分布式光纤传感专利技术浅析

2017-11-21

传感器世界 2017年6期

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300304

一、引言

光纤传感技术是现代光纤通信技术发展的产物，随着传感技术和通信技术的发展而逐步成长起来的一门新兴监测技术，其基本原理是基于温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化引起的光波量如光强度、相位、频率、偏振态等的变化来进行监测。相较于机械式传感器，电子式传感器，其具有抗电磁干扰、结构简单、环境适应性好、测量精度高、应用范围广等优点[1]。

分布式光纤传感技术起源于20世纪70年代末期，基于光纤工程中应用广泛的OTDR-光时域反射技术发展起来，是一种新型传感技术，可以准确测量光纤沿线上任何一点的温度、振动、应变和损失，能够实现测量信息的大范围提取，解决了现有测量领域中众多技术难题。

本文主要从分布式光纤传感技术发展概况和分布式光纤传感专利申请量分析两个方面对分布式光纤传感技术进行概述。通过对技术发展概况的总结，了解分布式光纤传感的技术原理和要点；通过对分布式光纤传感技术专利申请量从兴起到现在的申请情况，了解该技术近十几年来的发展情况。

二、分布式光纤传感技术发展概况

基于分布式的光纤传感器首先要解决对携带信息的光信号的识别和起源位置的确定。在早期有人提出可以采用某种方式（比如，用具有不同热光系数的材料来制作光纤的芯和包层，用随温度而变化的吸收带等方法测量温度）来调制集光系数和不同于散射损耗的其他损耗机制来实现分布测量。但是它们都有只能传感有限长度（或点数）的缺点。除具备一般光纤传感器的特点，分布式光学传感器兼具了传输与传感两个功能，传输路径上的光学为传感系统的传感元，而且光纤在通信波长处的传输损耗非常小，容易实现几十到上百公里的测量范围，这种长距离分布式传感的用于非常广泛，能够用于监测大楼整体建筑、大坝、桥梁、隧道及输油管道、海底光缆等方面[2]。

对于较长距离的分布测量应用，基于散射机理的分布传感系统却显示出无比的优越性。目前对基于散射机理的分布式光纤传感器的研究主要集中在以下三个方面：

（1）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；

（2）基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；

（3）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。

其中，基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感技术的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚，但它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术。

自从Horiguchi[1]等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性来实现分布式温度和应变的传感以来，利用布里渊散射光来检测光纤沿线应变分布技术目前已成为一些发达国家，如日本、加拿大、瑞士、法国和美国等国家竞相研发的课题，目前对布里渊散射的分布式光纤传感器主要集中在以下三个方面的研究[3]：

（1）基于布里渊光时域反射（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry ，BOTDR）技术的分布式光纤传感器；

（2）基于布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time Domain Analysis ，BOTDA）技术的分布式光纤传感器；

（3）基于布里渊光频域分析（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis ，BOFDA）技术的分布式光纤传感器；

（4）基于布里渊光相关域分析（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis，BOCDA）技术的分布式光纤传感技术。

BOCDA技术采用频率调制的连续泵浦光和探测光并求两者相关函数，是一种可大大提高分布式光纤系统空间分辨率的技术方案，其实验系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级。

基于BOTDR技术的光纤传感技术是在传统的光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）基础上发展起来的，其基本原理框图如图1所示。在BOTDR中，背向的自发布里渊散射代替了瑞利散射。布里渊散射极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约两～三个数量级，而且相对于Raman散射光来说布里渊频移很小，检测起来较为困难，通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。对于布里渊散射信号的直接检测需要将微弱的布里渊散射光从瑞利背向散射光中分离出来。

1999年英国南安普敦大学研究小组Huai H.Kee[4]等人利用M-Z干涉仪实现自发布里渊散射的提取，获得温度和应变的同时传感，传感精度分别达到4℃和290℃，距离分辨率为10m。另外T.R.Parker[2]等人通过对背向自发布里渊散射斯托克斯和反斯托克斯光谱的测量同样实现了温度/应变的同时测量，获得了理想的实验效果。

在基于BOTDA的分布式光纤传感技术的研究中，Horiguchi等人首先实现了BOTDA的分布式应变测量，在这之后，X.Bao[1]等人对BOTDA系统进行了一系列的研究。BOTDA系统的显著特点是动态范围大，测量精度高，但系统较复杂，需要使用两台激光器在被测光纤两端同时进行测量，因而给实际应用带来一定的困难，其基本原理框图如图2所示。

BOFDA分布式光纤传感技术是1997年德国D.Garus[5]等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术。其同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的光时域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函数来实现的。因此，传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光与泵浦光频差约等于光纤中的布里渊频移量。利用快速傅里叶逆变换（Invert Fast Fourier Transformation，IFFT）由基带传输函数即可得到系统的实时冲激响应，反映光纤沿线的温度/应变等的分布信息。在BOFDA系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大和最小调制频率决定，最大传感距离由调制信号频率变化的步长决定。基于上述原理，D.Garus等人做了基于BOFDA分布式光纤传感系统实验方面的研究，并取得了温度分辨率5℃、应变分辨率0.01%和空间分辨率3m的实验结果。

BOCDA是由Hotate[6]等为了改善空间分辨率和采样率而提出的一种布里渊相关时域分析方法，目前它已经能实现小尺寸物体（15cm直径钢管）上的1cm的空间分辨率的测量，同时采样率已经达到57Hz，可以实现应变的动态测量，未来有望取代基于FBG的点传感器，其研究小组用BOCDA 成功测量了5cm 振动块上的动态应变分布，采样频率8.8Hz，应变分辨率±38με。

三、分布式光纤传感专利技术分析

1、专利申请量趋势分析

通过关键词“分布式”、“光纤”在专利库CNTXT和VEN中进行检索，截止到2016年年底，光纤传感技术相关的国内专利申请量10161件，国外专利申请量有31230件，从图3中可以看出，中国专利申请量从2010年开始出现大幅度增长，到2014年出现高峰，而从2015年开始缓慢下降，进入平稳期；而国外相关技术的发展则一直处于领先状态，其专利申请一直处于较快增长阶段，在2015年达到高峰期，并之后开始下降。这说明在2014年到2015年之间，国内关于分布式光纤传感技术的研究处于比较热门的阶段，而之后，则是由一些在光纤传感方面研究比较深入的高校或研究所对其应用进行进一步研究，申请量趋于平稳；而在国外，分布式光纤传感技术申请量大，且发展较为先进，从20世纪开始一直处于较快发展阶段，直至2015年左右申请量达到高峰，技术发展到一定水平之后，才逐渐平稳。