器が、使用され得ることを認識するであろう。例示的実施形態では、信号検出器は、以下のような方程式形態で記述される、摂動センサ１０４から受信された各信号の少なくとも波長および大きさを記述する、測定ベクトルを出力し得る。
【数１】
2018517896.tif 000003
式中、ｉは、摂動センサ１０４から受信された固有の信号を示し、λは、信号波長を表し、ｒは、信号の大きさ（反射率）を表す。例示的実施形態では、検出された波長は、サンプリングに起因して実際の波長に対応しない場合があるので、二次適合が、信号波長λｉのピークを推定するために使用され得る。インテロゲータ１０６は、光学信号を伝送し、反射または伝送された信号を受信し、測定ベクトルＺｋを所定の間隔において出力するように構成され得る。例えば、インテロゲータ１０６は、０．１秒毎に１回、測定ベクトルＺｋを出力するように構成され得る。測定ベクトルＺｋの各掃引および周期的出力ならびにＺｋ測定ベクトルの各出力に続く全てのプロセスは、反復と称され得る。
【００４１】
送信機、受信機、および信号検出器は、インテロゲータ１０６の一部として提示されているが、当業者は、送信機、受信機、ならびに信号検出器が別個の構成要素として実装され得ることを容易に認識するであろう。
【００４２】
信号検出器からの出力Ｚｋは、例示的実施形態では、追跡フィルタ１１０および重複検出器１１２を実装するために好適な非一過性記憶媒体を含むコンピューティングデバイスへの入力である。図２は、インテロゲータ１０６と別個に実装される信号検出器および追跡フィルタを示すが、当業者は、これらの構成要素が、同一または別個のコンピューティングデバイス上に実装され得ることを認識するであろう。
【００４３】
ある実施形態によると、追跡フィルタは、反復毎に、センサ１０４から反射または伝送される各信号を受信および追跡するように構成される。例えば、光ファイバケーブル１０２は、可変温度および応力にさらされるので、反射または伝送される信号の波長ならびに大きさも、変動し得る。したがって、測定ベクトルＺｋ内の値は、反復毎に変動するであろう。故に、追跡フィルタ１１０は、反復毎に、測定値Ｚｋを受信し、Ｚｋの値を推定し、測定値を推定値に関連付け、推定値を関連付けられたＺｋ測定値で更新するように構成される。そして、これらの更新は、次の反復において、推定への入力として使用される。例示的実施形態では、追跡フィルタ１１０は、複数の摂動センサから反射または伝送される複数の信号の現在の状態を推定し、摂動センサ信号の現在の状態を表す複数の測定を受信し、推定された信号を測定された信号で更新することが可能である現在公知または後に発明される、カルマンフィルタ、アルファベータフィルタ、粒子フィルタ、または任意の他のフィルタとして実装され得る。さらに、追跡フィルタ１１０は、他の実施形態では、限定ではないが、ニューラルネットワークまたは最大エントロピスキーム等の標準的追跡フィルタ以外に拡張されて実装され得る。
【００４４】
ある実施形態によると、重複検出器１１２が、Ｚｋを受信し、Ｚｋ内の測定された信号の任意の重複状態を検出するように位置付けられる。広義には、重複検出器１１２は、任意の測定ベクトルＺｋを受信し、Ｚｋ内の任意の２つのベクトルの任意の重複状態を検出し、重複状態における任意の信号の大きさを以前に受信された大きさで置換し、測定ベクトルＺｋを拡張するように構成される。
【００４５】
図３は、ある実施形態による、重複検出器１１２のプロセスを表すフローチャートを示す。ステップ４０２では、検出器１１２は、重複状態が摂動センサから反射または伝送される２つ以上の信号間に生じているかどうかを決定する。一実施形態では、重複状態は、２つ以上の反射もしくは伝送される信号間の波長の差異が所定の閾値を下回るときに生じ得る。これは、以下のように表され得る。
【数２】
2018517896.tif 000004
【００４６】
代替実施形態では、重複状態は、測定された状態ｉの数が推定された状態の数より少ないときに生じ得る。重複状態が生じていない場合、測定ベクトルＺｋは、直接、信号検出器１１２の出力にパスされるであろう。重複状態が生じている場合、Ｚｋの大きさは、重複状態の発生が停止するまで、更新することを停止する。したがって、重複状態が２つ以上の連続反復にわたって存在していない場合、測定ベクトルＺｋからの重複状態における信号の大きさは、記憶され得る（ステップ４０８に示されるように）。重複状態が２つ以上の反復にわたって存在している場合、記憶された大きさは、ステップ４１０に示されるように、読み出され、Ｚｋにおける現在の測定された大きさは、以前に記憶された大きさで置換される。このように、信号が重複状態にある限り、元々記憶されていた大きさが、出力にパスされる。
【００４７】
