加速光纖傳感技術(shù)自主可控——專(zhuān)訪(fǎng)中國工程院院士姜德生

中國工程院院士姜德生

  過(guò)去十年我們解決了光纖傳感網(wǎng)絡(luò )中傳感器端的問(wèn)題，未來(lái)十年我們要解決解調器端的問(wèn)題

  部署新一代智能傳感網(wǎng)絡(luò )中卡脖子關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及上下游產(chǎn)業(yè)鏈建設，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的成套生產(chǎn)技術(shù)與裝備，形成以光纖通信、光纖傳感、光器件產(chǎn)業(yè)為主導，物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能競相發(fā)展的格局

  文 |《瞭望》新聞周刊記者 李偉

  光纖傳感本質(zhì)安全，可靠性高，對大國重器意義重大。中國工程院院士、武漢理工大學(xué)戰略科學(xué)家姜德生是我國光纖傳感新技術(shù)研究的先驅者，他帶領(lǐng)團隊打破國外技術(shù)產(chǎn)品壟斷，構建了具有我國自主知識產(chǎn)權的光纖傳感成套生產(chǎn)技術(shù)與裝備，使光纖傳感技術(shù)在國內實(shí)現了從無(wú)到有、從有到優(yōu)的躍升。

  姜德生團隊成功研制出我國第一個(gè)光纖傳感器，攻關(guān)了新一代大容量光纖傳感網(wǎng)絡(luò )核心技術(shù)，首次工業(yè)化生產(chǎn)出單纖超過(guò)十萬(wàn)個(gè)光柵傳感器的產(chǎn)品，形成了大容量、高密集、高精度的光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡(luò )系統，使我國光纖傳感技術(shù)在國際上實(shí)現了從跟跑向并跑、領(lǐng)跑的戰略性轉變。

  姜德生團隊開(kāi)發(fā)的光纖傳感產(chǎn)品被同行評價(jià)為“帶來(lái)了監測領(lǐng)域里的一場(chǎng)革命”。近日，《瞭望》新聞周刊對話(huà)這位與共和國同齡的院士，暢談科研創(chuàng )新之路，探討老一輩科學(xué)家帶領(lǐng)團隊從解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)做不懈追光者的啟示。

  光纖傳感設備有了“中國芯”

  《瞭望》：當前我國光纖傳感設備是否已經(jīng)實(shí)現自主可控？

  姜德生：光纖傳感技術(shù)的原理多樣，體系龐雜，國內外有很多研究機構和企業(yè)展開(kāi)相關(guān)的研究，提供各種各樣的光纖傳感器產(chǎn)品和系統解決方案。美國、日本和歐洲發(fā)達國家，都將光纖傳感列為重點(diǎn)支持的優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，我國的相關(guān)研究一度被多方掣肘。

  早期，國內做光纖傳感器基本仿制國外，但部分參數達不到國內行業(yè)標準。長(cháng)期以來(lái)，光纖傳感很多關(guān)鍵器件被國外壟斷，例如光柵波長(cháng)信號解調的一個(gè)核心器件大約2萬(wàn)美元一支，一個(gè)小指頭大小的東西，比黃金還貴。當我國提出以較低的價(jià)格批量進(jìn)口時(shí)，遭到拒絕。這種被別人卡脖子的憋屈，讓我們下定決心自己攻關(guān)。經(jīng)過(guò)三年攻堅，我們研制出性能更優(yōu)、成本更低的核心光器件。后來(lái)，這家外國公司主管三次到中國來(lái)，提出按照原價(jià)格的1/3賣(mài)給我們，以在中國占領(lǐng)更多市場(chǎng)，被我們婉拒。

  如今，在我們研究的光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡(luò )及其智能化應用的領(lǐng)域，從制備方法、工藝到裝備均具有自主知識產(chǎn)權，完全自主可控。

  我們團隊經(jīng)過(guò)幾百個(gè)日夜的攻關(guān)，在全國率先研制出了具有自主知識產(chǎn)權的光纖光柵感溫火災報警技術(shù)與系統，并投入國家油庫工程使用。我們團隊積極促進(jìn)光纖傳感技術(shù)的標準化和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)了光纖傳感領(lǐng)域第一個(gè)國家標準的編制與頒布。我們團隊開(kāi)發(fā)的七大類(lèi)30余種光纖傳感器，形成了具有我國完全自主知識產(chǎn)權的光纖傳感成套生產(chǎn)技術(shù)與裝備，打破了公路隧道等領(lǐng)域進(jìn)口產(chǎn)品一統天下的局面，極大降低了建設成本。

