光纖載動智能未來
——記上海交通大學(xué)特別研究員劉慶文

□ 宋 潔

一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖能做什么？答案是不僅可以將光波低損耗傳送上千公里，還可以同步檢測光纖沿線的應(yīng)變、溫度、振動、壓力等信息。光纖是光波的優(yōu)良載體，在推動光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展的同時，也帶來了光纖傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在航空航天航海、圍欄管線安防、油氣資源勘探等行業(yè)起到了無法替代的作用。

與光電子學(xué)結(jié)緣，上海交通大學(xué)特別研究員劉慶文至今已和激光、光纖傳感技術(shù)難解難分多年，在他看來，這項科學(xué)研究不僅是一種工作，也是一種樂趣，充滿著“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”的喜悅。他享受其中的充實和多彩，將每一次探索視作對研究魅力的發(fā)掘，與團(tuán)隊一同面向“萬物感知”的光傳感器技術(shù)，志在貫穿理論研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用的諸多環(huán)節(jié)，為未來智能社會添磚加瓦。

自然而然尋發(fā)展

近年來隨著傳感器對靈敏度、精確度、抗電磁干擾等要求的不斷提升，光纖傳感器因其獨(dú)特的優(yōu)勢而備受青睞。光纖傳感技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，伴隨著光纖技術(shù)和光通信技術(shù)快速進(jìn)步而發(fā)展起來，它的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域和人們的日常生活，大至軍事國防、航天航空、能源環(huán)保，小到一座橋梁的建設(shè)、一套電力系統(tǒng)的搭建，尤其可以安全有效地在惡劣條件下應(yīng)用，滿足了各行各業(yè)的市場需求。與此同時，傳感器技術(shù)還是智能社會的關(guān)鍵技術(shù)之一，是將現(xiàn)實世界信息進(jìn)行數(shù)字化的重要窗口，其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)乎當(dāng)下，更決勝未來。

在光傳感技術(shù)的這個領(lǐng)域內(nèi)，劉慶文已經(jīng)奮斗了10余年。他表示，“在這條軌跡上沒有太多的猶豫和徘徊，一切都比較自然地發(fā)生了”。劉慶文從小就對科學(xué)有著非常濃厚的興趣。小學(xué)一年級入學(xué)時，媽媽給他做過一件白色上衣，上面用紅絲線繡出的“愛科學(xué)”三個字，至今仍然印在他的腦海里。2001年，他考入天津大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)光電子方向，那時候的他想法很簡單，就是覺得“光學(xué)是一門既與生活息息相關(guān)又奧妙無窮的學(xué)科”。在完成本科階段的學(xué)習(xí)后，他以專業(yè)第一的成績保送本校讀研，進(jìn)行飛秒激光技術(shù)的研究，之后獲日本文部科學(xué)省獎學(xué)金前往日本東京大學(xué)攻讀博士學(xué)位，正式與光傳感技術(shù)研究接軌。2013年，他加入上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，繼續(xù)從事光傳感技術(shù)的研究。

“在國外，我主要開展了光纖光柵傳感器技術(shù)的研究?；貒?，這一方向的研究作為我工作的一部分也得到了進(jìn)一步的發(fā)展?！眲c文表示，考慮到地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，缺少有效的觀測手段是地震預(yù)報難的原因，也是長期以來限制地震科學(xué)研究發(fā)展的主要因素。在自然科學(xué)基金委重大儀器專項、科技部重點研發(fā)計劃等支持下，他作為技術(shù)骨干，協(xié)助國家特聘專家何祖源教授帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)出一系列先進(jìn)的探測技術(shù)，例如，基于光纖法布里—珀羅干涉儀的瞬態(tài)響應(yīng)特征實現(xiàn)了對干涉儀諧振頻率的精確比較，能夠檢測10-5℃，以及10-10的長度變化量，并且做到對多個傳感器的同時檢測。他們基于此技術(shù)還研制成功了超高分辨率光纖應(yīng)變場檢測儀樣機(jī)，這種傳感器尺寸小、靈敏度高、布設(shè)方便，為地殼應(yīng)變場的觀測提供了有力工具。

為產(chǎn)業(yè)化市場把脈

雖然學(xué)術(shù)方面劉慶文取得了一定的成就，但是，他的視野并沒有僅僅局限于單純的理論、技術(shù)研究和樣機(jī)制作，在他看來，科學(xué)研究發(fā)展最終需要聚焦在產(chǎn)業(yè)化落地上。而選擇哪些成果轉(zhuǎn)化、如何開展產(chǎn)學(xué)研合作，這一切都需要建立在了解市場的前提之上。

他認(rèn)為，無論在具體任務(wù)攻關(guān)還是科研選題方面，密切關(guān)注產(chǎn)業(yè)化市場的需求是一大關(guān)鍵因素?！笆袌鲂枨蟛坏扔谘芯繜狳c，好的研究課題要引領(lǐng)熱點而不是跟蹤熱點?！痹趧c文看來，工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)難題背后一定有一個或多個沒有得到解決的科學(xué)問題，可以作為研究課題，這代表著市場迫切的需要，也體現(xiàn)了科學(xué)研究課題的最終價值。因此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊秉承開展獨(dú)立性和原創(chuàng)性研究的原則，去尋找工業(yè)生產(chǎn)、生活中技術(shù)難題的根本原因和矛盾所在，進(jìn)而提出高效的解決方案。

