分布式光纖溫度傳感專利技術綜述

呂昕 賈祥志

摘要：本文從專利的角度出發(fā)，對分布式光纖溫度傳感技術的專利申請進行了梳理，分析了分布式光纖溫度傳感專利技術的申請趨勢和技術動態(tài)，有助于技術人員了解該技術的發(fā)展脈絡、重要申請人的相關技術分布，并為該領域的檢索方法提供了一些建議。

關鍵詞：分布式;光纖;溫度;專利分析

中圖分類號： TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）27-0042-04

Summary of Patent Technology for Distributed Optical Fiber Temperature Sensor

LYU Xin? JIA Xiangzhi

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， CNIPA， Zhengzhou Henan 450018）

Abstracts： From the perspective of the patent， this paper combs the patent applications of distributed optical fiber temperature sensing technology ， and analyses the application trends and technical dynamics of distributed optical fiber temperature sensing patent technology. It helps technicians to learn the development of the technology and the relevant technical distribution of important applicants， and provides some suggestions for the retrieval methods in this field.

Key words： distributed ; optical fiber;? temperature sensor;? patent analysis

1 引言

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是指以光纖為傳感介質，將一束調制后的脈沖光注入到傳感光纖中，脈沖光在向前傳輸過程中不斷產生后向散射光，外界溫度場以一定的空間分布方式對光纖中的光信號進行調制，通過光電探測器采集調制信號并分析處理，給出沿光纖長度方向上溫度的連續(xù)分布值，從而得到外界溫度場的大小及空間分布。而光在光纖中的三種后向散射光信號分別基于瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射產生[1]。

光纖溫度傳感基于光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高壓等優(yōu)勢。由于分布式光纖溫度傳感器具有成本低、分布式測量、實時性好的優(yōu)點，因此其應用非常廣泛，并且具有廣闊的市場前景[2]。因此了解目前分布式光纖溫度傳感專利技術的發(fā)展趨勢、分析世界各國技術研發(fā)重點及主要目標市場布局，對我國分布式光纖溫度傳感技術知識產權的保護，具有重要的社會、經濟意義。

2 國內外專利情況分析

2.1 全球/國內申請趨勢分析

通過對incopat專利數據庫進行檢索、篩選后得到分布式光纖溫度傳感技術方面的專利申請4 158項，其中中國專利申請1 665項（截至2018年12月31日）。由于2017—2019年的專利申請存在未完全公開的情況，因此該數據不代表這兩個年份的全部申請量。圖1顯示的是國內外專利申請量對比圖。

根據圖1可以看出，全球分布式光纖測溫傳感專利技術大致可以分為3個發(fā)展階段。

2.1.1 技術萌芽期。2002年以前，全球分布式光纖測溫傳感專利的申請量比較少，分布式光纖溫度傳感技術還處于探索階段，在2002年之后，隨著研究的深入和研發(fā)技術的深入，專利申請才漸漸進入活躍期。

2.1.2 技術發(fā)展期。2002—2006年，國內外專利申請步伐不一致。國外專利申請比較多，這與國外對光纖測溫技術研發(fā)較早、技術儲備豐厚有著直接的關系，而此階段我國的分布式光纖溫度傳感技術專利申請量均處于比較低的狀態(tài)，這說明國內專利技術申請起步比較晚，國內申請人對此技術的研發(fā)仍處于起步階段。

2.1.3 快速增長期。2006年之后，隨著中國增強了知識產權保護，國內知識產權意識顯著增強，分布式光纖測溫技術專利申請在國內迎來了迅猛增長，國內分布式光纖測溫技術進入了快速發(fā)展期。2006年之后至今，國外分布式光纖傳感領域的專利申請仍然保持著大致穩(wěn)定的申請量和較高的活躍度，并實現了一定的技術突破，在2012和2015年甚至達到了兩次技術發(fā)展的小高峰。隨著中國申請人在分布式光纖溫度傳感技術方面的加速追趕，分布式光纖溫度傳感技術方面的專利布局將會愈演愈烈。

