独家专访| 上海光机所叶青研究员：用光纤传感服务“国之重器”

导言

introduction

因为光，丰富多彩的世界出现在人们面前。光子学被Horizon 2020（欧洲委员会第八个框架计划，Horizon Europe计划的前身）认定为六种关键使能技术（KET）之一，在自动驾驶、绿色能源和智能生活等领域发挥着重大作用。

其中光传感器作为基础层的高技术产品，因具备精度高、反应快、非接触、可测参数多、结构简单、非破坏性测量、几乎不受干扰、高速传输以及可遥测、可遥控等诸多突出优点，在许多重要的技术中逐渐取代传统传感器，广泛应用于多个领域。

围绕如何推动光传感器在各领域的普及应用和加速产业化发展，本期感知芯视界重磅推出光传感器系列报道之 寻感知硬科技之“光” 专题，通过采访多位行业专家、企业家和技术大咖，分享他们对光传感器行业的独家判断与真知灼见。

本期人物——中国科学院上海光学精密机械研究所 叶青研究员

2003年8月-2006年6月 中国科学院上海光学精密机械研究所博士研究生；2006年7月- 2015年8月中国科学院上海光学精密机械研究所助/副研究员；2015.09-至今，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员/博士生导师

承担项目:国家自然科学基金青年/面上/重点（子课题）项目负责人，中科院创新基金面上/重点项目、国家民口863、上海市科技攻关项目、上海市青年科技启明星人才计划等项目负责人。发表SCI论文60余篇，申请发明专利20余项。

荣誉称号：中国科学院青年创新促进会会员及优秀会员 (2013&2017) ；上海市青年科技启明星B类 (2009)

研究方向：分布式光纤传感及应用系统技术。

“光纤传感在很多应用领域也不是万能的。现在各式的传感器很多，将来光纤传感可能在一些极端应用环境中发挥更好的作用。”近日，感知芯视界对中国科学院上海光学精密机械研究所（简称：上海光机所）的叶青研究员进行专访。作为在光纤传感器技术领域研究10多年的科研专家，叶青研究员同记者分享了他对光纤传感适用领域的理解。

作为传感器家族的新成员，光纤传感技术在电力、石油、建筑、环保等领域的应用不断拓展。一批科研单位和产业界继续探索和研发新的光纤传感技术，将光纤传感带入新的发展赛道。上海光机所正是其中之一。

据叶青研究员介绍，上海光机所自2001年开始对光纤传感技术进行研发。2011年后主要聚焦在分布式光纤传感方向。在“十年磨一剑”中，叶青和团队近30人用敬业、专注、创新的精神，不断攻克关键技术瓶颈，为破解行业应用难题做出了巨大的贡献，成为国家在光纤传感领域可以信赖的战略科技力量。

在2016年，其团队承担的“分布式光纤振动传感技术及其重要安防应用”项目曾获上海市技术发明奖一等奖。据了解，这一技术可以像人的“神经系统”一样，对高铁沿线的外界扰动进行精确感知和精准定位，从只能听到“有无动静”，到听清楚“什么在动”“怎么动”，克服了常规传感技术难以进行全方位连续监测的缺陷，在重大基础设施和国家要害区域的安全监测中具有非常重要的应用价值，填补了国内空白，居国际先进水平。

近年来，叶青研究员及团队在完成铁路沿线安全光纤综合监测技术转让后，又开始了下一个领域的重点攻关。“我们致力于把我们的光纤传感系统用在大科学装置外部环境参数（包括温度、振动、应变、加速度等物理量）的高时空精度监测方面”，被叶青研究员形容像“群狼”一样的团队，在短短3年时间，成功的将光纤传感系统应用在天眼（FAST）和上海超强超短激光实验装置（SULF）等大科学装置的运行维护方面中。

图：分布式光纤光纤传感技术 来源：上海光机所

图：铁路沿线安全光纤综合监测技术 来源：上海光机所

那么，上海光机所在光纤传感器的技术研发未来更关注哪些应用领域？如何看待国产光纤传感器的技术水平？对光纤传感器未来的发展有哪些建议？一起来看下面的深度对话内容。

大咖观点

匠心守护“国之重器”

Q：感谢您接受感知芯视界的专访。光纤传感技术在铁路应用之后，下一步聚焦在哪些方向？请介绍一下成果。

叶青：从2018年到2020年，我们把光纤感知技术应用聚焦在国家的大科学装置，对装置里的温度、振动、应变、加速度等很多物理量进行高时空精度的测量。这3年间，我们也做了2个标志性案例。

一个是天眼FAST，我们前后一共花了3年多的时间，在中科院装备研制重大工程项目支持下，针对FAST做了一整套的分布式光纤全域监测系统，以智能化的平台来为FAST高效安全可靠运行提供新手段和技术保障。