從光纖傳感的市場來講，劉慶文指出，其總體很大但細(xì)分到每個傳感器的市場往往都比較小，其中相對而言，占比重較大的兩個市場分別是光纖光柵型傳感器和分布式傳感器。前者是一種點式傳感器，每一枚傳感器可以檢測一個位置處的信息，采用合適的探測技術(shù)就可以實現(xiàn)極高的靈敏度和分辨率，在土木工程、極端環(huán)境等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。后者則是利用通信光纖中的后向散射現(xiàn)象，能夠檢測數(shù)十公里光纖上任意位置處的環(huán)境溫度、應(yīng)變和振動等信息。同時，這種分布式傳感能力是光纖傳感器所特有的，在油田測井、資源勘探、輸油氣管線、鐵路安防等領(lǐng)域有著迫切的剛需。“以油田測井為例，油井下的溫度超過200℃，壓力超過200大氣壓，而且腐蝕性很強(qiáng)，電子傳感器在這種環(huán)境下很快就會失效，而光纖傳感器卻可以正常工作幾十年，是唯一可在井下固定布設(shè)的傳感器?！逼渲?，光纖的分布式溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，但基于光纖的分布式聲波傳感器目前只有Silixa等幾家國外公司擁有較為成熟的產(chǎn)品，但這些公司只提供服務(wù)而不銷售產(chǎn)品，這就意味著在分布式聲波傳感器應(yīng)用的各行各業(yè)，國家或企業(yè)需承擔(dān)高昂的服務(wù)費(fèi)用，還必須接受產(chǎn)品禁運(yùn)的形勢。

為了打破長此以往受制于人的局面，針對當(dāng)前需求最為迫切的分布式聲波傳感器技術(shù)，劉慶文團(tuán)隊提出了新型的反射儀方案和信號處理技術(shù)，不僅提高了測量的距離和靈敏度，還利用信號處理技術(shù)攻克了相干衰落噪聲問題，徹底解決了分布式聲波傳感器在可靠性方面的不足，使其達(dá)到了產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用的要求。

打通產(chǎn)業(yè)化最后一環(huán)

技術(shù)的研發(fā)代表著第一步的成功，產(chǎn)品的研制和產(chǎn)業(yè)化推廣還有很長的路要走。“這和搞科研不同，科研只要有一項技術(shù)指標(biāo)很優(yōu)秀就可以發(fā)表出論文，而形成產(chǎn)品時不僅要比已有技術(shù)有突出優(yōu)勢，而且不能有任何的明顯缺陷，這對技術(shù)方案提出了苛刻的要求?！眲c文說道。

2019年，開發(fā)完成高性能分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)。

回顧這些年的研究，劉慶文說，光纖光柵傳感器技術(shù)研究和分布式傳感技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化是并駕齊驅(qū)的存在。其中分布式傳感技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化，同樣是他多年來產(chǎn)學(xué)研密切結(jié)合的體現(xiàn)。

“我們最有意思的成果是‘時間門控光頻域反射儀’技術(shù)，最早是技術(shù)驅(qū)動，后來變成了需求牽引。”他進(jìn)一步解釋說，那是他加入上海交通大學(xué)不久，為首批招收的碩士生所設(shè)計的課題方案。這個方案綜合了已有的光時域反射儀、光頻域反射儀和光相干域反射儀3種類型光反射儀的部分特性。起初，劉慶文發(fā)現(xiàn)這種新設(shè)計的反射儀在光纖鏈路的損耗檢測中有一些優(yōu)勢但并不是很突出，然而，深入的分析發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)用在分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensor, DAS）領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力，由于這種反射儀結(jié)構(gòu)采用寬帶線性調(diào)諧的探測脈沖，能夠同時實現(xiàn)高空間分辨率與高信噪比，解決了傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)中的固有難題，于是最初的技術(shù)驅(qū)動變成了需求牽引，劉慶文團(tuán)隊圍繞分布式聲波傳感器的需求繼續(xù)開展研究，通過對脈沖進(jìn)行精密調(diào)制與靈活的解調(diào)和信號處理方案，先后又攻克DAS的頻響范圍、靈敏度和可靠性等關(guān)鍵技術(shù)難題，為分布式光纖聲音傳感技術(shù)的工程應(yīng)用打開了廣闊前景。

2018年，參加在瑞士洛桑舉辦的國際光纖傳感大會。

“我一直很關(guān)注技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，因此分布式聲波傳感技術(shù)開發(fā)成功之后，就開始安排學(xué)生進(jìn)行樣機(jī)的設(shè)計開發(fā)。此時，在石油行業(yè)有多年經(jīng)驗、非?？春霉饫w聲波傳感器技術(shù)應(yīng)用前景的梁其林先生，正好慕名來訪，對我們的技術(shù)指標(biāo)非常感興趣。”在這期間，適逢學(xué)校一系列支持產(chǎn)學(xué)研合作的新政策出臺，明確和細(xì)化了在校老師進(jìn)行產(chǎn)業(yè)合作的手續(xù)和流程，這讓劉慶文明顯感受到國家、學(xué)校和社會各方面對知識產(chǎn)權(quán)的重視以及對產(chǎn)學(xué)研合作的支持，這讓他更加有把握將產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行到底，讓技術(shù)真正融入市場。

