呂昕 賈祥志

摘要：本文從專利的角度出發(fā)，對(duì)分布式光纖溫度傳感技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行了梳理，分析了分布式光纖溫度傳感專利技術(shù)的申請(qǐng)趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)態(tài)，有助于技術(shù)人員了解該技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)、重要申請(qǐng)人的相關(guān)技術(shù)分布，并為該領(lǐng)域的檢索方法提供了一些建議。

關(guān)鍵詞：分布式;光纖;溫度;專利分析

中圖分類號(hào)： TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhì)，將一束調(diào)制后的脈沖光注入到傳感光纖中，脈沖光在向前傳輸過(guò)程中不斷產(chǎn)生后向散射光，外界溫度場(chǎng)以一定的空間分布方式對(duì)光纖中的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)光電探測(cè)器采集調(diào)制信號(hào)并分析處理，給出沿光纖長(zhǎng)度方向上溫度的連續(xù)分布值，從而得到外界溫度場(chǎng)的大小及空間分布。而光在光纖中的三種后向散射光信號(hào)分別基于瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射產(chǎn)生[1]。

光纖溫度傳感基于光信號(hào)傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高壓等優(yōu)勢(shì)。由于分布式光纖溫度傳感器具有成本低、分布式測(cè)量、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用非常廣泛，并且具有廣闊的市場(chǎng)前景[2]。因此了解目前分布式光纖溫度傳感專利技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、分析世界各國(guó)技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)及主要目標(biāo)市場(chǎng)布局，對(duì)我國(guó)分布式光纖溫度傳感技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義。

2 國(guó)內(nèi)外專利情況分析

2.1 全球/國(guó)內(nèi)申請(qǐng)趨勢(shì)分析

通過(guò)對(duì)incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、篩選后得到分布式光纖溫度傳感技術(shù)方面的專利申請(qǐng)4 158項(xiàng)，其中中國(guó)專利申請(qǐng)1 665項(xiàng)（截至2018年12月31日）。由于2017—2019年的專利申請(qǐng)存在未完全公開(kāi)的情況，因此該數(shù)據(jù)不代表這兩個(gè)年份的全部申請(qǐng)量。圖1顯示的是國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量對(duì)比圖。

根據(jù)圖1可以看出，全球分布式光纖測(cè)溫傳感專利技術(shù)大致可以分為3個(gè)發(fā)展階段。

2.1.1 技術(shù)萌芽期。2002年以前，全球分布式光纖測(cè)溫傳感專利的申請(qǐng)量比較少，分布式光纖溫度傳感技術(shù)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(shù)的深入，專利申請(qǐng)才漸漸進(jìn)入活躍期。

2.1.2 技術(shù)發(fā)展期。2002—2006年，國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)步伐不一致。國(guó)外專利申請(qǐng)比較多，這與國(guó)外對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)研發(fā)較早、技術(shù)儲(chǔ)備豐厚有著直接的關(guān)系，而此階段我國(guó)的分布式光纖溫度傳感技術(shù)專利申請(qǐng)量均處于比較低的狀態(tài)，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)專利技術(shù)申請(qǐng)起步比較晚，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人對(duì)此技術(shù)的研發(fā)仍處于起步階段。

2.1.3 快速增長(zhǎng)期。2006年之后，隨著中國(guó)增強(qiáng)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，國(guó)內(nèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)顯著增強(qiáng)，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)專利申請(qǐng)?jiān)趪?guó)內(nèi)迎來(lái)了迅猛增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)分布式光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展期。2006年之后至今，國(guó)外分布式光纖傳感領(lǐng)域的專利申請(qǐng)仍然保持著大致穩(wěn)定的申請(qǐng)量和較高的活躍度，并實(shí)現(xiàn)了一定的技術(shù)突破，在2012和2015年甚至達(dá)到了兩次技術(shù)發(fā)展的小高峰。隨著中國(guó)申請(qǐng)人在分布式光纖溫度傳感技術(shù)方面的加速追趕，分布式光纖溫度傳感技術(shù)方面的專利布局將會(huì)愈演愈烈。

