光纖傳感技術與通用航空

李大光

隨著現代科學技術的發展，信息的獲得顯得越來越重要。傳感器正是感知、檢測、監控和轉換信息的重要技術手段。光纖傳感器是繼光學、電子學為一體的新型傳感器。

光纖傳感技術是一種新型傳感技術，通過光的反射、折射和吸收效應，光學多普勒效應、聲光、電光、磁光和彈光效應等，可使光波的振幅、相位、偏振態和波長等參量直接或間接地發生變化，因而，可將光纖作為敏感元件來探測各種物理量。

（一）光纖傳感技術發展現狀

光纖傳感技術始于1977年。1977年，世界第一只光纖傳感器在美國問世，它被用來檢測美國與其他國家光網絡的狀態、性能與噪音。美國也成為研究光纖傳感器起步最早、水平最高的國家。日本在20世紀80年代，制定了“光控系統應用計劃”，計劃將光纖傳感器應用到大型電廠。1990年后，東芝、日本電氣等15家公司與研究機構，前后開發出12款先進的民用光纖傳感器。德國西門子、法國湯姆遜等企業，成為西歐國家積極參與相關產品研發和市場競爭的代表。

伴隨光纖通信技術的發展，光纖傳感技術得到迅速發展，已經成為衡量一個國家信息化程度的重要標志。1995—2005年，國際光纖傳感技術發展已步入了商業化應用階段，光纖傳感器已廣泛應用于國防軍工、航空航天、能源環保、工業控制、醫藥衛生、計量測試、建筑及家用電器等領域。光纖傳感器及智能儀器儀表，因其易構建高密度、大容量、高精度、高可靠性的傳感網絡，近年來又成為物聯網技術發展的重要支撐。如今，世界上已有光纖傳感技術上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現了不同性能的傳感。

如今，代表光纖傳感技術發展方向的是光纖傳感智能化。目前，光纖傳感智能化主要體現在光纖傳感與通信技術及計算機技術的融合，實現各種功能的智能化，實現信號獲取、存儲、傳輸、處理于一體。智能化光纖傳感系統在許多新型應用領域受到廣泛關注，如智能材料、環境感知、聲發射檢測、石油測井等。基于光纖傳感的智能材料可以實現對周圍環境變化的自判斷性、自適應性、自診斷性、自修復性等諸多性能，在汽車工業、航空航天、醫療、安防、體育及土木工程等領域有著廣泛的應用。

現代社會，光纖傳感技術以其優秀特性在越來越多在國計民生領域得到應用。光纖工作頻帶寬，動態范圍大，適合于遙測遙控，是一種優良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的加載，是一種優良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環境下使用。因此，光纖傳感技術一問世就受到極大重視，幾乎在各個領域得到研究與應用，成為傳感技術的先導，推動著傳感技術蓬勃發展。

（二）光纖傳感器的特點

與傳統的傳感器不同，光纖優良的物理、化學、機械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測量帶寬很寬、檢測電子設備與傳感器可以間隔很遠等優點，并可以構成傳感網絡。

先進的光纖傳感器的靈敏度比傳統的傳感器高幾個數量級，可以測量的物理量已達70多種。它具有一下優點：一是精度高，響應速度快，線性特征范圍寬，使用的重復性好，檢測信號的信噪比高，由于現在光纖的量產化，價格低廉，可以廣泛使用。二是光纖是由電介質材料石英制成，傳輸的是光信號，因此安全性、可靠性好，抗電磁干擾能力強，能適應在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環境條件下工作。一是抗腐蝕，抗污染能力強，可用于溫差較大的地方，時間老化特性優良，工作壽命長。四是體積小，重量輕，容易安裝，對被測對象環境適應能力強。五是光纖是無源器件，自身獨立性好，不會破壞被測量的狀態。六是測量對象廣泛。目前已有性能不同的多種測量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學量、生物量等的光纖傳感器。七是便于多點復用，傳輸損耗小，適合于組成測量網絡，實現多點實時智能化的遙測。

（三）光纖傳感器技術應用廣泛

傳感器是信息采集系統的首要部件。光纖傳感器是近些年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前，光纖傳感器已經有100多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

如今，傳感器技術與通信技術、計算機技術扮演著“感官”“神經”和“大腦”，構成了現代信息產業的三大支柱。光纖傳感器高靈敏度、耐高溫、可以抗電磁干擾、無電火花、高絕緣性、耐磨蝕、能在有毒的氣體和強輻射的現場工作，它的尺寸小，具有撓曲的隨意性。因此廣泛用于軍事、電力工程、機械制造、石油化工、交通運輸、核工程、計量、醫學和生物工程等方面。

