■文/于海芳

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

其中，國家重點研發(fā)項目“先進光纖傳感材料與器件關鍵技術及應用”就是由何祖源教授牽頭，于2017年8月獲批，屬于戰(zhàn)略性先進電子材料主題，由國家科技部高技術研究發(fā)展中心組織和指導實施。項目從材料、器件、系統(tǒng)到應用示范全鏈條創(chuàng)新角度進行了分解，設置五個研究課題，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)應用示范”，是國家重點研發(fā)計劃當中光纖傳感領域獲得立項的唯一綜合性項目。

2019年6月，項目中期檢查匯報會合影。（地點：武漢理工大學）

該項目集中了來自高校、科研院所和高科技企業(yè)的17家國內(nèi)光纖傳感領域優(yōu)勢團隊，為突破光纖傳感技術進一步發(fā)展所面臨的特種光纖材料瓶頸問題，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，掌握光纖光場與環(huán)境參數(shù)敏感耦合的同步檢測技術，推動核心器件和光纖傳感器技術進步，促進光纖傳感產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提升智能傳感與檢測領域的技術水平。在整個實施過程中，項目團隊始終堅持不斷創(chuàng)新，以實用化、產(chǎn)業(yè)化為最終目標，為國家重大項目及關鍵領域建設提供強有力的支撐。

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責人。楊明紅作為武漢理工大學研究員，教育部新世紀優(yōu)秀人才入選者，湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體負責人，國家杰出青年基金獲得者，還發(fā)表學術論文160余篇，并榮獲國家和省部級獎勵3項。

其中，連續(xù)光柵陣列傳感光纖，是在光纖拉絲過程中對光纖進行在線光柵刻寫，再對連續(xù)光柵傳感光纖進行涂敷、固化、收盤等操作，因為制備效率較高，可以在光纖上制備一萬個以上的光柵，距離可以長達幾公里到幾十公里，且光柵的反射波長和3 dB帶寬具有較高的一致性。通過快速切換相位掩膜板，可實現(xiàn)多波長光柵的制備，即波分復用的光纖。光纖傳輸損耗0.302 dB/km，抗拉強度52 N。通過控制寫制弱光柵的工藝，光柵的反射率比瑞利散射光的強度高兩個數(shù)量級以上，因此系統(tǒng)在兼顧傳感距離的同時具有信噪比較高的優(yōu)勢。再利用波分復用、時分復用和空分復用技術實現(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態(tài)制備關鍵技術與應用”榮獲2019年度國家技術發(fā)明獎二等獎。

圖(a)是4卷連續(xù)光柵傳感光纖樣品，每卷2500個光柵以上，總計實現(xiàn)10,000個以上的連續(xù)光柵；(b)是用4通道的解調(diào)儀檢測；(c)用于振動測試結果，可以看出對振動有良好的響應效果。

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，主要承擔具有超高測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，提升我國在高精度光纖傳感器件領域的技術水平，為光纖傳感技術從實驗室走向產(chǎn)業(yè)應用保駕護航。

該課題基于新型光纖傳感機理，開發(fā)出了超高精度多通道光纖應變和溫度傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺解調(diào)儀主機與多組四分量應變張量傳感探頭構成，解調(diào)儀主機安置在機房內(nèi)，時分復用分光箱與四分量光纖傳感器安裝在測試點。該設備可同時對最多40個傳感探頭進行探測，應變分辨率優(yōu)于10-10，溫度分辨率優(yōu)于10-4℃。該傳感器設備在四川省甘孜藏族自治州康定縣燕子溝地震臺站進行了地殼應變張量的現(xiàn)場觀測實驗，利用一組米字形布設的應變傳感探頭，觀測到了清晰的固體潮信息和多次地震信號，驗證了該超高精度光纖應變傳感器的性能，為地球與海洋科學研究特別是地震科學研究，提供有效的觀測工具和技術手段。

同時，該課題也完成了基于光纖的高精度加速度傳感器樣機的開發(fā)，包括光纖加速度傳感器、信號采集與解調(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現(xiàn)振動信息的高精度探測，并將其轉(zhuǎn)化為干涉光信號輸出，其按照對稱結構的原則進行設計，將兩個傳感光纖環(huán)對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)在封裝結構內(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)定與補償抑制。該加速度傳感器系統(tǒng)具有動態(tài)范圍大、靈敏度高、測量帶寬寬等優(yōu)點，在0.1～120 Hz的工作頻段內(nèi)，動態(tài)范圍超過140 dB、測量分辨率優(yōu)于30 ng/Hz1/2。

陣列式光纖傳感系統(tǒng)

科技是國家強盛之基，創(chuàng)新是民族進步之魂，張文濤博士一直在創(chuàng)新之路上開拓進取。張文濤作為中國科學院半導體所研究員，多年來從事光纖傳感技術方面的研究，并榮獲省部級科技進步和技術發(fā)明一等獎3項。

由張文濤博士負責的陣列式光纖傳感系統(tǒng)課題組，主要針對國家安全、能源安全、智慧城市等領域的戰(zhàn)略需求，開展弱光柵陣列傳感系統(tǒng)、光纖地震監(jiān)測網(wǎng)絡、陣列式光纖水聽器的研究。

在光纖地震監(jiān)測網(wǎng)絡方面，突破了0.1 nε量級高精度光纖光柵靜態(tài)應變信號解調(diào)及寬頻帶光纖光柵地震計頻響控制技術，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)測網(wǎng)絡，地震分量靈敏度優(yōu)于330 pm/g、頻帶范圍達到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、安徽省金寨地震臺建立了多參量光纖地震監(jiān)測示范系統(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信號，入選了“中科院自主研制儀器”、應急部“地震科技創(chuàng)新成果”。光纖地震傳感網(wǎng)絡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/波分混合復用組網(wǎng)技術，光纖水聽器探頭靈敏度達到-117 dB，并實現(xiàn)了256基元光纖水聽器陣列，在湖南寧鄉(xiāng)黃材水庫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

