■文/于海芳

科學(xué)之路沒(méi)有平坦大道，只有不畏勞苦勇于攀登的人，才有希望到達(dá)光輝的頂點(diǎn)。何祖源作為上海交通大學(xué)講席教授，一直擔(dān)任電子工程系主任，多年致力于光纖傳感與特種光纖、光信號(hào)處理等方面的研究，以科學(xué)家的精神引領(lǐng)著創(chuàng)新之路。如今，上海交通大學(xué)智能光子學(xué)研究中心在何祖源教授帶領(lǐng)下，日益壯大，創(chuàng)造著更多的“從無(wú)到有”。

其中，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“先進(jìn)光纖傳感材料與器件關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”就是由何祖源教授牽頭，于2017年8月獲批，屬于戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料主題，由國(guó)家科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心組織和指導(dǎo)實(shí)施。項(xiàng)目從材料、器件、系統(tǒng)到應(yīng)用示范全鏈條創(chuàng)新角度進(jìn)行了分解，設(shè)置五個(gè)研究課題，分別為“傳感光纖材料與器件”“高精度光纖傳感器件”“陣列式光纖傳感系統(tǒng)”“分布式光纖傳感器系統(tǒng)”和“光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用示范”，是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃當(dāng)中光纖傳感領(lǐng)域獲得立項(xiàng)的唯一綜合性項(xiàng)目。

2019年6月，項(xiàng)目中期檢查匯報(bào)會(huì)合影。（地點(diǎn)：武漢理工大學(xué)）

該項(xiàng)目集中了來(lái)自高校、科研院所和高科技企業(yè)的17家國(guó)內(nèi)光纖傳感領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)，為突破光纖傳感技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展所面臨的特種光纖材料瓶頸問(wèn)題，研制高精度、多參量、高密度、大范圍、惡劣環(huán)境下的光纖傳感器，掌握光纖光場(chǎng)與環(huán)境參數(shù)敏感耦合的同步檢測(cè)技術(shù)，推動(dòng)核心器件和光纖傳感器技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)光纖傳感產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提升智能傳感與檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)水平。在整個(gè)實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持不斷創(chuàng)新，以實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化為最終目標(biāo)，為國(guó)家重大項(xiàng)目及關(guān)鍵領(lǐng)域建設(shè)提供強(qiáng)有力的支撐。

傳感光纖材料與器件

專注科研，勇于探索，憑借執(zhí)著的好奇心、事業(yè)心取得突出成就的楊明紅，是傳感光纖材料與器件課題組的負(fù)責(zé)人。楊明紅作為武漢理工大學(xué)研究員，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才入選者，湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人，國(guó)家杰出青年基金獲得者，還發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇，并榮獲國(guó)家和省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)。

其中，連續(xù)光柵陣列傳感光纖，是在光纖拉絲過(guò)程中對(duì)光纖進(jìn)行在線光柵刻寫，再對(duì)連續(xù)光柵傳感光纖進(jìn)行涂敷、固化、收盤等操作，因?yàn)橹苽湫瘦^高，可以在光纖上制備一萬(wàn)個(gè)以上的光柵，距離可以長(zhǎng)達(dá)幾公里到幾十公里，且光柵的反射波長(zhǎng)和3 dB帶寬具有較高的一致性。通過(guò)快速切換相位掩膜板，可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光柵的制備，即波分復(fù)用的光纖。光纖傳輸損耗0.302 dB/km，抗拉強(qiáng)度52 N。通過(guò)控制寫制弱光柵的工藝，光柵的反射率比瑞利散射光的強(qiáng)度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此系統(tǒng)在兼顧傳感距離的同時(shí)具有信噪比較高的優(yōu)勢(shì)。再利用波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)陣列光柵的大規(guī)模組網(wǎng)。課題成果“大容量低損耗陣列光纖光柵動(dòng)態(tài)制備關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”榮獲2019年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

