分布式光纤温度传感专利技术综述

吕昕 贾祥志

摘要：本文从专利的角度出发，对分布式光纤温度传感技术的專利申请进行了梳理，分析了分布式光纤温度传感专利技术的申请趋势和技术动态，有助于技术人员了解该技术的发展脉络、重要申请人的相关技术分布，并为该领域的检索方法提供了一些建议。

关键词：分布式;光纤;温度;专利分析

中图分类号： TP212.9 文献标识码：A 文章编号：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

分布式光纤温度传感系统是指以光纤为传感介质，将一束调制后的脉冲光注入到传感光纤中，脉冲光在向前传输过程中不断产生后向散射光，外界温度场以一定的空间分布方式对光纤中的光信号进行调制，通过光电探测器采集调制信号并分析处理，给出沿光纤长度方向上温度的连续分布值，从而得到外界温度场的大小及空间分布。而光在光纤中的三种后向散射光信号分别基于瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射产生[1]。

光纤温度传感基于光信号传送信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高压等优势。由于分布式光纤温度传感器具有成本低、分布式测量、实时性好的优点，因此其应用非常广泛，并且具有广阔的市场前景[2]。因此了解目前分布式光纤温度传感专利技术的发展趋势、分析世界各国技术研发重点及主要目标市场布局，对我国分布式光纤温度传感技术知识产权的保护，具有重要的社会、经济意义。

2 国内外专利情况分析

2.1 全球/国内申请趋势分析

通过对incopat专利数据库进行检索、筛选后得到分布式光纤温度传感技术方面的专利申请4 158项，其中中国专利申请1 665项（截至2018年12月31日）。由于2017—2019年的专利申请存在未完全公开的情况，因此该数据不代表这两个年份的全部申请量。图1显示的是国内外专利申请量对比图。

根据图1可以看出，全球分布式光纤测温传感专利技术大致可以分为3个发展阶段。

2.1.1 技术萌芽期。2002年以前，全球分布式光纤测温传感专利的申请量比较少，分布式光纤温度传感技术还处于探索阶段，在2002年之后，随着研究的深入和研发技术的深入，专利申请才渐渐进入活跃期。

2.1.2 技术发展期。2002—2006年，国内外专利申请步伐不一致。国外专利申请比较多，这与国外对光纤测温技术研发较早、技术储备丰厚有着直接的关系，而此阶段我国的分布式光纤温度传感技术专利申请量均处于比较低的状态，这说明国内专利技术申请起步比较晚，国内申请人对此技术的研发仍处于起步阶段。

2.1.3 快速增长期。2006年之后，随着中国增强了知识产权保护，国内知识产权意识显著增强，分布式光纤测温技术专利申请在国内迎来了迅猛增长，国内分布式光纤测温技术进入了快速发展期。2006年之后至今，国外分布式光纤传感领域的专利申请仍然保持着大致稳定的申请量和较高的活跃度，并实现了一定的技术突破，在2012和2015年甚至达到了两次技术发展的小高峰。随着中国申请人在分布式光纤温度传感技术方面的加速追赶，分布式光纤温度传感技术方面的专利布局将会愈演愈烈。

2.2 全球重点申请人分析

图2是全球主要申请人申请数量比例图。从图2可以看出，国家电网公司、中国计量学院、BAKER HUGHES INCORPORATED、SENSORTRAN INC公司占据申请量前4位。然而结合前10位申请人可以看出，前10位的申请人中仅有3位为中国申请人。对于申请人国家电网公司，具有众多关联单位，因此国家电网公司的申请量远远高出其他申请人，根据专利申请情况来看，国家电网公司的专利申请主要是集中在光纤测温的具体应用上;中国计量学院是以传感测量为特色的高校，温度传感作为一门重要的感测技术，其一直被科研工作者所重视，因此该校在光纤传感领域具有着相当数量的技术和专利数量积累;此外，上海华魏光纤传感技术有限公司作为国内第一个把光纤分布式温度监测技术带入中国市场的企业，其也拥有排名靠前的巨大的专利申请数量，该公司实际上成为了分布式光纤温度监测系统专业方面的国内市场先驱者和事实上的行业垄断领导者。