在各方的支持下，代表學(xué)校從事科技成果轉(zhuǎn)化的上海交大知識產(chǎn)權(quán)管理有限公司、劉慶文研究團(tuán)隊和產(chǎn)業(yè)界的梁其林先生團(tuán)隊，共同成立了樸牛（上海）科技有限公司，專注于DAS技術(shù)的孵化和產(chǎn)品的研發(fā)，時至今日已開發(fā)完成HiFi-DAS系列高性能分布式聲波傳感器產(chǎn)品。據(jù)劉慶文介紹，該產(chǎn)品在同樣空間分辨率與測量距離下，其信噪比相較傳統(tǒng)的Φ-OTDR技術(shù)提升100倍之多，能實時獲取數(shù)十至數(shù)百公里光纖附近的振動信息，在油氣管線泄漏監(jiān)控、圍欄入侵檢測等領(lǐng)域的驗證實驗取得圓滿成功，預(yù)計2019年度的銷售額能達(dá)到3000萬元。

“我們團(tuán)隊推出的DAS產(chǎn)品，主要優(yōu)勢是綜合性能非常優(yōu)異，不僅空間分辨率等參數(shù)指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品的最高水平，而且在以往DAS產(chǎn)品最大的局限——可靠性上，表現(xiàn)非常優(yōu)異?！眲c文在產(chǎn)品性能方面表現(xiàn)出十足的自信心，并作出了未來3年內(nèi)產(chǎn)品銷售額將實現(xiàn)破億的預(yù)測目標(biāo)。

迎難、應(yīng)需而上

這份自信是幾十年磨礪的結(jié)果，也是對自身付出的肯定。不過，最初在開發(fā)HiFi-DAS技術(shù)及產(chǎn)品過程中，劉慶文也一度為相干衰落噪聲帶來的可靠性問題所困擾。他說，光纖中的瑞利散射天然具有隨機(jī)性，在高相干探測光脈沖照射時，某些隨機(jī)位置處的瑞利散射信號相干相消，變得極其微弱而無法準(zhǔn)確測量其相位，嚴(yán)重影響了分布式聲波傳感系統(tǒng)的可靠性。他長期地思考這個問題，最終利用瑞利散射對探測光頻率敏感這一特征，提出了脈沖內(nèi)分頻—旋轉(zhuǎn)相位累加方案，既使瑞利信號的強(qiáng)度變得平坦，又完整保留了振動引起光相位信息。也正是這個問題的高效解決，補(bǔ)上了分布式聲波傳感技術(shù)的最后一塊短板。

劉慶文樂在其中，他表示像這樣的波折哪怕在未來科研道路上是也可以預(yù)見的，他時刻在為思考做準(zhǔn)備，不僅是學(xué)術(shù)方面的問題，還包含對哲學(xué)、社會和自己生活的反思。

對于未來的發(fā)展，劉慶文表示，研究課題有很自由和廣泛的選擇空間，但從中篩選出自己感興趣、科學(xué)內(nèi)涵豐富、技術(shù)上有突破路徑的課題并不容易。一方面，他希望促進(jìn)已有的應(yīng)用技術(shù)更好地服務(wù)社會，例如，在分布式聲波傳感技術(shù)基礎(chǔ)上，團(tuán)隊開發(fā)出超視距精密形狀傳感技術(shù)，能夠?qū)?shù)米到數(shù)公里長的管道、鐵軌等物體的彎曲變形進(jìn)行實時檢測，位移檢測精度可達(dá)亞毫米?！跋乱徊?，我們將結(jié)合分布式聲波傳感技術(shù)和形狀傳感技術(shù)，以及已比較成熟的分布式應(yīng)變和溫度傳感技術(shù)，開發(fā)高性能多參量分布式光纖傳感系統(tǒng)，只需要一根光纖即可精確檢測多種物理參量的空間與時間分布信息?！绷硪环矫?，他將繼續(xù)開拓新的研究方向，尤其是對基于光纖的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)具有濃厚的興趣，希望能夠利用光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)提高檢測深度和成像精度，這是一個有著巨大的研究與應(yīng)用價值的領(lǐng)域。

“隨著工作年限的增長，學(xué)生指導(dǎo)、學(xué)術(shù)交流、項目管理、產(chǎn)學(xué)研合作等活動也越來越多，時間總是感覺不夠用，加班成了常態(tài)?！钡幢闳绱?，劉慶文仍會盡到家庭的責(zé)任，只要不出差，就會抽出時間陪家人在校園漫步或者外出活動，平衡生活與工作的時間，以便蓄力迎接下一個挑戰(zhàn)。