分布式光纖傳感專利技術(shù)淺析

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304

一、引言

光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代光纖通信技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，隨著傳感技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展而逐步成長(zhǎng)起來的一門新興監(jiān)測(cè)技術(shù)，其基本原理是基于溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件的變化引起的光波量如光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等的變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相較于機(jī)械式傳感器，電子式傳感器，其具有抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好、測(cè)量精度高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1]。

分布式光纖傳感技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代末期，基于光纖工程中應(yīng)用廣泛的OTDR-光時(shí)域反射技術(shù)發(fā)展起來，是一種新型傳感技術(shù)，可以準(zhǔn)確測(cè)量光纖沿線上任何一點(diǎn)的溫度、振動(dòng)、應(yīng)變和損失，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量信息的大范圍提取，解決了現(xiàn)有測(cè)量領(lǐng)域中眾多技術(shù)難題。

本文主要從分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展概況和分布式光纖傳感專利申請(qǐng)量分析兩個(gè)方面對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行概述。通過對(duì)技術(shù)發(fā)展概況的總結(jié)，了解分布式光纖傳感的技術(shù)原理和要點(diǎn)；通過對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)專利申請(qǐng)量從興起到現(xiàn)在的申請(qǐng)情況，了解該技術(shù)近十幾年來的發(fā)展情況。

二、分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展概況

基于分布式的光纖傳感器首先要解決對(duì)攜帶信息的光信號(hào)的識(shí)別和起源位置的確定。在早期有人提出可以采用某種方式（比如，用具有不同熱光系數(shù)的材料來制作光纖的芯和包層，用隨溫度而變化的吸收帶等方法測(cè)量溫度）來調(diào)制集光系數(shù)和不同于散射損耗的其他損耗機(jī)制來實(shí)現(xiàn)分布測(cè)量。但是它們都有只能傳感有限長(zhǎng)度（或點(diǎn)數(shù)）的缺點(diǎn)。除具備一般光纖傳感器的特點(diǎn)，分布式光學(xué)傳感器兼具了傳輸與傳感兩個(gè)功能，傳輸路徑上的光學(xué)為傳感系統(tǒng)的傳感元，而且光纖在通信波長(zhǎng)處的傳輸損耗非常小，容易實(shí)現(xiàn)幾十到上百公里的測(cè)量范圍，這種長(zhǎng)距離分布式傳感的用于非常廣泛，能夠用于監(jiān)測(cè)大樓整體建筑、大壩、橋梁、隧道及輸油管道、海底光纜等方面[2]。

對(duì)于較長(zhǎng)距離的分布測(cè)量應(yīng)用，基于散射機(jī)理的分布傳感系統(tǒng)卻顯示出無比的優(yōu)越性。目前對(duì)基于散射機(jī)理的分布式光纖傳感器的研究主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

（2）基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；

（3）基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。

其中，基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)的研究已經(jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没?。基于布里淵散射的分布傳感技術(shù)的研究起步較晚，但它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上所達(dá)到的測(cè)量精度、測(cè)量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)。

自從Horiguchi[1]等人首次分別提出利用布里淵散射頻移特性來實(shí)現(xiàn)分布式溫度和應(yīng)變的傳感以來，利用布里淵散射光來檢測(cè)光纖沿線應(yīng)變分布技術(shù)目前已成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本、加拿大、瑞士、法國(guó)和美國(guó)等國(guó)家競(jìng)相研發(fā)的課題，目前對(duì)布里淵散射的分布式光纖傳感器主要集中在以下三個(gè)方面的研究[3]：

（1）基于布里淵光時(shí)域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry ，BOTDR）技術(shù)的分布式光纖傳感器；

（2）基于布里淵光時(shí)域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis ，BOTDA）技術(shù)的分布式光纖傳感器；

（3）基于布里淵光頻域分析（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis ，BOFDA）技術(shù)的分布式光纖傳感器；

（4）基于布里淵光相關(guān)域分析（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis，BOCDA）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。