光纖傳感技術可以大量地應用于通用航空領域，助推通用航空快速發展。其中，在通用航空領域發揮作用最明顯的就是光纖陀螺及慣性導航系統。

（一）光纖陀螺及慣性導航系統

光纖陀螺是一種新型的全固態慣性儀表，具有潛在精度高、可靠性好、抗沖擊振動性能強、無運動部件等優點，近年來得到了很多單位的研究和生產。隨著光纖陀螺行業的快速發展，以光纖陀螺為核心慣性器件的光纖慣性導航系統也取得了突破性發展。

光纖陀螺儀原理在工程應用方面，主要用于戰術導彈制導、航天器的姿態調整、衛星定位和精密航天器等領域。現在光纖陀螺儀在慣性技術領域的地位已經確立，逐漸發展成為慣性導航的主流儀表之一。我國也已經將其列為慣性技術領域的重點技術之一。光纖陀螺儀原理上就是運用物體高速旋轉時，角動量很大，旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質，所制造出來的定向儀器。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從20世紀70年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。到80年代以后，現代光纖陀螺儀得到了非常迅速的發展，由于光纖陀螺儀具有結構緊湊、靈敏度高、工作可靠等優點，所以目前光纖陀螺儀原理在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。

光纖陀螺儀原理的特點在于基于光學干涉原理，具有全固態結構形式，理論上具備輕小型、高精度、快啟動、寬帶寬、長期性能穩定等特點。在應用過程中，結構穩定，耐沖擊；檢測靈敏度和分辨力高；動態范圍極寬；壽命長，信號穩定可靠。光纖陀螺的發展是日新月異的。許多公司出于對其市場前景的看好，紛紛加入到研究開發的行列中來。由于光纖陀螺儀原理在機動載體和軍事領域的應用甚為理想，因此各國的軍方都投入了巨大的財力和精力。光纖陀螺儀經過30多年的發展，已經廣泛應用于民航機、無人機、導彈的定位和控制中。光纖陀螺目前正在替代激光陀螺用于導彈的慣性導航系統，不久將向軍用和民用飛機中的激光陀螺發起挑戰。

（二）光纖傳感技術在通用航空領域大有可為

作為民用航空兩翼之一的通用航空，是國民經濟高度發展的產物，也是現代文明社會很重要的生產工具，在國民經濟的快速發展中起到了重要的積極作用。根據光纖傳感技術的特點發現，光纖傳感技術在通用航空領域大有可為。

通用航空，是指使用民用航空器從事公共航空運輸以外的民用航空活動，是除軍事、警務、海關緝私飛行和公共航空運輸飛行以外的航空活動，包括從事工業、農業、林業、漁業、礦業、建筑業的作業飛行和醫療衛生、搶險救災、氣象探測、海洋監測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動。通用航空業是以通用航空飛行活動為核心，涵蓋通用航空器研發制造、市場運營、綜合保障以及延伸服務等全產業鏈的戰略性新興產業體系，具有產業鏈條長、服務領域廣、帶動作用強等特點。

在通用航空領域內，對于各類傳感器的使用極其密集。而對它的靈敏度、體積和重量都有較高的要求。對于通用航空飛行器的結構健康監測需要的傳感器數量龐大，因此傳感器的尺寸、重量就變得尤為重要。尤其是當先進的無人飛行器在飛行的過程中，傳統傳感技術已無法滿足實時準確監測大氣數據這一需求。另外，通用航空飛行器在飛行期間都會受到極其嚴酷的飛行環境（包括高溫、強磁場等）的影響。現有的傳統電類傳感器，很容易受環境因素的限制不能在極端的飛行環境下正常工作，這必然會影響飛行器的使用安全，導致災難性事故。而光纖傳感器，如光纖光柵傳感器則因其質量輕、體積小、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點，很大程度上可以克服環境因素的影響，能夠準確監測飛行器結構的各種參量，及時作出判斷，防止事故的發生。2010年，美國國家宇航局（NASA）在一種改進的捕食者B無人機飛行器翼表上，采用分布式光纖監測結構完整性。光纖光柵傳感技術在通用航空領域內的廣泛應用將會對通用航空的發展具有重要的促進作用。

隨著光纖技術的不斷進步，光纖傳感技術在很多的領域得到應用與發展。近年來，我國在光纖傳感技術研究方面雖然發展較快，但是繼續往前走的生命力必須要與產業結合起來。其中，與通用航空產業結合是光纖傳感技術的重要發展方向。

