坚持协同创新之路让光纤传感技术更好地服务祖国

■文/于海芳

科学之路没有平坦大道，只有不畏劳苦勇于攀登的人，才有希望到达光辉的顶点。何祖源作为上海交通大学讲席教授，一直担任电子工程系主任，多年致力于光纤传感与特种光纤、光信号处理等方面的研究，以科学家的精神引领着创新之路。如今，上海交通大学智能光子学研究中心在何祖源教授带领下，日益壮大，创造着更多的“从无到有”。

其中，国家重点研发项目“先进光纤传感材料与器件关键技术及应用”就是由何祖源教授牵头，于2017年8月获批，属于战略性先进电子材料主题，由国家科技部高技术研究发展中心组织和指导实施。项目从材料、器件、系统到应用示范全链条创新角度进行了分解，设置五个研究课题，分别为“传感光纤材料与器件”“高精度光纤传感器件”“阵列式光纤传感系统”“分布式光纤传感器系统”和“光纤传感系统应用示范”，是国家重点研发计划当中光纤传感领域获得立项的唯一综合性项目。

2019年6月，项目中期检查汇报会合影。（地点：武汉理工大学）

该项目集中了来自高校、科研院所和高科技企业的17家国内光纤传感领域优势团队，为突破光纤传感技术进一步发展所面临的特种光纤材料瓶颈问题，研制高精度、多参量、高密度、大范围、恶劣环境下的光纤传感器，掌握光纤光场与环境参数敏感耦合的同步检测技术，推动核心器件和光纤传感器技术进步，促进光纤传感产业化发展，提升智能传感与检测领域的技术水平。在整个实施过程中，项目团队始终坚持不断创新，以实用化、产业化为最终目标，为国家重大项目及关键领域建设提供强有力的支撑。

传感光纤材料与器件

专注科研，勇于探索，凭借执着的好奇心、事业心取得突出成就的杨明红，是传感光纤材料与器件课题组的负责人。杨明红作为武汉理工大学研究员，教育部新世纪优秀人才入选者，湖北省自然科学基金创新群体负责人，国家杰出青年基金获得者，还发表学术论文160余篇，并荣获国家和省部级奖励3项。

其中，连续光栅阵列传感光纤，是在光纤拉丝过程中对光纤进行在线光栅刻写，再对连续光栅传感光纤进行涂敷、固化、收盘等操作，因为制备效率较高，可以在光纤上制备一万个以上的光栅，距离可以长达几公里到几十公里，且光栅的反射波长和3 dB带宽具有较高的一致性。通过快速切换相位掩膜板，可实现多波长光栅的制备，即波分复用的光纤。光纤传输损耗0.302 dB/km，抗拉强度52 N。通过控制写制弱光栅的工艺，光栅的反射率比瑞利散射光的强度高两个数量级以上，因此系统在兼顾传感距离的同时具有信噪比较高的优势。再利用波分复用、时分复用和空分复用技术实现阵列光栅的大规模组网。课题成果“大容量低损耗阵列光纤光栅动态制备关键技术与应用”荣获2019年度国家技术发明奖二等奖。

图(a)是4卷连续光栅传感光纤样品，每卷2500个光栅以上，总计实现10,000个以上的连续光栅；(b)是用4通道的解调仪检测；(c)用于振动测试结果，可以看出对振动有良好的响应效果。

高精度光纤传感器件

火车跑得快，全靠车头带。高精度光纤传感器件课题是由何祖源教授亲自带领，主要承担具有超高测量精度的光纤压力传感器、光纤加速度传感器和光纤形变温度传感器件的研制任务，提升我国在高精度光纤传感器件领域的技术水平，为光纤传感技术从实验室走向产业应用保驾护航。

