聚焦光纤传感 创新引领未来 ——记北京航天控制仪器研究所光纤传感研究团队

如果说20世纪最重要的技术突破是半导体材料，那么，21世纪光纤材料的发展则加快推动了通信技术的进步，一根头发丝粗细的光纤就可以将光波低损耗传送上千公里，从而推动人类进入了信息时代。光纤作为光波的优良载体，不仅推动光纤通信技术的迅速发展，也推动了光纤传感技术的蓬勃发展。现如今，光纤传感测量技术已经在航天航空、能源环保、交通安全、生物医用等多个领域得到了广泛应用。

北京航天控制仪器研究所研究员、北京市光纤传感系统工程技术研究中心主任王学锋，作为中国航天科技集团有限公司首批创新团队——“光纤传感技术创新团队”的负责人，长期在科研一线从事航天光学测量领域技术研究，他的研究方向主要包括光纤传感、原子磁力仪等。在他的带领下，团队聚焦航天领域先进光纤感知技术的研发及应用创新，紧跟国际光纤传感技术发展前沿，突破了一系列核心技术，取得了丰硕的研究成果。经过十几年发展，现已打造出一支光纤传感技术创新及应用研究专业团队，形成了完全自主知识产权的撞击部位测量系统、植入式光纤光栅传感系统、分布式光纤传感系统、光学气体传感系统等重点产品，引领光纤传感技术在航天领域的应用，大力推动了我国光纤传感技术的发展。

齐心协力 创新突破

2002年，王学锋于中国科学院上海光学精密机械研究所博士毕业后，进入北京航天控制仪器研究所，加入到王巍院士的团队。在王巍院士组建了北京市光纤传感系统工程技术研究中心之后，他逐渐由骨干成员成长为团队负责人，带领团队一起对光纤传感在航天领域应用中的基础问题和工程难题开展研究。十多年来，团队以研发项目为实战平台，聚焦于传感原理、光路设计、电路设计、解调算法、基础制造工艺等关键技术，打造了一支理论功底扎实、光学专业技术能力和水平突出的队伍。他们具备较强的工程技术创新创造能力，以广阔的国际视野，立足国家需求，扎根国防科技研究和生产一线，善于解决复杂工程技术难题，为国家国防工程、军事装备贡献了先进的科研成果。

为了加速靶场现代化和靶标智能化，提升毁伤效果定量化评估水平，为某新型国防装备性能评估和试验鉴定提供关键技术支撑，团队在既无国内外同领域应用参考、又无工程实际应用先例的情况下，在国内首创了撞击部位测量系统，将光纤传感技术应用于飞行器撞击信息测量领域，攻克了高速撞击信息瞬时测量的技术瓶颈，实现了光纤传感技术在国防上的一次重大创新。基于光纤传感的撞击部位测量系统具备测量精度高、响应速度快、环境适应性好、实时报靶等优点，填补了高速撞击测量领域的技术空白，取得了重大的军事效益。2019年，“高速撞击信息动态测量系统技术”项目荣获国家技术发明奖二等奖。

此外，团队围绕航天工程应用开展了“先进航天飞行器用高性能植入式光纤测量系统”研究。光纤光栅传感器在民用上主要用于测量温度和应变，或以此为基础进行反演获得其他被测物理量，比如在桥梁、大坝等建筑里植入光纤光栅传感器测量应力变化，以判断结构的受力状态以及是否仍在一个比较可靠的范围内工作。王学锋说：“放在钢筋混凝土里的传感器，对体积要求并不严格，相对容易实现较高的性能。但是放到航天器复合材料结构里，就要求传感器细小轻便、不能影响整个结构的强度，还必须保证高精度。”传统电传感器使用的导线中包裹着铜丝，测点多时，铜线数量多、重量大，难以实现植入式测量。光纤直径一般不超过250微米，尤其在航天特殊应用领域，石英直径可能只有80微米，甚至更细，跟头发丝相当。光纤越细，在径向就越脆弱，进行植入式测量时要面对层出不穷的状况。

在该项目中，团队需要集中解决光纤光栅传感器高精度小型化、啁啾抑制、高速测量中激光器扫描波长的精确控制、空间辐照环境下光纤光栅传感器输出随辐照总剂量漂移的控制等一系列难题。从2010年前后开始攻关，王学锋带领团队聚焦科研、突破创新，走出了一条自主研发之路。全体成员共同努力，抽丝剥茧，逐一解决难题，最终突破了航天飞行器用植入式高性能光纤光栅测量系统技术，满足了植入式测量对传感器体积和性能的苛刻要求，研制出一系列航天重大工程应用产品，实现了光纤光栅传感技术在我国航天飞行器的多个首次成功应用，取得了显著的成果。