通用航空業是以通用航空飛行活動為核心，涵蓋通用航空器研發制造、市場運營、綜合保障以及延伸服務等全產業鏈的戰略性新興產業體系，具有產業鏈條長、服務領域廣、帶動作用強等特點。然而，通用航空是中國改革開放40多年來唯一沒有開發的產業，正是因為發展滯后，通用航空的發展將有巨大的市場空間。研究發現，通用航空產業的投入產出比為1∶10，就業帶動比為1∶12。未來20年，一批產值超過百億元甚至數百億元的通用航空產業集群將出現，航空工業對相關產業1：10的投資拉動效應將逐步顯現，我國低空開放后通航將有數萬億元的市場有待開發。隨著低空開放，我國通航產業和低空經濟將迎來“井噴”式的大發展。

通航發展經驗表明，一個國家或地區人均GDP突破6000美元，中等收入群體是支撐通航產業發展的中堅力量，國民對通用航空的需求就開始明顯爆發。截至2019年10月12日，我國共有頒證通用機場239座，首次超過同期運輸機場數量，同時根據各省區市發布的相關規劃，各地將規劃建設通用機場1100余座，通用航空發展呈現出嶄新局面。

截至2020年底，全國傳統通航企業增加到523家，基本實現地級以上城市擁有通用航空服務的運輸機場，涵蓋了應急救援、高壓電網、油氣管道安全巡線、海上石油平臺、主要林區作業人員的公共出行等行業。據統計，目前整個國家機隊規模達到2844架；實名登記無人機52.36萬架，年飛行量達到159.4萬小時；全國累計開通低空旅游航線百余條，涉及5A級景點50余個，參與空中游覽和跳傘服務的游客分別達到75.6萬人和13.2萬人。

截止2020年3月31日，我國通用航空器數量已經達到了4164架，首次超過運輸航空器數量，為民航通用航空和運輸航空兩翼齊飛發展奠定了堅實的基礎。按照目前我國人均GDP已超過10000美元來說，國民對通用航空的需求應該有一個明顯的爆發。然而綜合來看，我國通用航空業總體規模依然較小，未來通用航空產業發展主要在以下三個方面蓄勢待發：

一是航空器的研發、制造與銷售。主要包括通用飛機、直升機、動力傘、滑翔傘、動力三角翼、載人熱氣球和飛艇等航空器和浮空器的研發、制造與銷售活動。

二是地面設施設備和場地等基礎設施建設。通用航空業還包括保障通用航空器和浮空氣器安全正常飛行的地面設施設備和場地，如通用航空機場、通訊導航設施、飛行服務站等的運營管理，以及相關設施設備和工程研究、開發、應用與推廣等活動。該類產業活動目前在發達國家已成為一個龐大的產業簇群，在國家社會經濟發展中發揮著舉足輕重的作用，并形成了較完善的產業法規政策體系。

三是通用航空服務業。目前，我國的通用航空服務業分為甲乙丙丁四類活動。其中，通用航空甲類活動主要包括：陸上石油服務、海上石油服務、直升機機外載荷飛行、人工降水、醫療救護、航空探礦、空中游覽、公務飛行、私用或商用飛行駕駛執照培訓、直升機引航作業、航空器代管服務、出租飛行、通用航空包機飛行等。通用航空乙類活動主要包括：航空探礦、航空攝影、海洋監測、漁業飛行、城市消防、空中巡查、電力作業、跳傘飛行服務。通用航空丙類活動主要包括：私用駕駛員執照培訓、航空護林、航空噴灑（撒）、空中拍照、空中廣告、科學實驗、氣象探測。通用航空丁類活動主要包括：使用具有標準適航證的載人自由氣球、飛艇開展空中游覽；使用具有特殊適航證的航空器開展航空表演飛行、個人娛樂飛行、運動駕駛員執照培訓、電力作業等經營項目等。

隨著中國低空空域管理改革穩步推進，通用航空產業將借勢發力，成為繼汽車產業之后拉動國民經濟發展的新增長點。隨著航空港經濟的發展和國家低空空域管理改革的破冰，我國的通用航空將迎來快速發展的黃金時期，基于通用航空所產生的低空經濟將在國內已進入大發展時期，成為推動中國經濟增長的又一重要引擎。因此，光纖傳感技術必須要與通用航空產業緊密結合，這樣光纖傳感技術才能得到更有效的需要牽引，才能促進光纖傳感技術更好更快地發展。

（作者系國家低空經濟融合創新中心特聘專家）