代替実施形態では、重複検出器１１２は、重複状態が２つ以上の反復にわたって存在しているかどうかを決定する代わりに、単に、重複状態における信号の大きさを所定の大きさで置換する。一実施形態では、所定の大きさは、重複状態における信号の以前の反復の設定数にわたる平均の大きさ値であり得る。例えば、重複検出器は、各信号に対する各受信された大きさを記憶し、各反復と以前の反復を平均し、信号毎に平均的大きさを求め得る。各信号のこの平均的大きさは、各重複した信号に対して現在の測定された大きさに取って代わるために使用され得る。代替として、恣意的または設定された大きさが、所定の大きさとして使用され得る。
【００４８】
ある実施形態によると、ステップ４０８では、重複状態では、測定ベクトルは、以下のように、重複状態における信号の波長および反射率が交換された場合を含むように拡張される。
【数３】
2018517896.tif 000005
【００４９】
これは、重複した信号のうちの１つが、それが重複される他の信号を通過しなかったが、代わりに、それが生じた方向から引き返した状態を考慮するためである。この状態に対して、測定ベクトルを拡張することは、以下に詳細に説明される関連付けステップに対してより多くの測定状態をもたらす。
【００５０】
例示的実施形態では、重複検出器１１２の出力は、追跡フィルタ１１０に入力される。一実施形態による、追跡フィルタ１１０のプロセスは、図５に示され、広義には、推定５０２、関連付け５０４、および更新５０６のステップを含む。追跡フィルタは、概して、当技術分野において周知であり、当業者は、複数の摂動センサの反射または伝送を追跡するために好適な任意の追跡フィルタが、選択され得ることを認識するであろう。
【００５１】
ステップ５０２では、追跡フィルタ１１０は、各ファイバ摂動センサ１０４の現在の状態を推定する。このステップのプロセスは、選択された追跡フィルタの種類に応じて変動するであろう。広義には、これらの追跡フィルタは、複数の線形運動学モデルおよび複数の線形または非線形測定モデルの集合の仮定下で動作する。例えば、カルマンフィルタは、プラントモデルと呼ばれる動的モデルおよび最近更新された値に従って推定値を計算し得る。例示的実施形態では、ステップ５０２の出力は、摂動センサ１０４によって反射または伝送された各信号に対する波長および大きさの推定ベクトルである。
【００５２】
ステップ５０４では、ステップ５０２によって出力される推定ベクトルおよび重複検出器１１２によって出力される測定ベクトルＺｋは両方とも、関連付けられるためにステップ５０４に入力される。このステップでは、各推定された信号は、推定されていた実際の測定された値に関連付けられる（それに割り当てられる）。一実施形態によると、誤差測定が、各推定された値と各測定された値との間に見出され、推定された値は、最小誤差値を伴って測定された値に割り当てられる。例示的実施形態では、この誤差値は、
【数３−１】
2018517896.tif 000006
によって定義されるイノベーション（ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）であり、式中、
【数３−２】
2018517896.tif 000007
は、イノベーション値であり、
【数３−３】
2018517896.tif 000008
は、測定ベクトルであり、
【数３−４】
2018517896.tif 000009
は、推定ベクトルである。したがって、イノベーションは、測定ベクトルと推定ベクトルとの間の差異を表す。代替実施形態では、測定された大きさと推定された大きさとの間の差異のみが、使用され得る。さらに別の実施形態では、測定された波長と推定された波長との間の差異のみが、誤差を計算するために使用され得る。さらに、一実施形態では、承認ゲートが、当技術分野において公知のように、関連付けの候補である測定値を選択するために使用され得る。例えば、楕円ゲートが、ゲートの波長および大きさのある範囲内の測定値のみが検討されるであろうように、推定された標的の周囲に中心を置かれ得る。当業者は、例えば、非ベイズ最近傍法、グローバル近傍法、または同時確率データ連合もしくは多重仮説追跡等のベイズ推定法を含む、当技術分野において公知の任意の数の関連付け方法が、使用され得ることを認識するであろう。
【００５３】
最後に、ステップ５０６では、各推定された信号は、関連付けられた測定された信号で更新される。更新するプロセスは、追跡フィルタ毎に変動し得、当技術分野において周知である。しかしながら、大部分のフィルタでは、推定および測定された値の加重平均が、見出される。推定および測定された値に割り当てられる重みは、追跡フィルタと、推定およびに測定された値の正確度における信頼性とに依存する。更新の値は、次いで、次の反復時の推定ステップ５０２への入力として使用される。このように、推定は、以前の反復における更新の値に基づく。