比如，为了消除环境电磁背景噪声影响，FAST地处山区喀斯特洼坑中，地形起伏剧烈，气候多变，自然灾害潜在威胁较大；装置周围已经成为了著名科教文基地，景区参观人员众多，流动性大，电磁背景噪声谱复杂，同时存在潜在安全隐患，反恐形式也比较严峻。

为了更好的保障装置安全可靠和高效运行，我们开发适用于FAST极端无线电静默场景下的高带宽分布式光纤振动监测设备、高精度分布式光纤温度应变监测设备、以及高灵敏度光纤射频侦测设备等，突破超低噪声长距离激光相干探测和相位定量化解调技术、宽带微弱射频信号振荡放大检测技术、宽窗口透明电磁屏蔽材料制备技术、多源信号全域实时处理及智能融合识别等核心关键技术，以此构建一套分布式光纤全域监测系统，实现FAST管控区域内各种人员入侵、车辆进入、自然灾害（如边坡滑移和山火）、突发电磁背景信号噪声等信息准确实时监测、报警、定位，并进行信号的甄别和溯源，为支撑和保障FAST高效安全可靠运行提供新手段和技术保障。

图：FAST分布式光纤全域监测系统 来源：上海光机所

另一个典型案例是我们把整个光纤传感系统用在了上海浦东的超强超短激光装置（SULF）外部环境参数高时空精度监测方面，实现了对SULF装置试验台和浮筑楼板层的三维加速度、真空管道温度波动和微应变、和激光大厅和实验平台温度波动的高精度监测，并搭建综合监测平台和后台数据分析系统。

图：SULF环境参数光纤监测系统 来源：上海光机所

那也许有人会问，为什么我们能做这个事情？因为大科学装置本身是一个非常精密的设备，每一个装置都是国家花费了很多资金建成的。这类大科学装置，对设备测量精度都要求非常高，很多商用的器件很难达到要求，即便达到要求，也很难通过规模化量产获得更多利润。那么，在这种情形下，我们研究所定制化关键技术攻关和高精度装备定制化研制能力就体现出来。同时，这也是满足国家的重大需求。

未来我们一个技术推广目标是把我们的光纤传感器推广到更多大科学装置中，更好服务于我们大科学装置运行。

Q：未来，您所在的团队研发主要聚焦在哪些应用领域？

叶青：目前，我们团队在光纤传感及应用系统技术主要聚焦在三个方向。第一是海洋方面，我们主要研究全分布式海洋水声的测量，通过研发让整根光缆均是传感器，即下一代的水听器，消除当前干涉型光纤水听器很多点串联的繁杂。

在应用方面，我们正在联合国内海洋科学、地球物理优势学科大学和应用单位，开展基于海洋光缆（整个地球已有的海洋光缆达到140万公里左右）的地震波探测技术，期望利用海洋里众多的通信光缆，在海洋铺成一张感知网，来监测海洋中发生的地震，这是贯彻落实习近平总书记新时期防灾减灾救灾重要论述的具体举措、保障国家海洋发展战略、保障沿海城市地震安全、服务海洋重大工程等方面符合国家紧迫重大战略需求。

第二是空间载荷平台中的应用，像大科学装置一样，我们国家在未来将会发射众多的小卫星载荷平台，卫星载荷平台在轨运行过程中需要去感知各种的温度、振动、微振动、微形变的变化。虽类似于大科学装置，这些都对光纤传感的技术和性能要求更高，需要我们把整个监测装置做得更集成化，体积更小，才能满足空间载荷在轨监测应用需求。

第三是型号研制任务，我们国家现在各种各样的无人机、国防任务等型号里面有很多光纤的通信链路，我们会对整个光纤链路健康状态进行实时监测和反馈，保证光纤通信链路的健康运行。我们的理念就是聚焦国家所需，为国分忧解难。

大咖观点

极端恶劣环境是光纤传感更好生存和发挥优势性能的土壤

Q：相对于其他类传感器，您认为光纤传感器有哪些技术优势？

叶青：光纤传感器优点主要体现在以下几点：第一是全光电无源，不需要供电；第二是光纤传感器像头发丝一般大小，容易嵌入或植入到要测量的地方；第三是光纤传感可以在光纤中有各种各样的光学效应，实现多物理量的测量和感知；第四是光纤本身是信息传输载体，光纤传感同时可以利用光纤进行外界信息感知，这就实现了把光的信息传输和感知融为一体；第五是光纤本身的材料是二氧化硅，它不受各种各样的强电、强磁、高温、高压影响，也不受腐蚀影响，所以它在很多极端的环境里更能发挥其内在优势。

Q：哪些领域将成为光纤传感器价值增长点？

叶青：现在传感器种类非常多，光纤传感在很多应用领域也不是万能的，我认为将来光纤传感可能更多的是在一些极端的环境能更好地发挥它的性能。当前，光纤传感目前在桥梁、油井、电网等应用领域应用特别多，但都没有形成独一无二不可替代性。

