光纖載動智能未來
——記上海交通大學特別研究員劉慶文

□ 宋 潔

一根頭發絲粗細的光纖能做什么？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變、溫度、振動、壓力等信息。光纖是光波的優良載體，在推動光纖通信技術迅速發展的同時，也帶來了光纖傳感技術的蓬勃發展，在航空航天航海、圍欄管線安防、油氣資源勘探等行業起到了無法替代的作用。

與光電子學結緣，上海交通大學特別研究員劉慶文至今已和激光、光纖傳感技術難解難分多年，在他看來，這項科學研究不僅是一種工作，也是一種樂趣，充滿著“山重水復疑無路，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掘，與團隊一同面向“萬物感知”的光傳感器技術，志在貫穿理論研究、技術開發和產品應用的諸多環節，為未來智能社會添磚加瓦。

自然而然尋發展

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，光纖傳感器因其獨特的優勢而備受青睞。光纖傳感技術始于20世紀70年代，伴隨著光纖技術和光通信技術快速進步而發展起來，它的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟的所有領域和人們的日常生活，大至軍事國防、航天航空、能源環保，小到一座橋梁的建設、一套電力系統的搭建，尤其可以安全有效地在惡劣條件下應用，滿足了各行各業的市場需求。與此同時，傳感器技術還是智能社會的關鍵技術之一，是將現實世界信息進行數字化的重要窗口，其技術和產業發展關乎當下，更決勝未來。

在光傳感技術的這個領域內，劉慶文已經奮斗了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生了”。劉慶文從小就對科學有著非常濃厚的興趣。小學一年級入學時，媽媽給他做過一件白色上衣，上面用紅絲線繡出的“愛科學”三個字，至今仍然印在他的腦海里。2001年，他考入天津大學電子科學與技術專業光電子方向，那時候的他想法很簡單，就是覺得“光學是一門既與生活息息相關又奧妙無窮的學科”。在完成本科階段的學習后，他以專業第一的成績保送本校讀研，進行飛秒激光技術的研究，之后獲日本文部科學省獎學金前往日本東京大學攻讀博士學位，正式與光傳感技術研究接軌。2013年，他加入上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室，繼續從事光傳感技術的研究。

“在國外，我主要開展了光纖光柵傳感器技術的研究。回國后，這一方向的研究作為我工作的一部分也得到了進一步的發展。”劉慶文表示，考慮到地球內部結構非常復雜，缺少有效的觀測手段是地震預報難的原因，也是長期以來限制地震科學研究發展的主要因素。在自然科學基金委重大儀器專項、科技部重點研發計劃等支持下，他作為技術骨干，協助國家特聘專家何祖源教授帶領團隊開發出一系列先進的探測技術，例如，基于光纖法布里—珀羅干涉儀的瞬態響應特征實現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。他們基于此技術還研制成功了超高分辨率光纖應變場檢測儀樣機，這種傳感器尺寸小、靈敏度高、布設方便，為地殼應變場的觀測提供了有力工具。

為產業化市場把脈

雖然學術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、技術研究和樣機制作，在他看來，科學研究發展最終需要聚焦在產業化落地上。而選擇哪些成果轉化、如何開展產學研合作，這一切都需要建立在了解市場的前提之上。

他認為，無論在具體任務攻關還是科研選題方面，密切關注產業化市場的需求是一大關鍵因素。“市場需求不等于研究熱點，好的研究課題要引領熱點而不是跟蹤熱點。”在劉慶文看來，工業生產中的技術難題背后一定有一個或多個沒有得到解決的科學問題，可以作為研究課題，這代表著市場迫切的需要，也體現了科學研究課題的最終價值。因此，他帶領團隊秉承開展獨立性和原創性研究的原則，去尋找工業生產、生活中技術難題的根本原因和矛盾所在，進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就可以實現極高的靈敏度和分辨率，在土木工程、極端環境等領域得到了較為廣泛的應用。后者則是利用通信光纖中的后向散射現象，能夠檢測數十公里光纖上任意位置處的環境溫度、應變和振動等信息。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，電子傳感器在這種環境下很快就會失效，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的傳感器。”其中，光纖的分布式溫度和應變傳感技術已經實現產業化推廣應用，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品，但這些公司只提供服務而不銷售產品，這就意味著在分布式聲波傳感器應用的各行各業，國家或企業需承擔高昂的服務費用，還必須接受產品禁運的形勢。

為了打破長此以往受制于人的局面，針對當前需求最為迫切的分布式聲波傳感器技術，劉慶文團隊提出了新型的反射儀方案和信號處理技術，不僅提高了測量的距離和靈敏度，還利用信號處理技術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，使其達到了產業推廣應用的要求。

打通產業化最后一環

技術的研發代表著第一步的成功，產品的研制和產業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指標很優秀就可以發表出論文，而形成產品時不僅要比已有技術有突出優勢，而且不能有任何的明顯缺陷，這對技術方案提出了苛刻的要求。”劉慶文說道。