【００５４】
１つのみのフィルタが示されるが、当業者は、複数の追跡フィルタまたは追跡フィルタの任意の組み合わせが、使用され得ることを認識するであろう。
【００５５】
ある実施形態によると、前述のステップは、各反復に対して、または信号検出器によって生産された測定値Ｚｋの各組に対して繰り返されるであろう。
【００５６】
カルマンフィルタの実装は、単に、例証であり、本発明の範囲をいかようにも限定するものと意図されない。限定ではないが、アルファベータフィルタ、粒子フィルタ、または拡張カルマンフィルタを含む、摂動応答信号の波長および大きさを推定ならびに更新可能な任意のフィルタが、使用され得ることを理解されたい。
【００５７】
説明される主題の前述の実施形態は、多数の方法のいずれかにおいて実装されることができる。例えば、いくつかの実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを使用して実装され得る。実施形態の任意の側面が、少なくとも部分的に、ソフトウェア内に実装されるとき、ソフトウェアコードが、単一デバイスもしくはコンピュータ内に提供されるか、または複数のデバイス／コンピュータ間に分散されるかどうかにかかわらず、任意の好適なプロセッサまたはプロセッサの集合上で実行されることができる。
【００５８】
種々の実施形態が本明細書で説明および図示されたが、当業者は、本明細書で説明される機能を果たし、および／または結果ならびに／もしくは利点のうちの１つ以上のものを得るための種々の他の手段および／または構造を容易に想定し、そのような変形例ならびに／もしくは修正の各々は、本明細書で説明される本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者は、本明細書で説明される全パラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的となるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、ならびに／または構成は、本発明の教示が使用される、１つまたは複数の具体的用途に依存することを、容易に理解するであろう。当業者は、日常的にすぎない実験を使用して、本明細書で説明される本発明の具体的実施形態の多くの均等物を認識するか、または確認することができるであろう。
【００５９】
故に、前述から、提示される実施形態は、摂動センサの分野、特に、重複状態の前、間、および後に、摂動センサから反射または伝送される信号を追跡することに関して、有意な前進を表すことが理解されるであろう。本発明の詳細な実施形態は、例証の目的のために説明されているが、種々の修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることを理解されたい。故に、本発明は、添付の請求項を除き、限定されないものとする。
【００６０】
ここで、複数の摂動センサの反射または伝送された信号を追跡するためのカルマンフィルタとしての追跡フィルタの実装の詳細が説明されるであろう。説明される実施形態では、カルマンフィルタは、単一状態カルマンフィルタとして実装される。各特徴は、概して未知である動態を伴う点質量として処理される。センサ監視システムに利用可能なものは全て、関連付けられた測定不確実性を伴う特徴測定値の組である。各特徴は、直接測定されるか、または導出されるかのいずれかである。カルマンフィルタは、再帰的推定器であるので、唯一の要求される入力は、以前の時間ステップからの推定された状態および現在の測定値である。
【００６１】
カルマンフィルタは、プラントモデルと称される動的モデルを使用して、追跡されている物体の運動を推定する。本実施形態では、プラントは、以下の運動学的変数の非線形関数として実装されることができる。
【数４】
2018517896.tif 000010
式中、着目特徴であるｘは、時間ｔの関数として変化する。ｘ変数の上方に現れる上側ドットは、
【数４−１】
2018517896.tif 000011
がｘの一次時間微分を表し、
【数４−２】
2018517896.tif 000012
がｘの二次時間微分を表すように、示されるドットの数に対応する次数の時間微分を示し、
【数４−３】
2018517896.tif 000013
は、多くの場合、プロセスまたはプラント雑音と称される、プラントモデルに割り当てられる不確実性を表す、ランダム変数である。
【００６２】
他の特徴が、追跡され得るが、本実施形態では、各応答の波長（λ）および反射率のみが、追跡される。ジャーク（Ｊｅｒｋ）は、パラメータの三次時間微分のための項である。故に、波長のための状態方程式は、ジャークモデルとしてモデル化され、式中、