现在光纤传感最成功两个案例：一个是光纤陀螺，这个在各种飞行器导航中广泛使用；另一个是光纤水听器，现在国家在近海安全防范方面开始大量部署使用。

我认为将来光纤传感器会成功的一个案例就是在核反应堆等极端环境中使用。因为国家现在在大力发展清洁能源，而清洁能源里面比较重要的就是核能。而建核电站最重要的是安全问题，光纤传感凭借一系列优点将在这个领域里面将大有可为。因此，未来在各种各样的高温高压高腐蚀的极端恶劣地方，才是光纤传感生存下去土壤。

除了恶劣环境以外，光纤传感在可穿戴设备领域也有用武之地，比如将可以把光纤植入到衣服里，让衣服自动的去调节你需要的保暖温度。因为光纤它本身很细，它可以像一个丝织物一样编织到衣服里。此外，将来光纤传感器可以像做肠镜一样能够伸进体内检测疾病等。

大咖观点

让本土化产品有用武之地，在不断迭代中打造精品

Q：从您的视角来看，纵观全球，我国光纤感知技术目前处于什么样的水平？还面临哪些技术瓶颈？

叶青：我们国家在以前是跟随国外研究态势，但这几年我国在智能工业装备和大基础设施方面的建设发展很快，我们建设了很多的公路、高速铁路、桥梁、电力线、石油管线等，加上智能工业的发展，进一步拉动了光纤传感器的技术水平，但跟德国、日本、韩国、美国等发达国家相比，我们研制光纤传感器还是做的有点粗糙，我们研制出来的装备在尖端技术水平和可靠性方面跟国外还有一定差距，但这个差距正在快速减小。

这几年光纤传感器发展的环境发生了很大变化，受到芯片“卡脖子”国际竞争环境影响后，国家特别提倡国产化，特别涉及到空间、海洋、型号装备这些国家安全领域都要国产化，因为这不光是“卡脖子”的事情，还涉及到信息安全。

这些都推动了我们首先要去攻关光纤传感器卡脖子技术，并且依靠这些技术做出可用国产化产品出来。综合来说，还是需求推动了光纤传感器的发展，这对于我们科研人员来说很重要。以前大家可能都跟着国外做一做，演示一下现象和性能，没有一定要用的紧张感。但是现在不一样，做成的东西不仅要能用得上，还要可靠。

Q：有哪些改进或者破局之道？

叶青：大家还是要静下心来、集中力量去攻关，科学技术不是凭空想象出来的。比如我们国家的芯片被卡脖子以后，我们就从光源、器件等多个方面开始做，虽然很难，但是我们正在一点点的把短板补起来。

光纤传感如何破局？第一，我们要在材料上破局，这是光纤传感非常重要的基础，没有好的材料支撑，后面很难做出好的传感系统；第二，我们做出来的东西，性能差一点也没关系，要在实际环境中去使用，不断的反馈、迭代、优化改进才会做的更好。迭代到一定的程度，就认识了更深。只有建立用的环境，才知道差在哪，如何补。

Q：近年来，国家不断倡导高校、研究所的科研工作应坚持“顶天立地”，把论文写在祖国大地上，把科技成果变成真正的创新能力和国家核心竞争力。请提出您的建议。

叶青：第一点要定位清楚。研究所做科研的人就踏实做科研，思维不能过于发散，应该根据国家的重大需求，或是针对国家的一些卡脖子技术，运用群狼战术，一群人去做好一个事情，集中力量干大事，才能把事情快速有效干成，在这一点华为为我们做了很好的示范作用。高校的老师要想做研究可以发散思维去做研究，因为高校老师一般学科门类比较分散、比较独立，可以充分发挥创新性的想法，同时做好人才培养。作为产业界的人，就要把研究所的这些解决了很多卡脖子问题的新技术，快速以合适的、市场可以接收的成本方式去转化和生产，满足市场的规律，实现应用的满地开花。

Q：请您对中国光纤传感产业发展提出建议。

叶青：和其他研究领域一样，光纤传感是应用的学科，在光纤传感领域的技术研究也要强调精耕细耕，不能过于粗糙。比如我们做各种各样的传感器，应该集中力量把这个产品和技术精耕精细做好，考虑周到，然后充分结合应用领域的需求进行改进，做出适用、好用的市场需求产品。

结语

光纤感知技术不断吸取光纤通信的新技术（如新的半导体光源、新型光纤）、新器件，在如今的物联网时代应用前景广阔，全光物联网有望在将来成为一种新的物联网形式，给我们的生产和生活带来全新的改变。未来，感知芯视界将陆续推出更多光纤传感领域的人物专访，敬请关注。

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