2.2 全球重點申請人分析

圖2是全球主要申請人申請數量比例圖。從圖2可以看出，國家電網公司、中國計量學院、BAKER HUGHES INCORPORATED、SENSORTRAN INC公司占據申請量前4位。然而結合前10位申請人可以看出，前10位的申請人中僅有3位為中國申請人。對于申請人國家電網公司，具有眾多關聯(lián)單位，因此國家電網公司的申請量遠遠高出其他申請人，根據專利申請情況來看，國家電網公司的專利申請主要是集中在光纖測溫的具體應用上;中國計量學院是以傳感測量為特色的高校，溫度傳感作為一門重要的感測技術，其一直被科研工作者所重視，因此該校在光纖傳感領域具有著相當數量的技術和專利數量積累;此外，上海華魏光纖傳感技術有限公司作為國內第一個把光纖分布式溫度監(jiān)測技術帶入中國市場的企業(yè)，其也擁有排名靠前的巨大的專利申請數量，該公司實際上成為了分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)專業(yè)方面的國內市場先驅者和事實上的行業(yè)壟斷領導者。

分布式光纖溫度傳感技術的核心技術申請人，仍然是以國外申請占多數優(yōu)勢，申請量前10的申請人中，有7位是國外企業(yè)，BAKER HUGHES INCORPORATED、SENSORTRAN INC、WEATHERFORD/LAMB INC等公司，均為現代知名的光纖技術巨頭，上述三公司分別排名三、四、五位。

2.3 國內重點申請人分析

在光纖溫度傳感器領域，國內起步較晚，在20世紀80年代末期，國內才開始對基于分布式光纖溫度傳感器進行研究，目前多是基于已經研究較為成熟的國外光纖測溫技術的引進和應用。圖3為光纖溫度傳感器領域國內申請量前10位的申請人，圖4為國內申請人類型圖，從上述兩圖可以看出，光纖溫度傳感器的研究主體還是集中在具有一定實力的大企業(yè)、高新企業(yè)和高校上，如國家電網公司、上海華魏光纖傳感有限公司、中國計量學院、武漢理工大學等。企業(yè)申請量最高，可見光纖測溫技術已經是具有極大應用價值的傳感技術，企業(yè)作為該項技術的直接實施主體可以在生產應用中發(fā)現存在的技術問題并進一步的對該技術進行改進，因此企業(yè)成為該項技術相關專利申請的絕對主力，其他高校如武漢理工大學、山東大學等，在專利申請量上也占有一定比例，高校、大專院校的申請量大與高校的科研性質定位有關。

3 分布式光纖溫度傳感技術典型國內外專利申請

分布式光纖傳感技術研發(fā)已久，其技術分支眾多，基于傳感原理的不同主要分為以下三個研究方向：基于瑞利散射信號的傳感技術、基于布里淵散射信號的傳感技術、基于拉曼散射信號的傳感技術。下面對幾種不同的分布式傳感技術的典型專利技術發(fā)展形勢作簡要介紹。

3.1 基于瑞利散射信號的傳感技術

由于瑞利散射光更大且更容易測量，因此瑞利散射信號能夠更快響應，從而基于瑞利散射信號的光纖傳感技術是最早發(fā)展起來的傳感技術，是現代分布式光纖傳感技術的基礎。

GB2183821B1（申請人：通用電氣公司，公開時間1987年）公開了一種較早的基于瑞利散射的測溫系統(tǒng)，在比率裝置中比較瑞利斯托克斯散射光和瑞利反斯托克斯散射光的強度，以給出光纖溫度的指示。

US6545760B1（申請人：NASA US NAT AERO & SPACE ADMIN，公開時間2003年）公開了一種光纖應變測量方法。本申請使用瑞利散射光的光譜偏移來測量光纖中的應變的裝置和方法，測量由氣隙反射器和反向散射輻射產生的干涉圖案。

US9002152（申請人：GEN DYNAMICS ADVANCED INFORMATION SYSTEM公司，公開時間2013年）公開了一種改善光纖傳感路程的方法，通過將返回信號分離成多個路徑，從而降低用于實現多個接收器路徑的硬件成本，并采用拉曼泵浦激光器提供的放大允許更長的光纖傳感距離。

然而該技術的缺陷在于測量精度低，傳感距離短，這很大程度上限制了基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)的應用。由于技術壁壘尚未完全突破，近年來該類型專利申請的申請量呈下降趨勢。

3.2 基于布里淵散射信號的傳感技術

基于布里淵散射信號的傳感技術在溫度、應力測量上所能達到的測量精度、測量長度和空間分辨率高于其他傳感技術，因此得到廣泛的關注與研究。

CN101427108A（申請人：住友電氣工業(yè)株式會社，2006年）公開了一種典型的可用于溫度測量的布里淵頻譜測定方法及布里淵頻譜測定裝置，該測定方法中具有光纖部，其包括經由連接部串聯(lián)連接的第一及第二光纖，上述第一及第二光纖具有布里淵頻譜。