2.2 全球重點(diǎn)申請(qǐng)人分析

圖2是全球主要申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量比例圖。從圖2可以看出，國(guó)家電網(wǎng)公司、中國(guó)計(jì)量學(xué)院、BAKER HUGHES INCORPORATED、SENSORTRAN INC公司占據(jù)申請(qǐng)量前4位。然而結(jié)合前10位申請(qǐng)人可以看出，前10位的申請(qǐng)人中僅有3位為中國(guó)申請(qǐng)人。對(duì)于申請(qǐng)人國(guó)家電網(wǎng)公司，具有眾多關(guān)聯(lián)單位，因此國(guó)家電網(wǎng)公司的申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他申請(qǐng)人，根據(jù)專利申請(qǐng)情況來(lái)看，國(guó)家電網(wǎng)公司的專利申請(qǐng)主要是集中在光纖測(cè)溫的具體應(yīng)用上;中國(guó)計(jì)量學(xué)院是以傳感測(cè)量為特色的高校，溫度傳感作為一門重要的感測(cè)技術(shù)，其一直被科研工作者所重視，因此該校在光纖傳感領(lǐng)域具有著相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)和專利數(shù)量積累;此外，上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)把光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)帶入中國(guó)市場(chǎng)的企業(yè)，其也擁有排名靠前的巨大的專利申請(qǐng)數(shù)量，該公司實(shí)際上成為了分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專業(yè)方面的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)先驅(qū)者和事實(shí)上的行業(yè)壟斷領(lǐng)導(dǎo)者。

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

2.3 國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人分析

在光纖溫度傳感器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)起步較晚，在20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)才開(kāi)始對(duì)基于分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行研究，目前多是基于已經(jīng)研究較為成熟的國(guó)外光纖測(cè)溫技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用。圖3為光纖溫度傳感器領(lǐng)域國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量前10位的申請(qǐng)人，圖4為國(guó)內(nèi)申請(qǐng)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(shí)力的大企業(yè)、高新企業(yè)和高校上，如國(guó)家電網(wǎng)公司、上海華魏光纖傳感有限公司、中國(guó)計(jì)量學(xué)院、武漢理工大學(xué)等。企業(yè)申請(qǐng)量最高，可見(jiàn)光纖測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)是具有極大應(yīng)用價(jià)值的傳感技術(shù)，企業(yè)作為該項(xiàng)技術(shù)的直接實(shí)施主體可以在生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)存在的技術(shù)問(wèn)題并進(jìn)一步的對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，因此企業(yè)成為該項(xiàng)技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)的絕對(duì)主力，其他高校如武漢理工大學(xué)、山東大學(xué)等，在專利申請(qǐng)量上也占有一定比例，高校、大專院校的申請(qǐng)量大與高校的科研性質(zhì)定位有關(guān)。

3 分布式光纖溫度傳感技術(shù)典型國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)

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

3.1 基于瑞利散射信號(hào)的傳感技術(shù)

由于瑞利散射光更大且更容易測(cè)量，因此瑞利散射信號(hào)能夠更快響應(yīng)，從而基于瑞利散射信號(hào)的光纖傳感技術(shù)是最早發(fā)展起來(lái)的傳感技術(shù)，是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)。

GB2183821B1（申請(qǐng)人：通用電氣公司，公開(kāi)時(shí)間1987年）公開(kāi)了一種較早的基于瑞利散射的測(cè)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(qiáng)度，以給出光纖溫度的指示。

US6545760B1（申請(qǐng)人：NASA US NAT AERO & SPACE ADMIN，公開(kāi)時(shí)間2003年）公開(kāi)了一種光纖應(yīng)變測(cè)量方法。本申請(qǐng)使用瑞利散射光的光譜偏移來(lái)測(cè)量光纖中的應(yīng)變的裝置和方法，測(cè)量由氣隙反射器和反向散射輻射產(chǎn)生的干涉圖案。

US9002152（申請(qǐng)人：GEN DYNAMICS ADVANCED INFORMATION SYSTEM公司，公開(kāi)時(shí)間2013年）公開(kāi)了一種改善光纖傳感路程的方法，通過(guò)將返回信號(hào)分離成多個(gè)路徑，從而降低用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(zhǎng)的光纖傳感距離。

然而該技術(shù)的缺陷在于測(cè)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(yīng)用。由于技術(shù)壁壘尚未完全突破，近年來(lái)該類型專利申請(qǐng)的申請(qǐng)量呈下降趨勢(shì)。

3.2 基于布里淵散射信號(hào)的傳感技術(shù)

基于布里淵散射信號(hào)的傳感技術(shù)在溫度、應(yīng)力測(cè)量上所能達(dá)到的測(cè)量精度、測(cè)量長(zhǎng)度和空間分辨率高于其他傳感技術(shù)，因此得到廣泛的關(guān)注與研究。

CN101427108A（申請(qǐng)人：住友電氣工業(yè)株式會(huì)社，2006年）公開(kāi)了一種典型的可用于溫度測(cè)量的布里淵頻譜測(cè)定方法及布里淵頻譜測(cè)定裝置，該測(cè)定方法中具有光纖部，其包括經(jīng)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(qǐng)人：UNIV OTTAWA等，公開(kāi)時(shí)間2008年）公開(kāi)了一種基于兩個(gè)DFB激光器的分布式布里淵傳感器系統(tǒng)，該兩個(gè)DFB激光器以布里淵頻率偏移鎖定，具有光學(xué)延遲線以提供頻率調(diào)諧，這對(duì)于監(jiān)測(cè)具有長(zhǎng)或大表面積的大型結(jié)構(gòu)的健康狀況有利。

