加速光纖傳感技術(shù)自主可控——專訪中國(guó)工程院院士姜德生

中國(guó)工程院院士姜德生

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

  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(shè)，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(dǎo)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能競(jìng)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(duì)大國(guó)重器意義重大。中國(guó)工程院院士、武漢理工大學(xué)戰(zhàn)略科學(xué)家姜德生是我國(guó)光纖傳感新技術(shù)研究的先驅(qū)者，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打破國(guó)外技術(shù)產(chǎn)品壟斷，構(gòu)建了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從有到優(yōu)的躍升。

  姜德生團(tuán)隊(duì)成功研制出我國(guó)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)出單纖超過十萬個(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(tǒng)，使我國(guó)光纖傳感技術(shù)在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了從跟跑向并跑、領(lǐng)跑的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變。

  姜德生團(tuán)隊(duì)開發(fā)的光纖傳感產(chǎn)品被同行評(píng)價(jià)為“帶來了監(jiān)測(cè)領(lǐng)域里的一場(chǎng)革命”。近日，《瞭望》新聞周刊對(duì)話這位與共和國(guó)同齡的院士，暢談科研創(chuàng)新之路，探討老一輩科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)從解決實(shí)際問題出發(fā)做不懈追光者的啟示。

  光纖傳感設(shè)備有了“中國(guó)芯”

  《瞭望》：當(dāng)前我國(guó)光纖傳感設(shè)備是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主可控？

  姜德生：光纖傳感技術(shù)的原理多樣，體系龐雜，國(guó)內(nèi)外有很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)展開相關(guān)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(guó)、日本和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)的相關(guān)研究一度被多方掣肘。

  早期，國(guó)內(nèi)做光纖傳感器基本仿制國(guó)外，但部分參數(shù)達(dá)不到國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期以來，光纖傳感很多關(guān)鍵器件被國(guó)外壟斷，例如光柵波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)的一個(gè)核心器件大約2萬美元一支，一個(gè)小指頭大小的東西，比黃金還貴。當(dāng)我國(guó)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)過三年攻堅(jiān)，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(guó)公司主管三次到中國(guó)來，提出按照原價(jià)格的1/3賣給我們，以在中國(guó)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(yīng)用的領(lǐng)域，從制備方法、工藝到裝備均具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，完全自主可控。

  我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)過幾百個(gè)日夜的攻關(guān)，在全國(guó)率先研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警技術(shù)與系統(tǒng)，并投入國(guó)家油庫(kù)工程使用。我們團(tuán)隊(duì)積極促進(jìn)光纖傳感技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)了光纖傳感領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編制與頒布。我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的七大類30余種光纖傳感器，形成了具有我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(tǒng)天下的局面，極大降低了建設(shè)成本。

  《瞭望》：你們團(tuán)隊(duì)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(jù)光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展的需求和存在的關(guān)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(shù)工程應(yīng)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(diǎn)分布式檢測(cè)的難題；發(fā)明了角調(diào)諧波長(zhǎng)解調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵解調(diào)技術(shù)的自主創(chuàng)新。這些創(chuàng)新技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在國(guó)際上占有重要地位。

  我們團(tuán)隊(duì)把服務(wù)范圍擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的方方面面，推動(dòng)更多行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。例如在2006年，陜西秦嶺終南山隧道火災(zāi)報(bào)警工程進(jìn)行國(guó)際招標(biāo)，國(guó)外某知名光纖傳感企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)提供的方案，不僅需要大量后期維護(hù)，報(bào)警時(shí)間也需要好幾分鐘。而我們的火災(zāi)報(bào)警裝置，解決了20公里長(zhǎng)距離無中繼的世界難題，報(bào)警反應(yīng)時(shí)間只需不到20秒，每公里的建設(shè)成本只有國(guó)外產(chǎn)品的1/3。最后，我們以技術(shù)第一中標(biāo)。此后，國(guó)外同類產(chǎn)品逐步退出我國(guó)市場(chǎng)。截至目前，光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)裝備了中國(guó)2萬公里隧道、90%的油庫(kù)火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)，為國(guó)家安全和國(guó)民生活提供保障。

