為“光”奮斗，追“光”而行

20世紀70年代以來，光纖傳感測量技術隨著光纖通信技術革命迅速發展，如今已經在交通安全、能源環保、航天航空、生物等領域得到廣泛應用，已成為國內外方興未艾的高新技術產業之一。

在北京航天控制儀器研究所研究員、北京市光纖傳感系統工程技術研究中心主任王學鋒看來，光纖傳感技術正處于發展的黃金時代。“十四五”期間，國家重點研發計劃新設了智能傳感器重點專項，對光纖類智能傳感器技術的研發和應用都會給予前所未有的支持。當前，尤其在面向深空、深海、深地等中國特色的重大工程和重大基礎設施建設中，傳感器產品正趨向體積小、重量輕、低功耗、智能化，這也對光纖傳感技術提出了更高的要求。

“這些年來，咱們國家的科技發展非常快，這意味著像光纖傳感這樣的新技術會得到更多的機會。需求牽引是技術發展的動力，科研成果只放在實驗室是沒有用的，只有把它變成真正好用的技術和產品，才能產生經濟效益和社會效益。”王學鋒說。

十年磨一劍，蓄勢新起點

2018年2月2日15時51分，我國在酒泉衛星發射中心用“長征二號”丁運載火箭成功將“張衡一號”01星發射升空。這是我國首顆觀測與地震活動相關電磁信息的衛星，也是我國地球物理場探測衛星計劃的首發星。

“在天上測量地球磁場這件事，我國比國外起步晚。”王學鋒說。地球磁場是地球生命千萬年所處的環境；磁場則是對人類健康、安全和工作能力具有明顯影響的環境因素。地震臨震時的地磁場變化對地震預報具有重要作用；地磁暴時，近地軌道航天器軌道衰減增大，空間中電子和離子的數量及能量增加，引起航天器表面和內部的充電效應，危害航天器安全。可以說，在國土安全、礦藏及能源勘測、地球環境監測等領域，磁場的精確測量都具有十分重要的意義。這也是我國研發電磁監測試驗衛星的重要原因。“‘張衡一號’01星搭載的磁場校準裝置是國外的耦合暗態磁力儀（CDSM）。在后續02星論證時，希望國內有單位能夠研制高性能的原子磁力儀。”他補充道。

中國航天科技集團公司量子工程研究中心對相干布居囚禁（CPT）原子磁力儀的探索，從2012年就開始了。到2017年參加競標時，已經在實驗室形成了實驗裝置，這也成為他們競標成功的底氣。

據介紹，星載高精度磁強計系統一般由矢量磁通門磁力儀和高精度標量原子磁力儀共同組成。矢量磁通門磁力儀可以實現磁場三分量的測量，但由于零位、正交度存在長期漂移等問題，需要高精度標量磁力儀對其總場進行校準。標量原子磁力儀具有長期絕對精度高、靈敏度高等特點，但只能測量地磁場的標量，無法獲得磁場三分量。簡單來說，就是前者方向性好但精度低，后者精度高但無法獲得方向，恰好互補，可以通過數據融合去完成地磁場或行星磁場的高精度測繪任務。王學鋒團隊對比了幾種主要的磁力儀，他們發現作為較成熟的原子磁力儀，質子磁力儀具有準確度高、穩定性好的優點，但輸出速率比較慢；超導量子干涉磁力儀絕對精度高，但是體積較大，功耗較高，適合地面應用；光泵原子磁力儀存在盲區，為實現全球觀測，在軌應用時一般須采用多探頭組合方式消除測量盲區，但如此一來，體積和重量都會大幅度增加，整體可靠性也降低了。相比之下，他們更看好CPT原子磁力儀，因為它具有體積小、準確度高尤其是長期工作的準確度高、無方向盲區和采樣率高等特點，在空間磁測量領域具有更大的優勢。

嚴格來說，王學鋒團隊的成果全稱是“高精度自主全向CPT原子磁力儀”，其關鍵表現在“高精度”和“自主全向”上。“這里面更重要的概念其實是‘全向’，因為目前在磁測量衛星上大量使用的光泵原子磁力儀存在盲區，單個光泵原子磁力儀難以實現全向測量。”王學鋒說。他表示，CPT原子磁力儀在理論上具有全向能力，而他和團隊的研發將之提升到“自主全向”層面。

