加速光纖傳感技術自主可控——專訪中國工程院院士姜德生

中國工程院院士姜德生

  過去十年我們解決了光纖傳感網(wǎng)絡中傳感器端的問題，未來十年我們要解決解調器端的問題

  部署新一代智能傳感網(wǎng)絡中卡脖子關鍵技術研發(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(shù)據(jù)、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、武漢理工大學戰(zhàn)略科學家姜德生是我國光纖傳感新技術研究的先驅者，他帶領團隊打破國外技術產(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)技術與裝備，使光纖傳感技術在國內(nèi)實現(xiàn)了從無到有、從有到優(yōu)的躍升。

  姜德生團隊成功研制出我國第一個光纖傳感器，攻關了新一代大容量光纖傳感網(wǎng)絡核心技術，首次工業(yè)化生產(chǎn)出單纖超過十萬個光柵傳感器的產(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)絡系統(tǒng)，使我國光纖傳感技術在國際上實現(xiàn)了從跟跑向并跑、領跑的戰(zhàn)略性轉變。

  姜德生團隊開發(fā)的光纖傳感產(chǎn)品被同行評價為“帶來了監(jiān)測領域里的一場革命”。近日，《瞭望》新聞周刊對話這位與共和國同齡的院士，暢談科研創(chuàng)新之路，探討老一輩科學家?guī)ьI團隊從解決實際問題出發(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)實現(xiàn)自主可控？

  姜德生：光纖傳感技術的原理多樣，體系龐雜，國內(nèi)外有很多研究機構和企業(yè)展開相關的研究，提供各種各樣的光纖傳感器產(chǎn)品和系統(tǒng)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支持的優(yōu)先發(fā)展技術，我國的相關研究一度被多方掣肘。

  早期，國內(nèi)做光纖傳感器基本仿制國外，但部分參數(shù)達不到國內(nèi)行業(yè)標準。長期以來，光纖傳感很多關鍵器件被國外壟斷，例如光柵波長信號解調的一個核心器件大約2萬美元一支，一個小指頭大小的東西，比黃金還貴。當我國提出以較低的價格批量進口時，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。經(jīng)過三年攻堅，我們研制出性能更優(yōu)、成本更低的核心光器件。后來，這家外國公司主管三次到中國來，提出按照原價格的1/3賣給我們，以在中國占領更多市場，被我們婉拒。

  如今，在我們研究的光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡及其智能化應用的領域，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)過幾百個日夜的攻關，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與系統(tǒng)，并投入國家油庫工程使用。我們團隊積極促進光纖傳感技術的標準化和產(chǎn)業(yè)化，推動了光纖傳感領域第一個國家標準的編制與頒布。我們團隊開發(fā)的七大類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)技術與裝備，打破了公路隧道等領域進口產(chǎn)品一統(tǒng)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研制中突破了哪些技術難題？

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

  我們團隊把服務范圍擴大到經(jīng)濟建設的方方面面，推動更多行業(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行國際招標，國外某知名光纖傳感企業(yè)參與競爭時提供的方案，不僅需要大量后期維護，報警時間也需要好幾分鐘。而我們的火災報警裝置，解決了20公里長距離無中繼的世界難題，報警反應時間只需不到20秒，每公里的建設成本只有國外產(chǎn)品的1/3。最后，我們以技術第一中標。此后，國外同類產(chǎn)品逐步退出我國市場。截至目前，光柵火災報警系統(tǒng)裝備了中國2萬公里隧道、90%的油庫火災安全監(jiān)測，為國家安全和國民生活提供保障。

  近年來，針對交通強國戰(zhàn)略對光纖傳感網(wǎng)絡的新需求，我們積極開展新一代大容量光纖傳感網(wǎng)絡核心技術攻關，取得了世界領先的創(chuàng)新成果，在國際上首次工業(yè)化生產(chǎn)出單纖超過十萬個光柵傳感器的產(chǎn)品，形成大容量、高密集、高精度的光柵陣列光纖傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。該技術已在機場智能跑道、智慧地鐵、智能高速公路等多個國家戰(zhàn)略任務和重大工程中實現(xiàn)示范應用，為多個行業(yè)高質量發(fā)展提供關鍵智能化平臺和核心數(shù)據(jù)支撐，得到行業(yè)和相關部門的高度好評。