分布式光纤温度传感技术的核心技术申请人，仍然是以国外申请占多数优势，申请量前10的申请人中，有7位是国外企业，BAKER HUGHES INCORPORATED、SENSORTRAN INC、WEATHERFORD/LAMB INC等公司，均为现代知名的光纤技术巨头，上述三公司分别排名三、四、五位。

2.3 国内重点申请人分析

在光纤温度传感器领域，国内起步较晚，在20世纪80年代末期，国内才开始对基于分布式光纤温度传感器进行研究，目前多是基于已经研究较为成熟的国外光纤测温技术的引进和应用。图3为光纤温度传感器领域国内申请量前10位的申请人，图4为国内申请人类型图，从上述两图可以看出，光纤温度传感器的研究主体还是集中在具有一定实力的大企业、高新企业和高校上，如国家电网公司、上海华魏光纤传感有限公司、中国计量学院、武汉理工大学等。企业申请量最高，可见光纤测温技术已经是具有极大应用价值的传感技术，企业作为该项技术的直接实施主体可以在生产应用中发现存在的技术问题并进一步的对该技术进行改进，因此企业成为该项技术相关专利申请的绝对主力，其他高校如武汉理工大学、山东大学等，在专利申请量上也占有一定比例，高校、大专院校的申请量大与高校的科研性质定位有关。

3 分布式光纤温度传感技术典型国内外专利申请

分布式光纖传感技术研发已久，其技术分支众多，基于传感原理的不同主要分为以下三个研究方向：基于瑞利散射信号的传感技术、基于布里渊散射信号的传感技术、基于拉曼散射信号的传感技术。下面对几种不同的分布式传感技术的典型专利技术发展形势作简要介绍。

3.1 基于瑞利散射信号的传感技术

由于瑞利散射光更大且更容易测量，因此瑞利散射信号能够更快响应，从而基于瑞利散射信号的光纤传感技术是最早发展起来的传感技术，是现代分布式光纤传感技术的基础。

GB2183821B1（申请人：通用电气公司，公开时间1987年）公开了一种较早的基于瑞利散射的测温系统，在比率装置中比较瑞利斯托克斯散射光和瑞利反斯托克斯散射光的强度，以给出光纤温度的指示。

US6545760B1（申请人：NASA US NAT AERO & SPACE ADMIN，公开时间2003年）公开了一种光纤应变测量方法。本申请使用瑞利散射光的光谱偏移来测量光纤中的应变的装置和方法，测量由气隙反射器和反向散射辐射产生的干涉图案。

US9002152（申请人：GEN DYNAMICS ADVANCED INFORMATION SYSTEM公司，公开时间2013年）公开了一种改善光纤传感路程的方法，通过将返回信号分离成多个路径，从而降低用于实现多个接收器路径的硬件成本，并采用拉曼泵浦激光器提供的放大允许更长的光纤传感距离。

然而该技术的缺陷在于测量精度低，传感距离短，这很大程度上限制了基于瑞利散射的分布式光纤传感系统的应用。由于技术壁垒尚未完全突破，近年来该类型专利申请的申请量呈下降趋势。

3.2 基于布里渊散射信号的传感技术

基于布里渊散射信号的传感技术在温度、应力测量上所能达到的测量精度、测量长度和空间分辨率高于其他传感技术，因此得到广泛的关注与研究。

CN101427108A（申请人：住友电气工业株式会社，2006年）公开了一种典型的可用于温度测量的布里渊频谱测定方法及布里渊频谱测定装置，该测定方法中具有光纤部，其包括经由连接部串联连接的第一及第二光纤，上述第一及第二光纤具有布里渊频谱。

