中國工程院院士姜德生

【資料圖】

過去十年我們解決了光纖傳感網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絡中卡脖子關鍵技術研發及上下游產業鏈建設，形成具有我國自主知識產權的成套生產技術與裝備，形成以光纖通信、光纖傳感、光器件產業為主導，物聯網、大數據、人工智能競相發展的格局

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品壟斷，構建了具有我國自主知識產權的光纖傳感成套生產技術與裝備，使光纖傳感技術在國內實現了從無到有、從有到優的躍升。

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絡核心技術，首次工業化生產出單纖超過十萬個光柵傳感器的產品，形成了大容量、高密集、高精度的光柵陣列光纖傳感網絡系統，使我國光纖傳感技術在國際上實現了從跟跑向并跑、領跑的戰略性轉變。

姜德生團隊開發的光纖傳感產品被同行評價為“帶來了監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，暢談科研創新之路，探討老一輩科學家帶領團隊從解決實際問題出發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實現自主可控？

姜德生：光纖傳感技術的原理多樣，體系龐雜，國內外有很多研究機構和企業展開相關的研究，提供各種各樣的光纖傳感器產品和系統解決方案。美國、日本和歐洲發達國家，都將光纖傳感列為重點支持的優先發展技術，我國的相關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。經過三年攻堅，我們研制出性能更優、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權，完全自主可控。

我們團隊經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權的光纖光柵感溫火災報警技術與系統，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業化，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權的光纖傳感成套生產技術與裝備，打破了公路隧道等領域進口產品一統天下的局面，極大降低了建設成本。

《瞭望》：你們團隊在光纖傳感技術研制中突破了哪些技術難題？

姜德生：根據光纖光柵傳感技術發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；發明了角調諧波長解調方法，實現了光纖光柵解調技術的自主創新。這些創新技術具有自主知識產權，在國際上占有重要地位。

我們團隊把服務范圍擴大到經濟建設的方方面面，推動更多行業轉型升級。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品的1/3。最后，我們以技術第一中標。此后，國外同類產品逐步退出我國市場。截至目前，光柵火災報警系統裝備了中國2萬公里隧道、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，針對交通強國戰略對光纖傳感網絡的新需求，我們積極開展新一代大容量光纖傳感網絡核心技術攻關，取得了世界領先的創新成果，在國際上首次工業化生產出單纖超過十萬個光柵傳感器的產品，形成大容量、高密集、高精度的光柵陣列光纖傳感網絡系統。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略任務和重大工程中實現示范應用，為多個行業高質量發展提供關鍵智能化平臺和核心數據支撐，得到行業和相關部門的高度好評。

加速光纖傳感產業發展

《瞭望》：光纖傳感網絡核心技術研發方面還存在哪些瓶頸？如何看待這些挑戰？

姜德生：過去十年我們解決了光纖傳感網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。光纖傳感網絡在各個行業的示范應用顯現出了巨大的市場應用前景。然而現有光纖傳感網絡的信號解調儀表，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模應用，比如我們現在光纖傳感網絡橋梁健康監測系統已經得到行業的高度重視和好評，但是按照現有解調器價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1000億元。因此迫切需要通過光纖傳感的芯片化研究實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、產業發展？

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，實現下一代解調儀表的研發突破形勢嚴峻。同時，對于航空航天、深海深地等特殊應用場景的傳感，雖然市場規模不大，卻是國家重大戰略部署領域，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足需求。

目前國內外都缺乏適用于大規模光纖傳感網絡的光、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，是眾多行業領域智能化升級的迫切需求，也是極有可能另辟賽道實現跨越式發展的有效途徑。

在智能化物聯網高速發展的當下，建議加快部署新一代智能傳感網絡中卡脖子關鍵技術研發及上下游產業鏈建設，形成具有我國自主知識產權的成套生產技術與裝備，形成以光纖通信、光纖傳感、光器件產業為主導，物聯網、大數據、人工智能競相發展的格局。

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車間內，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

《瞭望》：在制定和完善相關的技術標準與安全法規方面，你有哪些建議？

姜德生：近40年，我和團隊積極促進光纖傳感技術的標準化和產業化。如今，在各類工程及各類結構健康及安全監測領域中，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越高的要求。隨著光纖傳感技術的不斷發展與完善，進一步制定和完善相關的技術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安全法規的實施效果進行評估，根據評估結果和新的安全風險情況，對安全法規進行持續改進和完善，進一步提高光纖傳感系統的可靠性和安全性，為各行各業提供更優質的服務。

《瞭望》：推動國產光纖傳感技術的持續進步，在加強產學研用合作，構建協同創新生態系統方面需要怎么做？

姜德生：大容量光柵陣列光纖傳感網絡在眾多行業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、規范。針對這一問題，建議做三件事：

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

第二搭建產業發展與技術創新的交流平臺，比如發起成立光纖傳感技術和產業創新聯盟、主辦學術會議和產業論壇等。

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，助力高質量發展。

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