  加速光纖傳感產(chǎn)業(yè)發(fā)展

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

  姜德生：過去十年我們解決了光纖傳感網(wǎng)絡中傳感器端的問題，未來十年我們要解決解調器端的問題。光纖傳感網(wǎng)絡在各個行業(yè)的示范應用顯現(xiàn)出了巨大的市場應用前景。然而現(xiàn)有光纖傳感網(wǎng)絡的信號解調儀表，由很多分立的高端光、電芯片和器件組合而成。隨著傳感網(wǎng)絡覆蓋面積的增加，解調器需要的空間變大，我們在光纖傳感網(wǎng)絡全時全域智慧高速示范項目中，需要專門修建一個機房放解調器。此外成本限制了大規(guī)模應用，比如我們現(xiàn)在光纖傳感網(wǎng)絡橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到行業(yè)的高度重視和好評，但是按照現(xiàn)有解調器價格水平和現(xiàn)有橋梁規(guī)模計算，即使每座橋只使用一臺解調器，總耗資也將超過1000億元。因此迫切需要通過光纖傳感的芯片化研究實現(xiàn)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、產(chǎn)業(yè)發(fā)展？

  姜德生：解調器里面的高端光、電芯片和器件的關鍵技術仍存在諸多卡脖子問題，高端的光、電芯片及器件依賴進口，國產(chǎn)化率低，受到國外供應商的壟斷。在越來越復雜的國際關系下，實現(xiàn)下一代解調儀表的研發(fā)突破形勢嚴峻。同時，對于航空航天、深海深地等特殊應用場景的傳感，雖然市場規(guī)模不大，卻是國家重大戰(zhàn)略部署領域，不僅要求傳感系統(tǒng)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(tǒng)采用分立器件的系統(tǒng)集成方法已難以滿足需求。

  目前國內(nèi)外都缺乏適用于大規(guī)模光纖傳感網(wǎng)絡的光、電芯片和器件的完整體系、整體統(tǒng)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(tǒng)模式，是眾多行業(yè)領域智能化升級的迫切需求，也是極有可能另辟賽道實現(xiàn)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)絡中卡脖子關鍵技術研發(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(shù)據(jù)、人工智能競相發(fā)展的格局。

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

  完善技術標準與安全法規(guī)

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

  姜德生：近40年，我和團隊積極促進光纖傳感技術的標準化和產(chǎn)業(yè)化。如今，在各類工程及各類結構健康及安全監(jiān)測領域中，對溫度、應變、微振等信號的監(jiān)測精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數(shù)據(jù)采集等指標都提出了越來越高的要求。隨著光纖傳感技術的不斷發(fā)展與完善，進一步制定和完善相關的技術標準與安全法規(guī)是確保光纖傳感系統(tǒng)可靠性和安全性的重要措施。

  在技術標準方面，需要進一步建立完善相關應用指南，重點關注重大工程、網(wǎng)絡安全、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(tǒng)安全法規(guī)的實施效果進行評估，根據(jù)評估結果和新的安全風險情況，對安全法規(guī)進行持續(xù)改進和完善，進一步提高光纖傳感系統(tǒng)的可靠性和安全性，為各行各業(yè)提供更優(yōu)質的服務。

  《瞭望》：推動國產(chǎn)光纖傳感技術的持續(xù)進步，在加強產(chǎn)學研用合作，構建協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)方面需要怎么做？

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

  第一與不同行業(yè)領域的頭部企業(yè)、頂級設計院、科研院所緊密合作、協(xié)同創(chuàng)新，開展示范應用，聯(lián)合制定相關標準。我們和中信科、國家管網(wǎng)、中國商飛等企業(yè)深度合作，共同推進光纖傳感網(wǎng)絡技術在不同行業(yè)、不同領域的工程化應用，為國家戰(zhàn)略任務與重點工程實施提供“專精特新”解決方案。

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

  第三要積極推動并實施專利轉讓與成果轉化，加快技術轉移擴散，助力高質量發(fā)展。

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