  《瞭望》：你們團隊在光纖傳感技術(shù)研制中突破了哪些技術(shù)難題？

  姜德生：根據光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展的需求和存在的關(guān)鍵問(wèn)題，我們開(kāi)展了大量研究，成功突破了光纖光柵傳感技術(shù)工程應用的兩大瓶頸問(wèn)題：研制出編碼光纖光柵，解決了普通光纖光柵無(wú)法大容量多點(diǎn)分布式檢測的難題；發(fā)明了角調諧波長(cháng)解調方法，實(shí)現了光纖光柵解調技術(shù)的自主創(chuàng )新。這些創(chuàng )新技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權，在國際上占有重要地位。

  我們團隊把服務(wù)范圍擴大到經(jīng)濟建設的方方面面，推動(dòng)更多行業(yè)轉型升級。例如在2006年，陜西秦嶺終南山隧道火災報警工程進(jìn)行國際招標，國外某知名光纖傳感企業(yè)參與競爭時(shí)提供的方案，不僅需要大量后期維護，報警時(shí)間也需要好幾分鐘。而我們的火災報警裝置，解決了20公里長(cháng)距離無(wú)中繼的世界難題，報警反應時(shí)間只需不到20秒，每公里的建設成本只有國外產(chǎn)品的1/3。最后，我們以技術(shù)第一中標。此后，國外同類(lèi)產(chǎn)品逐步退出我國市場(chǎng)。截至目前，光柵火災報警系統裝備了中國2萬(wàn)公里隧道、90%的油庫火災安全監測，為國家安全和國民生活提供保障。

  近年來(lái)，針對交通強國戰略對光纖傳感網(wǎng)絡(luò )的新需求，我們積極開(kāi)展新一代大容量光纖傳感網(wǎng)絡(luò )核心技術(shù)攻關(guān)，取得了世界領(lǐng)先的創(chuàng )新成果，在國際上首次工業(yè)化生產(chǎn)出單纖超過(guò)十萬(wàn)個(gè)光柵傳感器的產(chǎn)品，形成大容量、高密集、高精度的光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡(luò )系統。該技術(shù)已在機場(chǎng)智能跑道、智慧地鐵、智能高速公路等多個(gè)國家戰略任務(wù)和重大工程中實(shí)現示范應用，為多個(gè)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵智能化平臺和核心數據支撐，得到行業(yè)和相關(guān)部門(mén)的高度好評。

  加速光纖傳感產(chǎn)業(yè)發(fā)展

  《瞭望》：光纖傳感網(wǎng)絡(luò )核心技術(shù)研發(fā)方面還存在哪些瓶頸？如何看待這些挑戰？

  姜德生：過(guò)去十年我們解決了光纖傳感網(wǎng)絡(luò )中傳感器端的問(wèn)題，未來(lái)十年我們要解決解調器端的問(wèn)題。光纖傳感網(wǎng)絡(luò )在各個(gè)行業(yè)的示范應用顯現出了巨大的市場(chǎng)應用前景。然而現有光纖傳感網(wǎng)絡(luò )的信號解調儀表，由很多分立的高端光、電芯片和器件組合而成。隨著(zhù)傳感網(wǎng)絡(luò )覆蓋面積的增加，解調器需要的空間變大，我們在光纖傳感網(wǎng)絡(luò )全時(shí)全域智慧高速示范項目中，需要專(zhuān)門(mén)修建一個(gè)機房放解調器。此外成本限制了大規模應用，比如我們現在光纖傳感網(wǎng)絡(luò )橋梁健康監測系統已經(jīng)得到行業(yè)的高度重視和好評，但是按照現有解調器價(jià)格水平和現有橋梁規模計算，即使每座橋只使用一臺解調器，總耗資也將超過(guò)1000億元。因此迫切需要通過(guò)光纖傳感的芯片化研究實(shí)現光纖傳感解調儀表的高集成和低成本。