BOCDA技術(shù)采用頻率調(diào)制的連續(xù)泵浦光和探測(cè)光并求兩者相關(guān)函數(shù)，是一種可大大提高分布式光纖系統(tǒng)空間分辨率的技術(shù)方案，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的空間分辨率理論上可達(dá)到毫米量級(jí)。

基于BOTDR技術(shù)的光纖傳感技術(shù)是在傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理框圖如圖1所示。在BOTDR中，背向的自發(fā)布里淵散射代替了瑞利散射。布里淵散射極其微弱，相對(duì)于瑞利散射來說要低大約兩～三個(gè)數(shù)量級(jí)，而且相對(duì)于Raman散射光來說布里淵頻移很小，檢測(cè)起來較為困難，通常采用的檢測(cè)方法有直接檢測(cè)和相干檢測(cè)兩種。對(duì)于布里淵散射信號(hào)的直接檢測(cè)需要將微弱的布里淵散射光從瑞利背向散射光中分離出來。

1999年英國(guó)南安普敦大學(xué)研究小組Huai H.Kee[4]等人利用M-Z干涉儀實(shí)現(xiàn)自發(fā)布里淵散射的提取，獲得溫度和應(yīng)變的同時(shí)傳感，傳感精度分別達(dá)到4℃和290℃，距離分辨率為10m。另外T.R.Parker[2]等人通過對(duì)背向自發(fā)布里淵散射斯托克斯和反斯托克斯光譜的測(cè)量同樣實(shí)現(xiàn)了溫度/應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)效果。

在基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)的研究中，Horiguchi等人首先實(shí)現(xiàn)了BOTDA的分布式應(yīng)變測(cè)量，在這之后，X.Bao[1]等人對(duì)BOTDA系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。BOTDA系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高，但系統(tǒng)較復(fù)雜，需要使用兩臺(tái)激光器在被測(cè)光纖兩端同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，因而給實(shí)際應(yīng)用帶來一定的困難，其基本原理框圖如圖2所示。

BOFDA分布式光纖傳感技術(shù)是1997年德國(guó)D.Garus[5]等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術(shù)。其同樣是利用布里淵頻移特性來實(shí)現(xiàn)溫度/應(yīng)變的傳感，但其被測(cè)量空間定位不再是傳統(tǒng)的光時(shí)域反射技術(shù)，而是通過得到光纖的復(fù)合基帶傳輸函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。因此，傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續(xù)光，其中探測(cè)光與泵浦光頻差約等于光纖中的布里淵頻移量。利用快速傅里葉逆變換（Invert Fast Fourier Transformation，IFFT）由基帶傳輸函數(shù)即可得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)沖激響應(yīng)，反映光纖沿線的溫度/應(yīng)變等的分布信息。在BOFDA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的空間分辨率由調(diào)制信號(hào)的最大和最小調(diào)制頻率決定，最大傳感距離由調(diào)制信號(hào)頻率變化的步長(zhǎng)決定?；谏鲜鲈恚珼.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方面的研究，并取得了溫度分辨率5℃、應(yīng)變分辨率0.01%和空間分辨率3m的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

BOCDA是由Hotate[6]等為了改善空間分辨率和采樣率而提出的一種布里淵相關(guān)時(shí)域分析方法，目前它已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)小尺寸物體（15cm直徑鋼管）上的1cm的空間分辨率的測(cè)量，同時(shí)采樣率已經(jīng)達(dá)到57Hz，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)測(cè)量，未來有望取代基于FBG的點(diǎn)傳感器，其研究小組用BOCDA 成功測(cè)量了5cm 振動(dòng)塊上的動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布，采樣頻率8.8Hz，應(yīng)變分辨率±38με。