  近年來，針對(duì)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略對(duì)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的新需求，我們積極開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(guó)際上首次工業(yè)化生產(chǎn)出單纖超過十萬個(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(tǒng)。該技術(shù)已在機(jī)場(chǎng)智能跑道、智慧地鐵、智能高速公路等多個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)和重大工程中實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)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(tái)和核心數(shù)據(jù)支撐，得到行業(yè)和相關(guān)部門的高度好評(píng)。

  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(zhàn)？

  姜德生：過去十年我們解決了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器端的問題，未來十年我們要解決解調(diào)器端的問題。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)行業(yè)的示范應(yīng)用顯現(xiàn)出了巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)解調(diào)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(luò)覆蓋面積的增加，解調(diào)器需要的空間變大，我們?cè)诠饫w傳感網(wǎng)絡(luò)全時(shí)全域智慧高速示范項(xiàng)目中，需要專門修建一個(gè)機(jī)房放解調(diào)器。此外成本限制了大規(guī)模應(yīng)用，比如我們現(xiàn)在光纖傳感網(wǎng)絡(luò)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)得到行業(yè)的高度重視和好評(píng)，但是按照現(xiàn)有解調(diào)器價(jià)格水平和現(xiàn)有橋梁規(guī)模計(jì)算，即使每座橋只使用一臺(tái)解調(diào)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(shí)現(xiàn)光纖傳感解調(diào)儀表的高集成和低成本。

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

  姜德生：解調(diào)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題，高端的光、電芯片及器件依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化率低，受到國(guó)外供應(yīng)商的壟斷。在越來越復(fù)雜的國(guó)際關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)下一代解調(diào)儀表的研發(fā)突破形勢(shì)嚴(yán)峻。同時(shí)，對(duì)于航空航天、深海深地等特殊應(yīng)用場(chǎng)景的傳感，雖然市場(chǎng)規(guī)模不大，卻是國(guó)家重大戰(zhàn)略部署領(lǐng)域，不僅要求傳感系統(tǒng)的小型化、低重量、高可靠，而且對(duì)軟硬件的國(guó)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(guó)內(nèi)外都缺乏適用于大規(guī)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(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(gòu)建光纖傳感解調(diào)儀表的傳統(tǒng)模式，是眾多行業(yè)領(lǐng)域智能化升級(jí)的迫切需求，也是極有可能另辟賽道實(shí)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(dāng)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(shè)，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(dǎo)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能競(jìng)相發(fā)展的格局。

在位于湖北省武漢市的長(zhǎng)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(duì)光纖進(jìn)行檢測(cè)（資料照片）   肖藝九攝/本刊

  完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與安全法規(guī)

  《瞭望》：在制定和完善相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與安全法規(guī)方面，你有哪些建議？

  姜德生：近40年，我和團(tuán)隊(duì)積極促進(jìn)光纖傳感技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。如今，在各類工程及各類結(jié)構(gòu)健康及安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，對(duì)溫度、應(yīng)變、微振等信號(hào)的監(jiān)測(cè)精度、覆蓋范圍、空間分辨率、智能化數(shù)據(jù)采集等指標(biāo)都提出了越來越高的要求。隨著光纖傳感技術(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(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，需要進(jìn)一步建立完善相關(guān)應(yīng)用指南，重點(diǎn)關(guān)注重大工程、網(wǎng)絡(luò)安全、物理保護(hù)以及安全培訓(xùn)和意識(shí)提升等。定期對(duì)光纖傳感系統(tǒng)安全法規(guī)的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果和新的安全風(fēng)險(xiǎn)情況，對(duì)安全法規(guī)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和完善，進(jìn)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(zhì)的服務(wù)。

  《瞭望》：推動(dòng)國(guó)產(chǎn)光纖傳感技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用合作，構(gòu)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(luò)在眾多行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用不僅在中國(guó)是第一次，而且在世界上也屬首次，缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。針對(duì)這一問題，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(jí)設(shè)計(jì)院、科研院所緊密合作、協(xié)同創(chuàng)新，開展示范應(yīng)用，聯(lián)合制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我們和中信科、國(guó)家管網(wǎng)、中國(guó)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(yīng)用，為國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)與重點(diǎn)工程實(shí)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(shù)創(chuàng)新的交流平臺(tái)，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)施專利轉(zhuǎn)讓與成果轉(zhuǎn)化，加快技術(shù)轉(zhuǎn)移擴(kuò)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)。