以耦合暗態磁力儀（CDSM）為例，它需要由輔助的磁通門磁力儀給出磁場方向，然后判斷磁場方向與磁力儀光軸是更接近平行還是垂直，從而確定CDSM選擇使用何種模式工作。但是當平行模式和垂直模式之間需要切換時，CDSM的輸出像是“突然跳了一個臺階”。而在自主全向模式下，CPT原子磁力儀則不會出現這種問題。“它能夠自己從內部根據測量信號判斷磁場方向更接近哪種模式，并自動調節。只有在完全垂直或完全平行的狀態下，它才會只呈現一種信號處理方式，大多數時候，它的兩種模式是同時工作的。這樣一來，當磁場方向與磁力儀光軸呈任意角度時，CPT原子磁力儀都穩定連續地測量。”王學鋒解釋道。

而在“高精度”問題上，王學鋒團隊面對的是兩個重要指標——準確度和靈敏度。這兩個指標要如何理解？王學鋒用了一個簡單的例子。“假設你正在打靶，靶心在11環，你打到了正中心，那就是準確。假設你打了10次，最終都打在靠近中心位置，說明離散程度比較小；如果有的靠中間，有的靠外環，說明離散程度也就是隨機誤差比較大。磁力儀靈敏度實際上表達的是單位帶寬內的噪聲大小。”根據任務需求，王學鋒團隊需要使得靈敏度達到20pT/Hz1/2，準確度達到0.3nT。“最后，我們把靈敏度做到了10pT/Hz1/2以下，準確度做到了0.14nT。”他補充道。

CPT原子磁力儀的準確度是以質子磁力儀為標準進行參數對比確定的。質子磁力儀具有準確度高、穩定性好的優點，被公認為是原子磁力儀家族中比較成熟的一員。“最早期，我們的差距還是挺大的，遇到了很多棘手的問題。”說到這里，王學鋒很是感慨。以他們頗為自豪的“自主全向”來說，在理論上實現看似簡單，但真正使用時會發現容易遭受外部信號干擾。“按要求，需要CPT原子磁力儀在15Hz內滿足要求，這意味著整個頻譜應該比較平坦。但我們要兼顧自主全向，就會對外界干擾信號更敏感，有些信號很容易通過頻率轉換落到這個范圍之內，從而產生干擾。”

這個問題困擾了王學鋒團隊很久，甚至一度懷疑是不是難以解決了。不過，團隊沒有過多陷在這種情緒里，在他看來，航天人要干好一件事，遭遇挑戰也很正常，攻關沒有捷徑，遇到問題想辦法解決就是了。在航天精神的鼓舞下，他們不懈努力，最終實現了兩全其美的優化方案。

原子氣室也是令王學鋒團隊頭疼的問題。原子氣室的性能是影響CPT原子磁力儀靈敏度的重要因素。根據介紹，降低噪聲或提高靈敏度需要增加原子的弛豫時間、提高信號的信噪比。信噪比受到磁共振信號線寬和參與磁共振原子數的影響，因此需要選取合適的光源參數以減小磁共振信號線寬，通過給氣室加熱以增加參與磁共振的原子數。另外，通過差分探測可抑制光路其他噪聲。為了增加原子的弛豫時間，需要在氣室內加入緩沖氣體減小原子之間及原子和內壁的碰撞概率。王學鋒強調了“加熱”的影響，他表示，加熱后會有更多的堿金屬銣原子處于氣體狀態，以提高靈敏度；但是不加熱時，已經是氣態的銣原子會有一部分重新變成固態，均勻地散落在原子氣室的玻璃內壁上，從而使本來對光波透過性較好的“窗口”變得不那么通透了，光信號通過時會被減弱，CPT原子磁力儀的靈敏度也會降低。

“還有一點很重要，我們要對銣原子進行定量控制。”王學鋒說。所謂定量化控制，最直觀的理解就是到底要往原子氣室中充入多少銣原子。銣原子會和玻璃發生物理反應及化學反應。有些銣原子會“鉆”到玻璃里去，這時，必須知道玻璃到底會消耗多少銣原子。不然，銣原子數量太少，可能被玻璃消耗殆盡；數量太多，又容易附著在玻璃表面。這兩種極端情況都會使CPT原子磁力儀性能降低，從而影響整個磁探測系統的性能甚至工作壽命。“假如我們的衛星的總壽命是9年，那我們就要去計算工作溫度下，銣原子數量在這9年中的變化。要考慮的東西很多，也要做大量工作去解決。”說到這里，王學鋒神采奕奕，“早期我們購買別人的原子氣室，現在都是自己研制了！”