圖(a)是4卷連續(xù)光柵傳感光纖樣品，每卷2500個(gè)光柵以上，總計(jì)實(shí)現(xiàn)10,000個(gè)以上的連續(xù)光柵；(b)是用4通道的解調(diào)儀檢測(cè)；(c)用于振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，可以看出對(duì)振動(dòng)有良好的響應(yīng)效果。

高精度光纖傳感器件

火車跑得快，全靠車頭帶。高精度光纖傳感器件課題是由何祖源教授親自帶領(lǐng)，主要承擔(dān)具有超高測(cè)量精度的光纖壓力傳感器、光纖加速度傳感器和光纖形變溫度傳感器件的研制任務(wù)，提升我國(guó)在高精度光纖傳感器件領(lǐng)域的技術(shù)水平，為光纖傳感技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用保駕護(hù)航。

該課題基于新型光纖傳感機(jī)理，開發(fā)出了超高精度多通道光纖應(yīng)變和溫度傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺(tái)解調(diào)儀主機(jī)與多組四分量應(yīng)變張量傳感探頭構(gòu)成，解調(diào)儀主機(jī)安置在機(jī)房?jī)?nèi)，時(shí)分復(fù)用分光箱與四分量光纖傳感器安裝在測(cè)試點(diǎn)。該設(shè)備可同時(shí)對(duì)最多40個(gè)傳感探頭進(jìn)行探測(cè)，應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-10，溫度分辨率優(yōu)于10-4℃。該傳感器設(shè)備在四川省甘孜藏族自治州康定縣燕子溝地震臺(tái)站進(jìn)行了地殼應(yīng)變張量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，利用一組米字形布設(shè)的應(yīng)變傳感探頭，觀測(cè)到了清晰的固體潮信息和多次地震信號(hào)，驗(yàn)證了該超高精度光纖應(yīng)變傳感器的性能，為地球與海洋科學(xué)研究特別是地震科學(xué)研究，提供有效的觀測(cè)工具和技術(shù)手段。

同時(shí)，該課題也完成了基于光纖的高精度加速度傳感器樣機(jī)的開發(fā)，包括光纖加速度傳感器、信號(hào)采集與解調(diào)電路以及解調(diào)軟件等部分，其中，光纖加速度傳感器主要實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信息的高精度探測(cè)，并將其轉(zhuǎn)化為干涉光信號(hào)輸出，其按照對(duì)稱結(jié)構(gòu)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，將兩個(gè)傳感光纖環(huán)對(duì)稱地粘接在彈性盤片上下表面，使兩路傳感光纖可感知相同的溫度變化，以增加光路系統(tǒng)在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度穩(wěn)定性，從而完成光纖加速度傳感器的溫度穩(wěn)定與補(bǔ)償抑制。該加速度傳感器系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、測(cè)量帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，在0.1～120 Hz的工作頻段內(nèi)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)140 dB、測(cè)量分辨率優(yōu)于30 ng/Hz1/2。

陣列式光纖傳感系統(tǒng)

科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂，張文濤博士一直在創(chuàng)新之路上開拓進(jìn)取。張文濤作為中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所研究員，多年來(lái)從事光纖傳感技術(shù)方面的研究，并榮獲省部級(jí)科技進(jìn)步和技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

由張文濤博士負(fù)責(zé)的陣列式光纖傳感系統(tǒng)課題組，主要針對(duì)國(guó)家安全、能源安全、智慧城市等領(lǐng)域的戰(zhàn)略需求，開展弱光柵陣列傳感系統(tǒng)、光纖地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、陣列式光纖水聽器的研究。