【数４−４】
2018517896.tif 000014
であり、以下のような状態空間内に示される。
【数５】
2018517896.tif 000015
【００６３】
ここで、
【数５−１】
2018517896.tif 000016
であり、ｗ（ｔ）は、白色雑音源である。パラメータαは、異なる動態シナリオのために選定され得る、相関パラメータである。αが「小」に選定される場合、ジャークモデルは、白色雑音によって支配される。一方、αが「大」に選定される場合、モデルは、一定加速モデルのように挙動する。以下の表記が、前述の連立方程式を記述するために使用され得る。
【数６】
2018517896.tif 000017
ｒに関する状態方程式は、以下のような状態空間内に示される白色雑音駆動速度モデル
【数６−１】
2018517896.tif 000018
である。
【数７】
2018517896.tif 000019
式中、同じ白色雑音プロセスが、上記から使用されるが、本発明は、この選択に限定されない。同様に、ρに対する動態は、以下のように要約されることができる。
【数８】
2018517896.tif 000020
これらのモデルは、以下のようにブロック行列形態で組み合わせられる。
【数９】
2018517896.tif 000021
【００６４】
６次元状態空間モデルである、この結果として生じるモデルは、各々がそれ自身のプラントを伴う任意の数の特徴を含むように拡張されることができる。
【００６５】
測定ベクトルＺは、この場合、２次元ベクトルであり（前述の詳細な説明に説明されるように）、以下の方程式によって状態ベクトルＸに関連させられ得る。
【数１０】
2018517896.tif 000022
式中、Ｖは、プラントプロセス雑音と相関されない、測定雑音ベクトルである。
【００６６】
対の方程式
【数１０−１】
2018517896.tif 000023
は、カルマンフィルタを使用して解法される。第１のステップは、均等離散連立方程式を導出することである。離散形態は、カルマンフィルタに固有の推定−更新方法によって、隠れ状態ベクトルＸに関して反復的に解法される。離散化手順は、当技術分野において周知であるので、結果のみが、ここでは示される。
【００６７】
残りの記述は、以下の表記を採用する。すなわち、
【数１０−２】
2018517896.tif 000024
は、推定されるべき隠れ状態変数を表し、
【数１０−３】
2018517896.tif 000025
は、以前の（ｋ−１）測定値に基づく、推定ステップからの状態変数を表し、
【数１０−４】
2018517896.tif 000026
は、最近のｋ番目の推定値に基づく、更新された状態推定値を表す。
【００６８】
カルマンフィルタは、事後確率分布関数（ｐｄｆ）
【数１０−５】
2018517896.tif 000027
が各時間ステップｋにおいてガウス分布である場合、最適ベイズ解を状態推定問題に与える。ここでは、
【数１０−６】
2018517896.tif 000028
は、推定されるべき隠れ状態変数であり、
【数１０−７】
2018517896.tif 000029
は、時間ステップｋまでの、かつその値を含む、測定ベクトルの集合である。
【００６９】
離散状態伝搬は、
【数１０−８】
2018517896.tif 000030
によって与えられ、式中、
【数１０−９】
2018517896.tif 000031
は、平均
【数１０−１０】
2018517896.tif 000032
および共分散行列Ｑｋ−１を伴う、ガウスプラント雑音である。状態伝搬行列Ｆｋは、選定されたプラントモデルに一意である。離散測定状態は、
【数１０−１１】
2018517896.tif 000033
であり、式中、
【数１０−１２】
2018517896.tif 000034
は、平均
【数１０−１３】
2018517896.tif 000035
および共分散行列Ｒｋを伴う、ガウス測定不確実性である。
【００７０】
カルマンフィルタを開始するために、先験的な状態推定値が、
【数１０−１４】
2018517896.tif 000036
が共分散行列
【数１０−１５】
2018517896.tif 000037
および非ゼロ平均を伴うガウス分布であるように選定される。例示的実施形態では、約摂動センサ１０４間の間隔の二乗の分散を伴う、第１のＮ個の測定値の平均が、計算される。第ｋ番目の反復において、カルマンフィルタの予測ステップが、
【数１０−１６】
2018517896.tif 000038
によって与えられ、更新された共分散は、
【数１０−１７】
2018517896.tif 000039