三、分布式光纖傳感專利技術(shù)分析

1、專利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

通過關(guān)鍵詞“分布式”、“光纖”在專利庫(kù)CNTXT和VEN中進(jìn)行檢索，截止到2016年年底，光纖傳感技術(shù)相關(guān)的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量10161件，國(guó)外專利申請(qǐng)量有31230件，從圖3中可以看出，中國(guó)專利申請(qǐng)量從2010年開始出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，到2014年出現(xiàn)高峰，而從2015年開始緩慢下降，進(jìn)入平穩(wěn)期；而國(guó)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展則一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，其專利申請(qǐng)一直處于較快增長(zhǎng)階段，在2015年達(dá)到高峰期，并之后開始下降。這說明在2014年到2015年之間，國(guó)內(nèi)關(guān)于分布式光纖傳感技術(shù)的研究處于比較熱門的階段，而之后，則是由一些在光纖傳感方面研究比較深入的高?；蜓芯克鶎?duì)其應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究，申請(qǐng)量趨于平穩(wěn)；而在國(guó)外，分布式光纖傳感技術(shù)申請(qǐng)量大，且發(fā)展較為先進(jìn)，從20世紀(jì)開始一直處于較快發(fā)展階段，直至2015年左右申請(qǐng)量達(dá)到高峰，技術(shù)發(fā)展到一定水平之后，才逐漸平穩(wěn)。

2、同領(lǐng)域主要申請(qǐng)人分析

在分布式光纖傳感領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量中，國(guó)家電網(wǎng)、華為技術(shù)有限公司，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的申請(qǐng)量占據(jù)前三位，國(guó)家電網(wǎng)申請(qǐng)量229件，華為申請(qǐng)量183件，中國(guó)計(jì)量學(xué)院178件。而在國(guó)外申請(qǐng)量中，微軟、通用電氣和黑莓占申請(qǐng)量前三位，其中，微軟321件，通用電氣199件，黑莓154件。

3、申請(qǐng)所屬分類號(hào)分析

對(duì)使用關(guān)鍵詞“分布式”、“光纖”進(jìn)行檢索得到的專利文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出上述專利文獻(xiàn)數(shù)量最多的三類分類號(hào)分別是：

G01K 11/32—利用在光纖中的透射、散射或熒光的變化的溫度測(cè)量(570件)；

G01B 11/16——采用光學(xué)方法為特征的用于計(jì)量固體的變形，例如光學(xué)應(yīng)變儀(252件)；

G01H 9/00——應(yīng)用對(duì)輻射敏感的裝置，例如光學(xué)裝置，測(cè)量機(jī)械振動(dòng)或超聲波、聲波或次聲波（230件）。

由此可見，分布式光纖傳感目前應(yīng)用最廣泛的還是溫度測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量。

四、總結(jié)與展望[7]

應(yīng)用場(chǎng)合的不同要求對(duì)布里淵分布式傳感器提出了更高的要求，其未來發(fā)展方向有幾個(gè)方面：

（1）提高空間分辨率和傳感精度。BOTDA研究是最多的，其能夠?qū)崿F(xiàn)的傳感距離長(zhǎng)，因此，應(yīng)用前景也較為廣闊，如何提高空間分辨率和傳感精度，是未來研究人員需要展開深入研究的目標(biāo)和方向 ；

（2）進(jìn)一步解決BOTDR的微弱信號(hào)檢測(cè)問題；

（3）進(jìn)一步擴(kuò)展BOCDA和BOFDA的應(yīng)用范圍，因?yàn)锽OCDA和BOFDA在理論上容易獲得較高的空間分辨率，在智能材料傳感上具有優(yōu)勢(shì)，有望取代FBG傳感器，因此，有必要深入研究如何提高其傳感長(zhǎng)度以開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域；

（4）進(jìn)一步發(fā)展分布式傳感復(fù)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多參量、多指標(biāo)、三維和多維監(jiān)測(cè)；

（5）降低系統(tǒng)成本，目前市面商已有產(chǎn)品售價(jià)較高，難以實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用，如何降低系統(tǒng)成本是研究人員需要密切關(guān)注的問題。