分布式光纖傳感專利技術淺析

國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300304

一、引言

光纖傳感技術是現代光纖通信技術發展的產物，隨著傳感技術和通信技術的發展而逐步成長起來的一門新興監測技術，其基本原理是基于溫度、壓力、電場、磁場等環境條件的變化引起的光波量如光強度、相位、頻率、偏振態等的變化來進行監測。相較于機械式傳感器，電子式傳感器，其具有抗電磁干擾、結構簡單、環境適應性好、測量精度高、應用范圍廣等優點[1]。

分布式光纖傳感技術起源于20世紀70年代末期，基于光纖工程中應用廣泛的OTDR-光時域反射技術發展起來，是一種新型傳感技術，可以準確測量光纖沿線上任何一點的溫度、振動、應變和損失，能夠實現測量信息的大范圍提取，解決了現有測量領域中眾多技術難題。

本文主要從分布式光纖傳感技術發展概況和分布式光纖傳感專利申請量分析兩個方面對分布式光纖傳感技術進行概述。通過對技術發展概況的總結，了解分布式光纖傳感的技術原理和要點；通過對分布式光纖傳感技術專利申請量從興起到現在的申請情況，了解該技術近十幾年來的發展情況。

二、分布式光纖傳感技術發展概況

基于分布式的光纖傳感器首先要解決對攜帶信息的光信號的識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量溫度）來調制集光系數和不同于散射損耗的其他損耗機制來實現分布測量。但是它們都有只能傳感有限長度（或點數）的缺點。除具備一般光纖傳感器的特點，分布式光學傳感器兼具了傳輸與傳感兩個功能，傳輸路徑上的光學為傳感系統的傳感元，而且光纖在通信波長處的傳輸損耗非常小，容易實現幾十到上百公里的測量范圍，這種長距離分布式傳感的用于非常廣泛，能夠用于監測大樓整體建筑、大壩、橋梁、隧道及輸油管道、海底光纜等方面[2]。

對于較長距離的分布測量應用，基于散射機理的分布傳感系統卻顯示出無比的優越性。目前對基于散射機理的分布式光纖傳感器的研究主要集中在以下三個方面：

（1）基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術；

（2）基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術；

（3）基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術。

其中，基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纖傳感技術的研究已經趨于成熟，并逐步走向實用化?；诓祭餃Y散射的分布傳感技術的研究起步較晚，但它在溫度、應變測量上所達到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術。

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現分布式溫度和應變的傳感以來，利用布里淵散射光來檢測光纖沿線應變分布技術目前已成為一些發達國家，如日本、加拿大、瑞士、法國和美國等國家競相研發的課題，目前對布里淵散射的分布式光纖傳感器主要集中在以下三個方面的研究[3]：

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

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

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

BOCDA技術采用頻率調制的連續泵浦光和探測光并求兩者相關函數，是一種可大大提高分布式光纖系統空間分辨率的技術方案，其實驗系統的空間分辨率理論上可達到毫米量級。

基于BOTDR技術的光纖傳感技術是在傳統的光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）基礎上發展起來的，其基本原理框圖如圖1所示。在BOTDR中，背向的自發布里淵散射代替了瑞利散射。布里淵散射極其微弱，相對于瑞利散射來說要低大約兩～三個數量級，而且相對于Raman散射光來說布里淵頻移很小，檢測起來較為困難，通常采用的檢測方法有直接檢測和相干檢測兩種。對于布里淵散射信號的直接檢測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年英國南安普敦大學研究小組Huai H.Kee[4]等人利用M-Z干涉儀實現自發布里淵散射的提取，獲得溫度和應變的同時傳感，傳感精度分別達到4℃和290℃，距離分辨率為10m。另外T.R.Parker[2]等人通過對背向自發布里淵散射斯托克斯和反斯托克斯光譜的測量同樣實現了溫度/應變的同時測量，獲得了理想的實驗效果。