である。
最新測定値の使用に先立って、測定予測値が、
【数１０−１８】
2018517896.tif 000040
として計算され、測定予測誤差は、
【数１０−１９】
2018517896.tif 000041
によって与えられる。
【００７１】
反復毎に、ここに説明される更新ステップが、各推定ステップに対応し、新しい測定値
【数１０−２０】
2018517896.tif 000042
が導入される。新しい測定値と予測される測定値との間の差異は、イノベーション
【数１０−２１】
2018517896.tif 000043
として知られる。イノベーションは、重複中の追跡の問題の中心でもある。それは、あらゆる可能な仮説のうちのどれが各追跡を更新するために使用されるべきかを決定するために使用される。
【００７２】
カルマン利得は、補正ステップに不可欠であり、
【数１０−２２】
2018517896.tif 000044
として導出される。カルマン利得およびイノベーションが与えられると、状態ベクトル
【数１０−２３】
2018517896.tif 000045
およびその共分散
【数１０−２４】
2018517896.tif 000046
に対する更新は、それぞれ、
【数１０−２５】
2018517896.tif 000047
および
【数１０−２６】
2018517896.tif 000048
によって与えられる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を本明細書で説明および図示したが、当業者は、本明細書で説明される機能を果たし、および／または、結果ならびに／もしくは利点のうちの１つ以上のものを得るための種々の他の手段および／もしくは構造を容易に想定し、そのような変形例ならびに／もしくは修正の各々は、本明細書で説明される本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者は、本明細書で説明される全パラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的となるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、ならびに／または構成は、本発明の教示が使用される、１つもしくは複数の具体的用途に依存することを、容易に理解するであろう。当業者は、日常的にすぎない実験を使用して、本明細書で説明される本発明の具体的実施形態の多くの均等物を認識するか、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は、一例のみとして提示され、添付の請求項およびその同等物の範囲内で、具体的に説明ならびに請求される以外の方法で本発明が実践され得ることを理解されたい。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明される、各個別特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、そのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾していなければ、２つ以上のそのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせが、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【００７４】
全定義は、本明細書で定義および使用されるように、辞書的定義、参照することによって組み込まれた文書中の定義、ならびに／または定義された用語の通常の意味に優先するものと理解されたい。
【００７５】
本明細書および本請求項で使用されるような、「１つの」という不定冠詞は、明確にそれとは反対に示されない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されたい。
【００７６】
本明細書および本請求項で使用されるような、「および／または」という語句は、そのように結合される要素、すなわち、ある場合では接合的に存在し、他の場合では離接的に存在する要素の「いずれか一方または両方」を意味すると理解されたい。「および／または」と記載される複数の要素は、同様に、すなわち、そのように結合される要素の「１つ以上のもの」と解釈されるべきである。「および／または」という節によって具体的に識別される要素と関係するか、無関係であるかにかかわらず、それらの具体的に識別される要素以外に、他の要素が随意で存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」の参照は、「〜を備える」等の非制約的な用語と併せて使用されると、一実施形態では、Ａのみ（随意でＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ｂのみ（随意でＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意で他の要素を含む）等を指すことができる。