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)分布式振動傳感技術、分布式聲傳感技術和分布式溫度應變傳感技術。

該課題是由上海交通大學長聘教授樊昕昱負責，多年來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，而且不斷向該領域的技術廣度和深度進軍。同時，樊昕昱教授還擔任中國光學工程學會光纖傳感技術專委會常務理事、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應用于基于時間門數(shù)字式光頻域反射儀（TGD-OFDR）的分布式光纖振動系統(tǒng)，并結合去衰落噪聲算法，實現(xiàn)108 km傳感距離，5 m空間分辨率以及220 pε/√Hz應變測量分辨率。

針對提高頻率響應及系統(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)，實現(xiàn)了傳感距離10 km，空間分辨率7 m，最高響應頻率2.5 kHz，信噪比61 dB的相位實時解調(diào)系統(tǒng)。DAS系統(tǒng)經(jīng)過三次技術迭代后，開展了淺層地震探測與垂直地震剖面檢測的野外應用試驗。與傳統(tǒng)電學動圈檢波器取得的地震資料進行了對比分析，確認結果基本一致。通過對比欠耦合光纜和固井光纜采集的數(shù)據(jù)，確認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變傳感系統(tǒng)方面，研究有拉曼放大條件下的布里淵光時域分析法（BOTDA）系統(tǒng)，該課題實現(xiàn)傳感距離180 km，溫度分辨率1℃，距離分辨率4 m的分布式溫度應變傳感，且單頻點測量時間控制在4s以內(nèi)（見圖2）。

光纖傳感系統(tǒng)應用示范

沒有挺得起腰的科學家精神，就很難有站得住腳的科學成果。光纖傳感系統(tǒng)應用示范課題是由江山工程師負責，江山不僅是教授級高級工程師、中國光學學會高級會員/第六屆理事會理事、中國通信學會高級會員，而且還是國家“十五”863計劃新材料領域光電子材料及器件主題專家。

通過該項目的實施，初步實現(xiàn)光纖傳感在惡劣環(huán)境下重大基礎設施周界安全、結構安全、海洋安全和能源安全等領域的示范應用。

一是管線與周界安全監(jiān)測系統(tǒng)。開發(fā)在線放大和相干光時域弱信號提取技術，對入侵事件進行破壞預警和定位。選取描述振動信號片段特征，綜合時域、頻域算法, 引入信號模式識別分類器進行事件類別區(qū)分，使系統(tǒng)具有報警高準確率及低誤報率。

二是橋隧安全監(jiān)測系統(tǒng)。研究出適用于橋梁隧道結構監(jiān)測的各類光纖傳感器設計，用特種光纜設計開發(fā)分布式應變、溫度監(jiān)測傳感器、施工工藝以及結構監(jiān)測系統(tǒng)集成技術。建立網(wǎng)絡化的信息管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和信息管理功能。

圖2 結合分布式拉曼放大的DAS實驗系統(tǒng)圖及振動信號測量結果

三是海洋油氣開發(fā)光纖井下溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)。針對油氣井下溫度壓力長期實時監(jiān)測的需求，通過對材料、結構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、抗氫損等問題，實現(xiàn)長壽命、高可靠井下溫度壓力實時監(jiān)測。

四是光纖微地震壓裂監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)對微地震壓裂形成的微小信號實時檢測，校正壓裂模型，隨時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，實現(xiàn)復雜油氣藏壓裂改造效果的高精度動態(tài)監(jiān)測和開采過程中油層信息的長期監(jiān)測。系統(tǒng)包括多通道、高分辨率的光纖檢波器動態(tài)信號解調(diào)儀器，并集成電源、光源、光電轉(zhuǎn)換、解復用、高精度算法、存儲等功能模塊。采集數(shù)據(jù)分析與解釋，優(yōu)化采集系統(tǒng)軟硬件，完成工程指導和作業(yè)文件，提出行業(yè)標準建議。

管線與周界安全監(jiān)測系統(tǒng)應用示范，已完成對監(jiān)測系統(tǒng)的研制和性能優(yōu)化，通過建立振動源橫向定位模型與定位算法，實現(xiàn)更精準識別振動源橫向距離，有效降低系統(tǒng)誤報率，并實現(xiàn)了雙通道≥120 km的探測距離，定位精度為±10 m，報警時間＜3 s，系統(tǒng)誤報率達到1次/10公里/周。分別在長慶油田第二輸油處光纖預警項目、烏蘭線西靖至蘭州段管道安全預警項目，建立應用示范工程2項。同時，積極推動先進技術投入現(xiàn)場應用環(huán)境，與中石油西氣東輸科技信息中心合作，建立應用示范工程《西氣東輸振動源橫向定位技術研究》，于西氣東輸徐州站至邳州站輸氣管道建立應用示范段，不斷完善振動源橫向定位算法，豐富振動源橫向定位數(shù)據(jù)庫，有效降低系統(tǒng)誤報率。

當今世界正經(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。由何祖源教授牽頭的“先進光纖傳感材料與器件關鍵技術與應用”是一項綜合性重點項目，集中了國內(nèi)的優(yōu)勢企業(yè)、高校和科研單位共同開展研究，不僅完成了項目最初制定的指標，同時強化了項目示范性應用的引領作用，使我國在光纖傳感領域達到國際領先水平。