正如王學鋒所說，他們在原子磁力儀國產化的道路上越走越穩，相關性能已經逐漸邁向國際前沿。2022年，“高精度全向CPT原子磁力儀關鍵技術及應用”獲得中國儀器儀表學會技術發明獎一等獎。為了使CPT原子磁力儀能夠更好地適應環境，他們提出了一種判斷CPT原子磁力儀是否失鎖并重新鎖定的方法，“也就是失鎖自鎖定”。王學鋒至今還記得這項成果最早進行演示時，用戶發現這項功能后非常驚喜地告訴他們CDSM上都沒有這項功能。

十年磨一劍，但在王學鋒心里，這十年只是推著他站到了一個新的起點上。他表示，環境條件下的誤差機理和抑制方法研究、原子氣室性能研究、標定測試方法和精度研究等都需要進一步提高。而由于輕小型化是宇航等很多應用對載荷的普遍要求，未來，他和團隊也將在發展輕小型原子磁力儀上蓄勢攻關，做出自己的貢獻。

腳踏實地，追“光”而戰

“從我個人來說，我的研究方向主要包括原子磁力儀、光纖傳感等，它們屬于光學精密測量，主要是為航天領域服務的。”王學鋒說。

2002年，王學鋒從中國科學院上海光學精密機械研究所獲得博士學位后，成為北京航天控制儀器研究所的一員。彼時，導航、制導與控制專家王巍院士正在開展光纖陀螺技術研究，王學鋒也有幸在他的指導下投身這一工作中。

“我們在光纖陀螺研究過程中積累了一定的經驗，再做其他傳感器時，這就是我們的技術優勢。”王學鋒表示，他們的研究主要還是圍繞航天應用展開的，其中的代表性工作之一就是“先進航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統”。

“植入式光纖測量”要做的是什么？王學鋒嘗試以民用為起點進行科普。“光纖傳感在民用上主要測量溫度和應變，再以此為基礎進行反演獲得其他被測物理量。”比如在橋梁、大壩等建筑里植入傳感器測量應力變化，以判斷它們受力狀態及是否仍在一個比較可靠的范圍內工作。“因為只是放在鋼筋混凝土里邊，這時對傳感器的體積要求沒那么嚴格。但如果是放到航天復合材料里，就會要求既要細小輕便，又不能影響整個結構的強度。”這種擔心不無道理，傳統電傳感器使用的導線中包裹著銅絲，不容易發生斷裂，但光纖不行。普通通信光纖的直徑一般不超過250微米，其中石英部分一般不過125微米，而在航天特殊應用領域，光纖直徑會更細。“石英直徑可能只有80微米，甚至更細。這是什么概念呢，人的一根頭發絲直徑大概70微米。這種光纖的粗細跟頭發絲相當。光纖越細，可能會越脆弱，進行植入式測量時也可能要面對層出不窮的狀況。”誠如其言，在“先進航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統”項目中，王學鋒和團隊要集中解決光纖光柵傳感器高精度小型化和啁啾抑制、高可靠性、高速測量中激光器掃描波長的精確控制、空間輻照環境下光纖光柵傳感器輸出隨輻照總劑量漂移等一系列問題。從2010年前后開始攻關，到2021年進行驗收，王學鋒團隊腳踏實地地走出了一條自主創新之路，尤其多通道解調儀測量頻率、抗輻照能力、傳感器小型化等指標更是被認為達到國際高水平。

“最后我們將80多個光纖傳感器植入復合材料內部，一個都沒壞。”這個結果甚至令項目評審專家不太相信。“最后沒壞，是因為最初壞的不少了，我們一直在想辦法去尋根究底找原因，反復改進設計并做試驗驗證，直到傳感器植入后都能可靠工作。”

在團隊的共同努力下，他們突破了航天飛行器用植入式高性能光纖光柵測量系統技術，研制了系列產品，實現了在多個航天飛行器上的應用，取得了顯著的成果。“先進航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統”也被授予2021年度中國計量測試學會科技進步獎一等獎。“能夠獲得榮譽，首先是對整個團隊工作的獎勵。這是大家一起努力出來的結果，少了誰的貢獻，這個工作都是不完整的。”他誠懇地強調著。