最后，团队将80多个光纤光栅传感器植入复合材料内部，成活率100%，这个结果甚至令项目评审专家不敢相信，但他们却真实做到了。该技术在多通道解调频率、抗辐照能力、传感器小型化等指标居于国内领先、国际先进水平，应变传感器封装尺寸和传递系数达到国际领先水平。“先进航天飞行器用高性能植入式光纤测量系统”被授予2021年度中国计量测试学会科技进步奖一等奖。王学锋表示，“这项荣誉是对整个团队工作的认可，是大家一起努力出来的结果，少了谁的贡献，这个工作都是不完整的。”

面向应用 持续攻关

“科技是第一生产力”，近年来，随着科技创新驱动，技术革命性突破，生产要素创新性配置和产业深度转型升级而催生了当代先进生产力，也就是新质生产力的发展。为此，王学锋带领团队紧抓国家发展新一代信息技术等战略性新兴产业的历史机遇，针对国家安全生产监管领域应用需求，利用先进的航天光电技术平台，形成了具有自主知识产权的分布式光纤温度传感系统、光纤光栅温度/应变传感系统、光纤振动传感系统等先进光纤传感技术系列化产品及行业解决方案，现已成功应用于城市生命线、石油化工、大型建筑、智能电网、轨道交通等国家重点安全生产监管领域，为实现“事前防范部署、事中抢修调度、事后总结提高”的长效机制提供了有效技术保障。

在基础设施结构健康监测方面，王学锋带领团队基于自主知识产权的光纤传感产品延伸形成了隧道健康监测系统、大坝健康监测系统、地质灾害监测系统等系统级解决方案，在香丽高速开达古隧道、京张高铁清华园隧道、清源抽水蓄能电站面板堆石坝、深圳市余泥渣土受纳场、阜平精准扶贫工程边坡监测等多个工程中正式应用，解决了一系列工程应用难题，实现了隐患及灾害的数字化、全方位、全天候自动化监测。

此外，团队自主研制了城市生命线一体化智能监控系统，可动态管理城市地理信息、地下管线安全状态，通过新型传感技术实现管线运行安全的实时监测及异常事件预警，为城市规划、电力、供水、燃气、电信等部门决策提供依据，在管道事故预警、保障人身财产安全、降低环境风险等方面具有重要意义，产品性能及用户体验均得到了用户好评。

追求卓越 引领未来

凝心聚力谋发展，踔厉奋发向未来。这些年来，团队在王学锋的带领下不断发展壮大，团队核心成员杨勇博士已成为单位研发中心主任，并入选教育部国家级高层次领军人才;蓝天和杨潇君逐步成长为部门领导兼技术带头人，唐才杰、卞贺明、姜萌、孙巧英、崔留住等都成长为独挡一面的项目负责人和技术骨干，从剑桥大学学成归来的梅影博士获人社部高层次留学人才回国资助。

王学锋在技术创新的同时，也在培育可持续发展的创新团队。目前，团队拥有国内先进的光纤传感器研发平台，拥有一批技术指标处于国际先进水平的光学仪器及配套试验设备，具有国内一流的光纤传感系统研发、生产及测试条件，为未来的创新研究工作持续开展提供了有力的基础保障。团队现已荣获国家技术发明奖1项、省部级奖励6项，发表高水平论文50余篇，获授权国家/国防发明专利100余项。

新时代、新征程，王学锋和团队将持续推动光纤传感技术研究成果在航天航空和民生工程中的应用，为飞行器、城市生命线等结构健康和安全监测领域提供有效技术手段，不断继续提升协同创新能力，持续提升团队光纤传感核心技术，将其变成真正好用的技术和产品，产生经济效益和社会效益，为国家和人民创造价值。

心中有梦，脚下有路，在奔赴科研旅程的道路上，王学锋带领着团队逐光而行。他们怀着梦想与热爱，以创新为翼，以科技为帆，以理想为炬，引领航天光纤传感技术发展。他们在追光的同时，自身也散发着科研之光，照亮了更多人前进的路。(文/张玮)

责任编辑：张润邦