在光纖地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方面，突破了0.1 nε量級(jí)高精度光纖光柵靜態(tài)應(yīng)變信號(hào)解調(diào)及寬頻帶光纖光柵地震計(jì)頻響控制技術(shù)，研制出16通道的地震、形變、溫度一體化集成多參量光纖地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，地震分量靈敏度優(yōu)于330 pm/g、頻帶范圍達(dá)到0.01～50 Hz，形變分量分辨率優(yōu)于1×10-11，溫度分量分辨率優(yōu)于1×10-4℃，在北京白家疃地震臺(tái)、安徽省金寨地震臺(tái)建立了多參量光纖地震監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)，可記錄到數(shù)千公里外的地震波、固體潮汐以及微小的溫度波動(dòng)信號(hào)，入選了“中科院自主研制儀器”、應(yīng)急部“地震科技創(chuàng)新成果”。光纖地震傳感網(wǎng)絡(luò)代表性研究成果如圖1所示。

在光纖水聽器陣列研究方面，突破了光纖水聽器靈敏度倍增及分/波分混合復(fù)用組網(wǎng)技術(shù)，光纖水聽器探頭靈敏度達(dá)到-117 dB，并實(shí)現(xiàn)了256基元光纖水聽器陣列，在湖南寧鄉(xiāng)黃材水庫(kù)湖試中取得了良好的效果。

圖1 多參量光纖地震傳感系統(tǒng)及其記錄的地殼形變、地震與溫度信號(hào)

分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖傳感系統(tǒng)課題組主要研究開發(fā)分布式振動(dòng)傳感技術(shù)、分布式聲傳感技術(shù)和分布式溫度應(yīng)變傳感技術(shù)。

該課題是由上海交通大學(xué)長(zhǎng)聘教授樊昕昱負(fù)責(zé)，多年來(lái)他一直專注于光纖傳感與特種光纖光纖器件與系統(tǒng)的研究，而且不斷向該領(lǐng)域的技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。同時(shí)，樊昕昱教授還擔(dān)任中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)光纖傳感技術(shù)專委會(huì)常務(wù)理事、Opt. Express期刊客座編輯、Chin. Opt. Lett.期刊編委。

該課題將雙向分布式拉曼放大技術(shù)應(yīng)用于基于時(shí)間門數(shù)字式光頻域反射儀（TGD-OFDR）的分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)，并結(jié)合去衰落噪聲算法，實(shí)現(xiàn)108 km傳感距離，5 m空間分辨率以及220 pε/√Hz應(yīng)變測(cè)量分辨率。

針對(duì)提高頻率響應(yīng)及系統(tǒng)信噪比，該課題還研究了基于相位生成載波解調(diào)的分布式聲傳感（DAS）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳感距離10 km，空間分辨率7 m，最高響應(yīng)頻率2.5 kHz，信噪比61 dB的相位實(shí)時(shí)解調(diào)系統(tǒng)。DAS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)三次技術(shù)迭代后，開展了淺層地震探測(cè)與垂直地震剖面檢測(cè)的野外應(yīng)用試驗(yàn)。與傳統(tǒng)電學(xué)動(dòng)圈檢波器取得的地震資料進(jìn)行了對(duì)比分析，確認(rèn)結(jié)果基本一致。通過(guò)對(duì)比欠耦合光纜和固井光纜采集的數(shù)據(jù)，確認(rèn)固井光纜有助于獲取更高質(zhì)量的地震資料。

在光纖分布式溫度應(yīng)變傳感系統(tǒng)方面，研究有拉曼放大條件下的布里淵光時(shí)域分析法（BOTDA）系統(tǒng)，該課題實(shí)現(xiàn)傳感距離180 km，溫度分辨率1℃，距離分辨率4 m的分布式溫度應(yīng)變傳感，且單頻點(diǎn)測(cè)量時(shí)間控制在4s以內(nèi)（見圖2）。

光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用示范

沒(méi)有挺得起腰的科學(xué)家精神，就很難有站得住腳的科學(xué)成果。光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用示范課題是由江山工程師負(fù)責(zé)，江山不僅是教授級(jí)高級(jí)工程師、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員/第六屆理事會(huì)理事、中國(guó)通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，而且還是國(guó)家“十五”863計(jì)劃新材料領(lǐng)域光電子材料及器件主題專家。