【００７７】
本明細書および本請求項で使用されるような、「または」は、上記で定義されるような「および／または」と同じ意味を有すると理解されたい。例えば、一覧中のアイテムを分離するときに、「または」もしくは「および／または」は、包括的であるとして解釈されるものであり、すなわち、少なくとも１つを含むが、多数の要素または要素の一覧のうちの２つ以上のものと、随意で、追加の非記載アイテムも含む。「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちの正確に１つ」等の、明確にそれとは反対に示される用語のみ、または、請求項で使用されるときに、「〜から成る」が、多数の要素または要素の一覧のうちの正確に１つの包含を指す。一般に、本明細書で使用されるような「または」という用語は、「いずれか一方」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」、または「〜のうちの正確に１つ」等の、排他性の用語が先行すると、排他的代替物（すなわち、「一方または他方であるが、両方ではない」）を示すものとしてのみ解釈されるものである。「本質的に〜から成る」は、請求項で使用されると、特許法の分野で使用されるような、その通常の意味を有するものである。
【００７８】
本明細書および請求項で使用されるような、１つ以上の要素の一覧を参照した「少なくとも１つ」という語句は、要素の一覧中の要素のうちのいずれか１つ以上のものから選択される、少なくとも１つの要素を意味するが、要素の一覧内で具体的に記載される、あらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、要素の一覧中の要素の任意の組み合わせを除外しないことを理解されたい。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が指す要素の一覧内で具体的に識別される要素と関係するか、無関係であるかにかかわらず、それらの具体的に識別される要素以外の要素が随意で存在し得ることも許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在しない、随意で２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ（随意でＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ａが存在しない、随意で２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（随意でＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、随意で２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ、および、随意で２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（随意で他の要素を含む）等を指すことができる。
【００７９】
また、明確にそれとは反対に示されない限り、２つ以上のステップまたは作用を含む、本明細書で請求される任意の方法では、方法のステップまたは作用の順序は、必ずしも、方法のステップもしくは作用が列挙される順序に限定されないことを理解されたい。
【００８０】
請求項ならびに上記の明細書では、「〜を備える」、「〜を含む」、「〜を担持する」、「〜を有する」、「〜を含む」、「〜を伴う」、「〜を保持する」、「〜から成る」および同等物等の全移行句は非制約的である、すなわち、「〜を含むがそれらに限定されない」を意味すると理解されたい。「〜から成る」および「本質的に〜から成る」という移行句のみが、Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３に規定されているように、それぞれ、制約的または半制約的な移行句となるものである。
【図１】
2018517896.tif 000049
【図２】
2018517896.tif 000050
【図３】
2018517896.tif 000051
【図４】
2018517896.tif 000052
【図５】
2018517896.tif 000053
【国際調査報告】
2018517896.tif 000054
2018517896.tif 000055