US2008/0018903A1（申請人：UNIV OTTAWA等，公開時間2008年）公開了一種基于兩個DFB激光器的分布式布里淵傳感器系統(tǒng)，該兩個DFB激光器以布里淵頻率偏移鎖定，具有光學延遲線以提供頻率調諧，這對于監(jiān)測具有長或大表面積的大型結構的健康狀況有利。

CN103443604A（申請人：雷蒙特亞特拉維夫大學有限公司，公開時間2013年）申請了一種在光纖中進行分布式動態(tài)布里淵傳感的方法，該方法允許單個泵浦脈沖沿著整個光纖進行快速應變變量取樣，沿著整個光纖長度，同時對量級為KHZ的應變振動取樣，具有不同的平均布里淵頻移。

對于基于布里淵散射信號的傳感技術，研發(fā)人員已經不滿足于基于單純的布里淵散射信號實現單純的溫度測量，正致力于實現精確的基于布里淵散射信號的溫度、應變或振動等多變量的復合測量。

3.3 基于拉曼散射信號的傳感技術

基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術是分布式光纖傳感技術中最為成熟的一項技術，其優(yōu)點是對半導體激光器的功率要求較低。

JP特開2007-240174A（申請人：橫河電機株式會社，公開時間2006年）公開了一種典型的基于拉曼散射的分布式光纖測溫傳感系統(tǒng)，具有控制單元9，該控制單元使用從采樣單元獲得的采樣數據，基于拉曼散射光測量條件設置從激光二極管8發(fā)射的光的光強度。

CN101162158A（申請人：中國計量學院，公開時間2008年）公開了一種遠程分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，將分布式光纖拉曼光子溫度傳感器、分布式光纖布里淵光子應變傳感器及分布式光纖拉曼放大器融合在一起。增大了傳感器的傳輸距離，提高了溫度和應變的測量精度。

US2015300891A1（申請人：BAKER HUGHES公司，公開時間2015年）公開了一種隨鉆測量過程的分布式溫度傳感器，用于根據斯托克斯或反斯托克斯拉曼散射與初級和次級瑞利散射的組合之間的比率確定溫度。

基于拉曼散射信號的傳感技術，缺點在于散射光十分微弱，探測比較困難，從而影響了實際系統(tǒng)的空間和溫度分辨率的提高。該技術方面的專利申請，研發(fā)重點多集中在提高測溫精度方面，近年來也出現了基于復合信號實現變量測量，或者基于拉曼散射信號實現復合變量測量的專利申請。

4 總結與建議

4.1 總結

通過以上專利分析，我們可以初步得出以下結論。

其一，分布式光纖溫度傳感技術已經臻與成熟，但仍然具有相當的活躍度與研究價值，國內外申請人仍在積極地參與在分布式光纖溫度傳感技術的研發(fā)與改進中。然而國內申請較多是將現有技術的光纖測溫技術應用于具體待測環(huán)境中，在光纖傳感裝置上的創(chuàng)新力度仍然不夠我國專利傳感研發(fā)技術還有很長的路要走。

其二，目前光纖傳感技術正朝著更高精度、更長測溫距離、復合傳感量的方向前進，技術人員已經不滿足在一種傳感系統(tǒng)僅僅測量一種變量，從單一的信號處理到同時采集并處理兩種后向散射信號，甚至三種后向散射信號，以期望提高光纖傳感精度，這也是本領域的研究熱點和方法。

4.2 建議

光纖傳感器技術門檻多，分支眾多，因此光纖溫度傳感類申請對專利審查工作者的專利技術理解能力、檢索能力提出了較高的要求，光纖溫度傳感領域的審查工作應注意分類號的擴展。具體而言除在G01K11/32下檢索外，還可以拓展到G01B11/16（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）、G01H9/00（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）、G01L1/246（用于應力測量的FBG）、G01L11/025（具有光纖的壓力傳感器）等。CPC分類體系中提供的相關分類位置，如G01D5（光纖傳感器本身）、G01M11/3109（光時域反射計），在檢索中也可能有參考價值。

參考文獻：

[1]李強，王艷松，劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應用現狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（1）：135-140.

[2]賈振安，周曉波，喬學光，等.分布式光纖溫度傳感器發(fā)展狀況及趨勢[J].光器件，2008（11）：36-39.