US2008/0018903A1（申请人：UNIV OTTAWA等，公开时间2008年）公开了一种基于两个DFB激光器的分布式布里渊传感器系统，该两个DFB激光器以布里渊频率偏移锁定，具有光学延迟线以提供频率调谐，这对于监测具有长或大表面积的大型结构的健康状况有利。

CN103443604A（申请人：雷蒙特亚特拉维夫大学有限公司，公开时间2013年）申请了一种在光纤中进行分布式动态布里渊传感的方法，该方法允许单个泵浦脉冲沿着整个光纤进行快速应变变量取样，沿着整个光纤长度，同时对量级为KHZ的应变振动取样，具有不同的平均布里渊频移。

对于基于布里渊散射信号的传感技术，研发人员已经不满足于基于单纯的布里渊散射信号实现单纯的温度测量，正致力于实现精确的基于布里渊散射信号的温度、应变或振动等多变量的复合测量。

3.3 基于拉曼散射信号的传感技术

基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术，其优点是对半导体激光器的功率要求较低。

JP特开2007-240174A（申请人：横河电机株式会社，公开时间2006年）公开了一种典型的基于拉曼散射的分布式光纤测温传感系统，具有控制单元9，该控制单元使用从采样单元获得的采样数据，基于拉曼散射光测量条件设置从激光二极管8发射的光的光强度。

CN101162158A（申请人：中国计量学院，公开时间2008年）公开了一种远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，将分布式光纤拉曼光子温度传感器、分布式光纤布里渊光子应变传感器及分布式光纤拉曼放大器融合在一起。增大了传感器的传输距离，提高了温度和应变的测量精度。

US2015300891A1（申请人：BAKER HUGHES公司，公开时间2015年）公开了一种随钻测量过程的分布式温度传感器，用于根据斯托克斯或反斯托克斯拉曼散射与初级和次级瑞利散射的组合之间的比率确定温度。

基于拉曼散射信号的传感技术，缺点在于散射光十分微弱，探测比较困难，从而影响了实际系统的空间和温度分辨率的提高。该技术方面的专利申请，研发重点多集中在提高测温精度方面，近年来也出现了基于复合信号实现变量测量，或者基于拉曼散射信号实现复合变量测量的专利申请。

4 总结与建议

4.1 总结

通过以上专利分析，我们可以初步得出以下结论。

其一，分布式光纤温度传感技术已经臻与成熟，但仍然具有相当的活跃度与研究价值，国内外申请人仍在积极地参与在分布式光纤温度传感技术的研发与改进中。然而国内申请较多是将现有技术的光纤测温技术应用于具体待测环境中，在光纤传感装置上的创新力度仍然不够我国专利传感研发技术还有很长的路要走。

其二，目前光纤传感技术正朝着更高精度、更长测温距离、复合传感量的方向前进，技术人员已经不满足在一种传感系统仅仅测量一种变量，从单一的信号处理到同时采集并处理两种后向散射信号，甚至三种后向散射信号，以期望提高光纤传感精度，这也是本领域的研究热点和方法。

4.2 建议

光纤传感器技术门槛多，分支众多，因此光纤温度传感类申请对专利审查工作者的专利技术理解能力、检索能力提出了较高的要求，光纤温度传感领域的审查工作应注意分类号的扩展。具体而言除在G01K11/32下检索外，还可以拓展到G01B11/16（采用光学方法为特征的用于计量固体的变形，例如光学应变仪）、G01H9/00（应用对辐射敏感的装置，例如光学装置，测量机械振动或超声波、声波或次声波）、G01L1/246（用于应力测量的FBG）、G01L11/025（具有光纤的压力传感器）等。CPC分类体系中提供的相关分类位置，如G01D5（光纤传感器本身）、G01M11/3109（光时域反射计），在检索中也可能有参考价值。

参考文献：

[1]李强，王艳松，刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系统保护与控制，2010，38（1）：135-140.

[2]贾振安，周晓波，乔学光，等.分布式光纤温度传感器发展状况及趋势[J].光器件，2008（11）：36-39.