通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，初步實(shí)現(xiàn)光纖傳感在惡劣環(huán)境下重大基礎(chǔ)設(shè)施周界安全、結(jié)構(gòu)安全、海洋安全和能源安全等領(lǐng)域的示范應(yīng)用。

一是管線與周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。開發(fā)在線放大和相干光時(shí)域弱信號(hào)提取技術(shù)，對(duì)入侵事件進(jìn)行破壞預(yù)警和定位。選取描述振動(dòng)信號(hào)片段特征，綜合時(shí)域、頻域算法, 引入信號(hào)模式識(shí)別分類器進(jìn)行事件類別區(qū)分，使系統(tǒng)具有報(bào)警高準(zhǔn)確率及低誤報(bào)率。

二是橋隧安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究出適用于橋梁隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的各類光纖傳感器設(shè)計(jì)，用特種光纜設(shè)計(jì)開發(fā)分布式應(yīng)變、溫度監(jiān)測(cè)傳感器、施工工藝以及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)。建立網(wǎng)絡(luò)化的信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和信息管理功能。

圖2 結(jié)合分布式拉曼放大的DAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖及振動(dòng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果

三是海洋油氣開發(fā)光纖井下溫度壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)油氣井下溫度壓力長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，通過(guò)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)及制作工藝等方面深入研究，解決井下傳感器及光纜耐高溫高壓、耐腐蝕、抗氫損等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高可靠井下溫度壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

四是光纖微地震壓裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)微地震壓裂形成的微小信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)，校正壓裂模型，隨時(shí)間的變化分析裂縫生成，形成光纖井下檢波器的微地震采集處理和解釋工作能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜油氣藏壓裂改造效果的高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和開采過(guò)程中油層信息的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)包括多通道、高分辨率的光纖檢波器動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀器，并集成電源、光源、光電轉(zhuǎn)換、解復(fù)用、高精度算法、存儲(chǔ)等功能模塊。采集數(shù)據(jù)分析與解釋，優(yōu)化采集系統(tǒng)軟硬件，完成工程指導(dǎo)和作業(yè)文件，提出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議。

管線與周界安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用示范，已完成對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制和性能優(yōu)化，通過(guò)建立振動(dòng)源橫向定位模型與定位算法，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)識(shí)別振動(dòng)源橫向距離，有效降低系統(tǒng)誤報(bào)率，并實(shí)現(xiàn)了雙通道≥120 km的探測(cè)距離，定位精度為±10 m，報(bào)警時(shí)間＜3 s，系統(tǒng)誤報(bào)率達(dá)到1次/10公里/周。分別在長(zhǎng)慶油田第二輸油處光纖預(yù)警項(xiàng)目、烏蘭線西靖至蘭州段管道安全預(yù)警項(xiàng)目，建立應(yīng)用示范工程2項(xiàng)。同時(shí)，積極推動(dòng)先進(jìn)技術(shù)投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，與中石油西氣東輸科技信息中心合作，建立應(yīng)用示范工程《西氣東輸振動(dòng)源橫向定位技術(shù)研究》，于西氣東輸徐州站至邳州站輸氣管道建立應(yīng)用示范段，不斷完善振動(dòng)源橫向定位算法，豐富振動(dòng)源橫向定位數(shù)據(jù)庫(kù)，有效降低系統(tǒng)誤報(bào)率。

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在加速演進(jìn)。由何祖源教授牽頭的“先進(jìn)光纖傳感材料與器件關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”是一項(xiàng)綜合性重點(diǎn)項(xiàng)目，集中了國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)、高校和科研單位共同開展研究，不僅完成了項(xiàng)目最初制定的指標(biāo)，同時(shí)強(qiáng)化了項(xiàng)目示范性應(yīng)用的引領(lǐng)作用，使我國(guó)在光纖傳感領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。