在基于BOTDA的分布式光纖傳感技術的研究中，Horiguchi等人首先實現了BOTDA的分布式應變測量，在這之后，X.Bao[1]等人對BOTDA系統進行了一系列的研究。BOTDA系統的顯著特點是動態范圍大，測量精度高，但系統較復雜，需要使用兩臺激光器在被測光纖兩端同時進行測量，因而給實際應用帶來一定的困難，其基本原理框圖如圖2所示。

BOFDA分布式光纖傳感技術是1997年德國D.Garus[5]等人提出的一種新型的分布式光纖傳感技術。其同樣是利用布里淵頻移特性來實現溫度/應變的傳感，但其被測量空間定位不再是傳統的光時域反射技術，而是通過得到光纖的復合基帶傳輸函數來實現的。因此，傳感光纖兩端所注入的光為頻率不同的連續光，其中探測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）由基帶傳輸函數即可得到系統的實時沖激響應，反映光纖沿線的溫度/應變等的分布信息。在BOFDA系統中，系統的空間分辨率由調制信號的最大和最小調制頻率決定，最大傳感距離由調制信號頻率變化的步長決定?；谏鲜鲈?，D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纖傳感系統實驗方面的研究，并取得了溫度分辨率5℃、應變分辨率0.01%和空間分辨率3m的實驗結果。

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時域分析方法，目前它已經能實現小尺寸物體（15cm直徑鋼管）上的1cm的空間分辨率的測量，同時采樣率已經達到57Hz，可以實現應變的動態測量，未來有望取代基于FBG的點傳感器，其研究小組用BOCDA 成功測量了5cm 振動塊上的動態應變分布，采樣頻率8.8Hz，應變分辨率±38με。

三、分布式光纖傳感專利技術分析

1、專利申請量趨勢分析

通過關鍵詞“分布式”、“光纖”在專利庫CNTXT和VEN中進行檢索，截止到2016年年底，光纖傳感技術相關的國內專利申請量10161件，國外專利申請量有31230件，從圖3中可以看出，中國專利申請量從2010年開始出現大幅度增長，到2014年出現高峰，而從2015年開始緩慢下降，進入平穩期；而國外相關技術的發展則一直處于領先狀態，其專利申請一直處于較快增長階段，在2015年達到高峰期，并之后開始下降。這說明在2014年到2015年之間，國內關于分布式光纖傳感技術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ζ鋺眠M行進一步研究，申請量趨于平穩；而在國外，分布式光纖傳感技術申請量大，且發展較為先進，從20世紀開始一直處于較快發展階段，直至2015年左右申請量達到高峰，技術發展到一定水平之后，才逐漸平穩。

2、同領域主要申請人分析

在分布式光纖傳感領域，在國內申請量中，國家電網、華為技術有限公司，中國計量學院的申請量占據前三位，國家電網申請量229件，華為申請量183件，中國計量學院178件。而在國外申請量中，微軟、通用電氣和黑莓占申請量前三位，其中，微軟321件，通用電氣199件，黑莓154件。

3、申請所屬分類號分析

對使用關鍵詞“分布式”、“光纖”進行檢索得到的專利文獻進行統計分析，得出上述專利文獻數量最多的三類分類號分別是：

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

G01B 11/16——采用光學方法為特征的用于計量固體的變形，例如光學應變儀(252件)；

G01H 9/00——應用對輻射敏感的裝置，例如光學裝置，測量機械振動或超聲波、聲波或次聲波（230件）。

由此可見，分布式光纖傳感目前應用最廣泛的還是溫度測量、應變測量和振動測量。

四、總結與展望[7]

應用場合的不同要求對布里淵分布式傳感器提出了更高的要求，其未來發展方向有幾個方面：

（1）提高空間分辨率和傳感精度。BOTDA研究是最多的，其能夠實現的傳感距離長，因此，應用前景也較為廣闊，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和方向 ；

（2）進一步解決BOTDR的微弱信號檢測問題；

（3）進一步擴展BOCDA和BOFDA的應用范圍，因為BOCDA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勢，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度以開發新的應用領域；

（4）進一步發展分布式傳感復用系統，實現多參量、多指標、三維和多維監測；

（5）降低系統成本，目前市面商已有產品售價較高，難以實現普遍應用，如何降低系統成本是研究人員需要密切關注的問題。