该课题基于新型光纤传感机理，开发出了超高精度多通道光纤应变和温度传感系统。该系统由一台解调仪主机与多组四分量应变张量传感探头构成，解调仪主机安置在机房内，时分复用分光箱与四分量光纤传感器安装在测试点。该设备可同时对最多40个传感探头进行探测，应变分辨率优于10-10，温度分辨率优于10-4℃。该传感器设备在四川省甘孜藏族自治州康定县燕子沟地震台站进行了地壳应变张量的现场观测实验，利用一组米字形布设的应变传感探头，观测到了清晰的固体潮信息和多次地震信号，验证了该超高精度光纤应变传感器的性能，为地球与海洋科学研究特别是地震科学研究，提供有效的观测工具和技术手段。

同时，该课题也完成了基于光纤的高精度加速度传感器样机的开发，包括光纤加速度传感器、信号采集与解调电路以及解调软件等部分，其中，光纤加速度传感器主要实现振动信息的高精度探测，并将其转化为干涉光信号输出，其按照对称结构的原则进行设计，将两个传感光纤环对称地粘接在弹性盘片上下表面，使两路传感光纤可感知相同的温度变化，以增加光路系统在封装结构内的温度稳定性，从而完成光纤加速度传感器的温度稳定与补偿抑制。该加速度传感器系统具有动态范围大、灵敏度高、测量带宽宽等优点，在0.1～120 Hz的工作频段内，动态范围超过140 dB、测量分辨率优于30 ng/Hz1/2。

阵列式光纤传感系统

科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂，张文涛博士一直在创新之路上开拓进取。张文涛作为中国科学院半导体所研究员，多年来从事光纤传感技术方面的研究，并荣获省部级科技进步和技术发明一等奖3项。

由张文涛博士负责的阵列式光纤传感系统课题组，主要针对国家安全、能源安全、智慧城市等领域的战略需求，开展弱光栅阵列传感系统、光纤地震监测网络、阵列式光纤水听器的研究。

在光纤地震监测网络方面，突破了0.1 nε量级高精度光纤光栅静态应变信号解调及宽频带光纤光栅地震计频响控制技术，研制出16通道的地震、形变、温度一体化集成多参量光纤地震监测网络，地震分量灵敏度优于330 pm/g、频带范围达到0.01～50 Hz，形变分量分辨率优于1×10-11，温度分量分辨率优于1×10-4℃，在北京白家疃地震台、安徽省金寨地震台建立了多参量光纤地震监测示范系统，可记录到数千公里外的地震波、固体潮汐以及微小的温度波动信号，入选了“中科院自主研制仪器”、应急部“地震科技创新成果”。光纤地震传感网络代表性研究成果如图1所示。

在光纤水听器阵列研究方面，突破了光纤水听器灵敏度倍增及分/波分混合复用组网技术，光纤水听器探头灵敏度达到-117 dB，并实现了256基元光纤水听器阵列，在湖南宁乡黄材水库湖试中取得了良好的效果。

图1 多参量光纤地震传感系统及其记录的地壳形变、地震与温度信号

分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统课题组主要研究开发分布式振动传感技术、分布式声传感技术和分布式温度应变传感技术。

该课题是由上海交通大学长聘教授樊昕昱负责，多年来他一直专注于光纤传感与特种光纤光纤器件与系统的研究，而且不断向该领域的技术广度和深度进军。同时，樊昕昱教授还担任中国光学工程学会光纤传感技术专委会常务理事、Opt. Express期刊客座编辑、Chin. Opt. Lett.期刊编委。

该课题将双向分布式拉曼放大技术应用于基于时间门数字式光频域反射仪（TGD-OFDR）的分布式光纤振动系统，并结合去衰落噪声算法，实现108 km传感距离，5 m空间分辨率以及220 pε/√Hz应变测量分辨率。

