國家知識產(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)展而逐步成長起來的一門新興監(jiān)測技術(shù)，其基本原理是基于溫度、壓力、電場、磁場等環(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。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)簡單、環(huán)境適應(yīng)性好、測量精度高、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)確測量光纖沿線上任何一點(diǎn)的溫度、振動、應(yīng)變和損失，能夠?qū)崿F(xiàn)測量信息的大范圍提取，解決了現(xiàn)有測量領(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量分析兩個(gè)方面對分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行概述。通過對技術(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)；通過對分布式光纖傳感技術(shù)專利申請量從興起到現(xiàn)在的申請情況，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(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)分布測量。但是它們都有只能傳感有限長度（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處的傳輸損耗非常小，容易實(shí)現(xiàn)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(jiān)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(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)變測量上所達(dá)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(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光纖沿線應(yīng)變分布技術(shù)目前已成為一些發(fā)達(dá)國家，如日本、加拿大、瑞士、法國和美國等國家競相研發(fā)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(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。

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，相對于瑞利散射來說要低大約兩～三個(gè)數(shù)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(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]等人通過對背向自發(fā)布里淵散射斯托克斯和反斯托克斯光譜的測量同樣實(shí)現(xiàn)了溫度/應(yīng)變的同時(shí)測量，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)變測量，在這之后，X.Bao[1]等人對BOTDA系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究。BOTDA系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是動態(tài)范圍大，測量精度高，但系統(tǒng)較復(fù)雜，需要使用兩臺激光器在被測光纖兩端同時(shí)進(jìn)行測量，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(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)變的動態(tài)測量，未來有望取代基于FBG的點(diǎn)傳感器，其研究小組用BOCDA 成功測量了5cm 振動塊上的動態(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、專利申請量趨勢分析

通過關(guān)鍵詞“分布式”、“光纖”在專利庫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)的國內(nèi)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(xiàn)大幅度增長，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)，其專利申請一直處于較快增長階段，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ζ鋺?yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究，申請量趨于平穩(wěn)；而在國外，分布式光纖傳感技術(shù)申請量大，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)域主要申請人分析

在分布式光纖傳感領(lǐng)域，在國內(nèi)申請量中，國家電網(wǎng)、華為技術(shù)有限公司，中國計(jì)量學(xué)院的申請量占據(jù)前三位，國家電網(wǎng)申請量229件，華為申請量183件，中國計(jì)量學(xué)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(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(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)用對輻射敏感的裝置，例如光學(xué)裝置，測量機(jī)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(yīng)用最廣泛的還是溫度測量、應(yīng)變測量和振動測量。

四、總結(jié)與展望[7]

應(yīng)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(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，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的微弱信號檢測問題；

（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，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(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；

（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。