言傳身教，在傳承中成長

從武漢測繪科技大學（后合并重組至武漢大學）畢業后，王學鋒進入中國科學院上海光學精密機械研究所（簡稱“上海光機所”）攻讀碩士學位，在這里，他遇到了導師王向朝研究員。

彼時，王向朝研究員剛剛通過中國科學院百人計劃從日本回國，一直從事精密光學測量領域的研究工作。“老師對工作要求很高，但又是一個性格特別好的人。”在王學鋒的回憶中，剛開始碩博連讀時，他還不知道該如何寫好一篇英文學術論文，導師就逐字逐句地幫他修改，連標點都不放過。“我是他回國后的第一個學生，他的理念就是精益求精。我們一起申報國家自然科學基金項目，對中文項目書的撰寫，他也是字斟句酌。在他的教導下，我逐漸想方設法把事情做得更嚴謹。”

至今，王學鋒都記得自己做的第一個實驗工作。“王老師說他在日本期間就有這個想法，但當時那邊的學生沒能實現，就想著讓我試試看。”那段時間，他在實驗室里放了一張行軍床，“安營扎寨”將近一個月，終于在一個凌晨做出了結果。“凌晨4點多，實驗室就我一個人，到6點左右，我才忍不住給老師打電話匯報實驗結果，我終于做出來了。”

“這使我得到了一個經驗，只要付出足夠多的努力，不輕易放棄，總能夠找到突破口。我們后來做原子磁力儀等研究時就是這樣，無論遇到多難的問題，只要不斷探討、反復摸索，就能出現一些小的改變，而這種小改變往往能提振我們的信心，這很重要。”王學鋒感受到一種精神的傳承，而這種傳承感在他來到北京航天控制儀器研究所時變得愈發強烈。

剛到北京航天控制儀器研究所時，王學鋒略有迷茫。“但王巍院士對我們每個人都很上心，把因崗設人和因人設崗結合起來，幫我們找準自己的位置，充分發揮每個人的潛力。我們要做什么，遇到了什么困難，需要什么建議，需要怎樣的配合……他都會盡可能為我們提供指導和幫助。”這令王學鋒很快振奮起來，投入新的工作中。在他心目中，王巍院士更像是他的人生導師，不僅在工作方面為他提供指導，還會從為人處世、管理工作等多個方面給他指導。與此同時，在為團隊拓展光纖傳感、原子磁力儀、光纖激光等新方向時，王巍院士的戰略眼光和創新魄力也令他敬佩不已。

王學鋒曾是北京航天控制儀器研究所副所長，負責研發管理和研發創新。近年來，他最大的感受就是我國在光纖傳感研究上已經躋身國際高水平行列。“國外能做的，我們都能做。尤其隨著我國航天事業的發展，技術成果的應用機會很多。國家有需求，市場有需求，對我們來說是第一位的。我們會立足需求開展研發創新，拓寬研究方向，落實成果應用，培養儲備人才，建設專業隊伍。”

對于未來，王學鋒認為不必設限，要朝“不斷超越，實現引領”的方向勇于攀登。“我們做航天應用，要有航天人的精神——特別能吃苦，特別能攻關，特別能奉獻，特別能奮斗。用王巍院士的話說，每一個人都得變成一個發動機，要能自己驅動自己前進，還得能帶動別人前進。”萬水千山，征途漫漫，王學鋒愿意化身為這樣的“發動機”，做鍥而不舍的趕路人。

專家簡介

王學鋒，北京航天控制儀器研究所研究員、北京市光纖傳感系統工程技術研究中心主任、中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心主任。2002年于中國科學院上海光學精密機械研究所光學工程專業獲博士學位。擔任中國光學工程學會常務理事、中國儀器儀表學會理事、《導航與控制》主編、《先進儀器與器件》（Advanced Devices amp; Instrumentations）副主編等職。發表學術論文50余篇，獲授權發明專利40余項。曾獲國家技術發明獎二等獎2項（排名1、2）、中國儀器儀表學會技術發明獎一等獎（排名1）、中國計量測試學會科技進步獎一等獎（排名1）、國防科技進步獎二等獎（排名1）、中國航天基金獎等多項獎勵。