针对提高频率响应及系统信噪比，该课题还研究了基于相位生成载波解调的分布式声传感（DAS）系统，实现了传感距离10 km，空间分辨率7 m，最高响应频率2.5 kHz，信噪比61 dB的相位实时解调系统。DAS系统经过三次技术迭代后，开展了浅层地震探测与垂直地震剖面检测的野外应用试验。与传统电学动圈检波器取得的地震资料进行了对比分析，确认结果基本一致。通过对比欠耦合光缆和固井光缆采集的数据，确认固井光缆有助于获取更高质量的地震资料。

在光纤分布式温度应变传感系统方面，研究有拉曼放大条件下的布里渊光时域分析法（BOTDA）系统，该课题实现传感距离180 km，温度分辨率1℃，距离分辨率4 m的分布式温度应变传感，且单频点测量时间控制在4s以内（见图2）。

光纤传感系统应用示范

没有挺得起腰的科学家精神，就很难有站得住脚的科学成果。光纤传感系统应用示范课题是由江山工程师负责，江山不仅是教授级高级工程师、中国光学学会高级会员/第六届理事会理事、中国通信学会高级会员，而且还是国家“十五”863计划新材料领域光电子材料及器件主题专家。

通过该项目的实施，初步实现光纤传感在恶劣环境下重大基础设施周界安全、结构安全、海洋安全和能源安全等领域的示范应用。

一是管线与周界安全监测系统。开发在线放大和相干光时域弱信号提取技术，对入侵事件进行破坏预警和定位。选取描述振动信号片段特征，综合时域、频域算法, 引入信号模式识别分类器进行事件类别区分，使系统具有报警高准确率及低误报率。

二是桥隧安全监测系统。研究出适用于桥梁隧道结构监测的各类光纤传感器设计，用特种光缆设计开发分布式应变、温度监测传感器、施工工艺以及结构监测系统集成技术。建立网络化的信息管理平台，实现数据展示和信息管理功能。

图2 结合分布式拉曼放大的DAS实验系统图及振动信号测量结果

三是海洋油气开发光纤井下温度压力监测系统。针对油气井下温度压力长期实时监测的需求，通过对材料、结构及制作工艺等方面深入研究，解决井下传感器及光缆耐高温高压、耐腐蚀、抗氢损等问题，实现长寿命、高可靠井下温度压力实时监测。

四是光纤微地震压裂监测系统。实现对微地震压裂形成的微小信号实时检测，校正压裂模型，随时间的变化分析裂缝生成，形成光纤井下检波器的微地震采集处理和解释工作能力，实现复杂油气藏压裂改造效果的高精度动态监测和开采过程中油层信息的长期监测。系统包括多通道、高分辨率的光纤检波器动态信号解调仪器，并集成电源、光源、光电转换、解复用、高精度算法、存储等功能模块。采集数据分析与解释，优化采集系统软硬件，完成工程指导和作业文件，提出行业标准建议。

管线与周界安全监测系统应用示范，已完成对监测系统的研制和性能优化，通过建立振动源横向定位模型与定位算法，实现更精准识别振动源横向距离，有效降低系统误报率，并实现了双通道≥120 km的探测距离，定位精度为±10 m，报警时间＜3 s，系统误报率达到1次/10公里/周。分别在长庆油田第二输油处光纤预警项目、乌兰线西靖至兰州段管道安全预警项目，建立应用示范工程2项。同时，积极推动先进技术投入现场应用环境，与中石油西气东输科技信息中心合作，建立应用示范工程《西气东输振动源横向定位技术研究》，于西气东输徐州站至邳州站输气管道建立应用示范段，不断完善振动源横向定位算法，丰富振动源横向定位数据库，有效降低系统误报率。

当今世界正经历百年未有之大变局，新一轮科技革命和产业变革正在加速演进。由何祖源教授牵头的“先进光纤传感材料与器件关键技术与应用”是一项综合性重点项目，集中了国内的优势企业、高校和科研单位共同开展研究，不仅完成了项目最初制定的指标，同时强化了项目示范性应用的引领作用，使我国在光纤传感领域达到国际领先水平。