2019年，開發完成高性能分布式光纖聲波傳感系統。

回顧這些年的研究，劉慶文說，光纖光柵傳感器技術研究和分布式傳感技術研究及其產業化是并駕齊驅的存在。其中分布式傳感技術及其產業化，同樣是他多年來產學研密切結合的體現。

“我們最有意思的成果是‘時間門控光頻域反射儀’技術，最早是技術驅動，后來變成了需求牽引。”他進一步解釋說，那是他加入上海交通大學不久，為首批招收的碩士生所設計的課題方案。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，劉慶文發現這種新設計的反射儀在光纖鏈路的損耗檢測中有一些優勢但并不是很突出，然而，深入的分析發現，這種技術用在分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensor, DAS）領域具有很大應用潛力，由于這種反射儀結構采用寬帶線性調諧的探測脈沖，能夠同時實現高空間分辨率與高信噪比，解決了傳統DAS系統中的固有難題，于是最初的技術驅動變成了需求牽引，劉慶文團隊圍繞分布式聲波傳感器的需求繼續開展研究，通過對脈沖進行精密調制與靈活的解調和信號處理方案，先后又攻克DAS的頻響范圍、靈敏度和可靠性等關鍵技術難題，為分布式光纖聲音傳感技術的工程應用打開了廣闊前景。

2018年，參加在瑞士洛桑舉辦的國際光纖傳感大會。

“我一直很關注技術的產業化應用，因此分布式聲波傳感技術開發成功之后，就開始安排學生進行樣機的設計開發。此時，在石油行業有多年經驗、非常看好光纖聲波傳感器技術應用前景的梁其林先生，正好慕名來訪，對我們的技術指標非常感興趣。”在這期間，適逢學校一系列支持產學研合作的新政策出臺，明確和細化了在校老師進行產業合作的手續和流程，這讓劉慶文明顯感受到國家、學校和社會各方面對知識產權的重視以及對產學研合作的支持，這讓他更加有把握將產業化進行到底，讓技術真正融入市場。

在各方的支持下，代表學校從事科技成果轉化的上海交大知識產權管理有限公司、劉慶文研究團隊和產業界的梁其林先生團隊，共同成立了樸牛（上海）科技有限公司，專注于DAS技術的孵化和產品的研發，時至今日已開發完成HiFi-DAS系列高性能分布式聲波傳感器產品。據劉慶文介紹，該產品在同樣空間分辨率與測量距離下，其信噪比相較傳統的Φ-OTDR技術提升100倍之多，能實時獲取數十至數百公里光纖附近的振動信息，在油氣管線泄漏監控、圍欄入侵檢測等領域的驗證實驗取得圓滿成功，預計2019年度的銷售額能達到3000萬元。

“我們團隊推出的DAS產品，主要優勢是綜合性能非常優異，不僅空間分辨率等參數指標達到同類產品的最高水平，而且在以往DAS產品最大的局限——可靠性上，表現非常優異。”劉慶文在產品性能方面表現出十足的自信心，并作出了未來3年內產品銷售額將實現破億的預測目標。

迎難、應需而上

這份自信是幾十年磨礪的結果，也是對自身付出的肯定。不過，最初在開發HiFi-DAS技術及產品過程中，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性，在高相干探測光脈沖照射時，某些隨機位置處的瑞利散射信號相干相消，變得極其微弱而無法準確測量其相位，嚴重影響了分布式聲波傳感系統的可靠性。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，提出了脈沖內分頻—旋轉相位累加方案，既使瑞利信號的強度變得平坦，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，補上了分布式聲波傳感技術的最后一塊短板。

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見的，他時刻在為思考做準備，不僅是學術方面的問題，還包含對哲學、社會和自己生活的反思。

對于未來的發展，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、科學內涵豐富、技術上有突破路徑的課題并不容易。一方面，他希望促進已有的應用技術更好地服務社會，例如，在分布式聲波傳感技術基礎上，團隊開發出超視距精密形狀傳感技術，能夠對數米到數公里長的管道、鐵軌等物體的彎曲變形進行實時檢測，位移檢測精度可達亞毫米。“下一步，我們將結合分布式聲波傳感技術和形狀傳感技術，以及已比較成熟的分布式應變和溫度傳感技術，開發高性能多參量分布式光纖傳感系統，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。”另一方面，他將繼續開拓新的研究方向，尤其是對基于光纖的生物醫學成像技術具有濃厚的興趣，希望能夠利用光纖傳感領域的技術提高檢測深度和成像精度，這是一個有著巨大的研究與應用價值的領域。

“隨著工作年限的增長，學生指導、學術交流、項目管理、產學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。”但即便如此，劉慶文仍會盡到家庭的責任，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。