  《瞭望》：如何加速解調器端等的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展？

  姜德生：解調器里面的高端光、電芯片和器件的關(guān)鍵技術(shù)仍存在諸多卡脖子問(wèn)題，高端的光、電芯片及器件依賴(lài)進(jìn)口，國產(chǎn)化率低，受到國外供應商的壟斷。在越來(lái)越復雜的國際關(guān)系下，實(shí)現下一代解調儀表的研發(fā)突破形勢嚴峻。同時(shí)，對于航空航天、深海深地等特殊應用場(chǎng)景的傳感，雖然市場(chǎng)規模不大，卻是國家重大戰略部署領(lǐng)域，不僅要求傳感系統的小型化、低重量、高可靠，而且對軟硬件的國產(chǎn)化、安全性提出了較高的要求，傳統采用分立器件的系統集成方法已難以滿(mǎn)足需求。

  目前國內外都缺乏適用于大規模光纖傳感網(wǎng)絡(luò )的光、電芯片和器件的完整體系、整體統籌。因此，研制面向光纖傳感的光、電芯片和器件，改變分立芯片和器件構建光纖傳感解調儀表的傳統模式，是眾多行業(yè)領(lǐng)域智能化升級的迫切需求，也是極有可能另辟賽道實(shí)現跨越式發(fā)展的有效途徑。

  在智能化物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的當下，建議加快部署新一代智能傳感網(wǎng)絡(luò )中卡脖子關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及上下游產(chǎn)業(yè)鏈建設，形成具有我國自主知識產(chǎn)權的成套生產(chǎn)技術(shù)與裝備，形成以光纖通信、光纖傳感、光器件產(chǎn)業(yè)為主導，物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能競相發(fā)展的格局。

在位于湖北省武漢市的長(cháng)飛光纖光纜股份有限公司光纖生產(chǎn)車(chē)間內，工作人員對光纖進(jìn)行檢測（資料照片）   肖藝九攝/本刊

  完善技術(shù)標準與安全法規

  《瞭望》：在制定和完善相關(guān)的技術(shù)標準與安全法規方面，你有哪些建議？

  姜德生：近40年，我和團隊積極促進(jìn)光纖傳感技術(shù)的標準化和產(chǎn)業(yè)化。如今，在各類(lèi)工程及各類(lèi)結構健康及安全監測領(lǐng)域中，對溫度、應變、微振等信號的監測精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數據采集等指標都提出了越來(lái)越高的要求。隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，進(jìn)一步制定和完善相關(guān)的技術(shù)標準與安全法規是確保光纖傳感系統可靠性和安全性的重要措施。

  在技術(shù)標準方面，需要進(jìn)一步建立完善相關(guān)應用指南，重點(diǎn)關(guān)注重大工程、網(wǎng)絡(luò )安全、物理保護以及安全培訓和意識提升等。定期對光纖傳感系統安全法規的實(shí)施效果進(jìn)行評估，根據評估結果和新的安全風(fēng)險情況，對安全法規進(jìn)行持續改進(jìn)和完善，進(jìn)一步提高光纖傳感系統的可靠性和安全性，為各行各業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

  《瞭望》：推動(dòng)國產(chǎn)光纖傳感技術(shù)的持續進(jìn)步，在加強產(chǎn)學(xué)研用合作，構建協(xié)同創(chuàng )新生態(tài)系統方面需要怎么做？

  姜德生：大容量光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡(luò )在眾多行業(yè)領(lǐng)域中的應用不僅在中國是第一次，而且在世界上也屬首次，缺乏相關(guān)標準、規范。針對這一問(wèn)題，建議做三件事：

  第一與不同行業(yè)領(lǐng)域的頭部企業(yè)、頂級設計院、科研院所緊密合作、協(xié)同創(chuàng )新，開(kāi)展示范應用，聯(lián)合制定相關(guān)標準。我們和中信科、國家管網(wǎng)、中國商飛等企業(yè)深度合作，共同推進(jìn)光纖傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在不同行業(yè)、不同領(lǐng)域的工程化應用，為國家戰略任務(wù)與重點(diǎn)工程實(shí)施提供“專(zhuān)精特新”解決方案。

  第二搭建產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng )新的交流平臺，比如發(fā)起成立光纖傳感技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新聯(lián)盟、主辦學(xué)術(shù)會(huì )議和產(chǎn)業(yè)論壇等。

  第三要積極推動(dòng)并實(shí)施專(zhuān)利轉讓與成果轉化，加快技術(shù)轉移擴散，助力高質(zhì)量發(fā)展。

  此外，學(xué)科交叉是創(chuàng )新的重中之重，需要在涉及光纖傳感技術(shù)的各個(gè)學(xué)科之間做好融合貫通，用多學(xué)科交叉的創(chuàng )新思維解決行業(yè)痛點(diǎn)堵點(diǎn)。