CN103443604A（申請(qǐng)人：雷蒙特亞特拉維夫大學(xué)有限公司，公開(kāi)時(shí)間2013年）申請(qǐng)了一種在光纖中進(jìn)行分布式動(dòng)態(tài)布里淵傳感的方法，該方法允許單個(gè)泵浦脈沖沿著整個(gè)光纖進(jìn)行快速應(yīng)變變量取樣，沿著整個(gè)光纖長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)量級(jí)為KHZ的應(yīng)變振動(dòng)取樣，具有不同的平均布里淵頻移。

對(duì)于基于布里淵散射信號(hào)的傳感技術(shù)，研發(fā)人員已經(jīng)不滿足于基于單純的布里淵散射信號(hào)實(shí)現(xiàn)單純的溫度測(cè)量，正致力于實(shí)現(xiàn)精確的基于布里淵散射信號(hào)的溫度、應(yīng)變或振動(dòng)等多變量的復(fù)合測(cè)量。

3.3 基于拉曼散射信號(hào)的傳感技術(shù)

基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)半導(dǎo)體激光器的功率要求較低。

JP特開(kāi)2007-240174A（申請(qǐng)人：橫河電機(jī)株式會(huì)社，公開(kāi)時(shí)間2006年）公開(kāi)了一種典型的基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)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(shù)據(jù)，基于拉曼散射光測(cè)量條件設(shè)置從激光二極管8發(fā)射的光的光強(qiáng)度。

CN101162158A（申請(qǐng)人：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，公開(kāi)時(shí)間2008年）公開(kāi)了一種遠(yuǎn)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(yīng)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(yīng)變的測(cè)量精度。

US2015300891A1（申請(qǐng)人：BAKER HUGHES公司，公開(kāi)時(shí)間2015年）公開(kāi)了一種隨鉆測(cè)量過(guò)程的分布式溫度傳感器，用于根據(jù)斯托克斯或反斯托克斯拉曼散射與初級(jí)和次級(jí)瑞利散射的組合之間的比率確定溫度。

基于拉曼散射信號(hào)的傳感技術(shù)，缺點(diǎn)在于散射光十分微弱，探測(cè)比較困難，從而影響了實(shí)際系統(tǒng)的空間和溫度分辨率的提高。該技術(shù)方面的專利申請(qǐng)，研發(fā)重點(diǎn)多集中在提高測(cè)溫精度方面，近年來(lái)也出現(xiàn)了基于復(fù)合信號(hào)實(shí)現(xiàn)變量測(cè)量，或者基于拉曼散射信號(hào)實(shí)現(xiàn)復(fù)合變量測(cè)量的專利申請(qǐng)。

4 總結(jié)與建議

4.1 總結(jié)

通過(guò)以上專利分析，我們可以初步得出以下結(jié)論。

其一，分布式光纖溫度傳感技術(shù)已經(jīng)臻與成熟，但仍然具有相當(dāng)?shù)幕钴S度與研究?jī)r(jià)值，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人仍在積極地參與在分布式光纖溫度傳感技術(shù)的研發(fā)與改進(jìn)中。然而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)較多是將現(xiàn)有技術(shù)的光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于具體待測(cè)環(huán)境中，在光纖傳感裝置上的創(chuàng)新力度仍然不夠我國(guó)專利傳感研發(fā)技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走。

其二，目前光纖傳感技術(shù)正朝著更高精度、更長(zhǎng)測(cè)溫距離、復(fù)合傳感量的方向前進(jìn)，技術(shù)人員已經(jīng)不滿足在一種傳感系統(tǒng)僅僅測(cè)量一種變量，從單一的信號(hào)處理到同時(shí)采集并處理兩種后向散射信號(hào)，甚至三種后向散射信號(hào)，以期望提高光纖傳感精度，這也是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和方法。

4.2 建議

光纖傳感器技術(shù)門檻多，分支眾多，因此光纖溫度傳感類申請(qǐng)對(duì)專利審查工作者的專利技術(shù)理解能力、檢索能力提出了較高的要求，光纖溫度傳感領(lǐng)域的審查工作應(yīng)注意分類號(hào)的擴(kuò)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(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）、G01H9/00（應(yīng)用對(duì)輻射敏感的裝置，例如光學(xué)裝置，測(cè)量機(jī)械振動(dòng)或超聲波、聲波或次聲波）、G01L1/246（用于應(yīng)力測(cè)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(guān)分類位置，如G01D5（光纖傳感器本身）、G01M11/3109（光時(shí)域反射計(jì)），在檢索中也可能有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李強(qiáng)，王艷松，劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（1）：135-140.

[2]賈振安，周曉波，喬學(xué)光，等.分布式光纖溫度傳感器發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)[J].光器件，2008（11）：36-39.