光纖傳感器：獨(dú)具優(yōu)勢的地震監(jiān)測手段
| 汶川8.0級大地震造成的巨大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，讓地震預(yù)測重新成為科學(xué)界乃至整個(gè)社會關(guān)注的熱點(diǎn)。 在5月19日緊急召開的“四川汶川特大地震發(fā)生機(jī)理及后續(xù)災(zāi)情科學(xué)分析”的香山科學(xué)會議上，許多學(xué)者都提出對地震進(jìn)行“群測群防”的工作；同時(shí)應(yīng)使用多學(xué)科綜合前期預(yù)警整體思維預(yù)測地震的方法，比如使用次聲波、地應(yīng)力、地電脈沖、大地微動(dòng)等預(yù)測地震，提高地震的預(yù)測水平。 “由于具有長距離遙測、耐惡劣環(huán)境（可耐500℃以上高溫）、靈敏度高、易于聯(lián)網(wǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器可能是目前最好的地震監(jiān)測手段，一旦在地震帶附近建立起永久的可以監(jiān)測地震的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以及時(shí)地監(jiān)測地下的異常情況，對可能發(fā)生的地震發(fā)出預(yù)警，最大可能地避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。”長期從事光纖傳感器研究的電子科技大學(xué)通訊學(xué)院院長饒?jiān)平淌谡f。 蓬勃發(fā)展的光纖傳感器研究 現(xiàn)代信息技術(shù)是由信息的采集、傳輸和處理技術(shù)組成，因此傳感器、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)成為信息技術(shù)的三大支柱。光導(dǎo)纖維的發(fā)明問世，是世界科技史上的一項(xiàng)重大成果，在信息領(lǐng)域引起了一系列現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命，其最大的成功應(yīng)用之一就是光纖通信和光纖傳感。 近年來，傳感器朝著微型化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，在這一過程中，光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員備受青睞。光纖傳感器具有抗電磁干擾和原子輻射、重量輕、體積小、絕緣、耐高溫、耐腐蝕等眾多優(yōu)異的性能，能夠?qū)?yīng)變、壓力、溫度、振動(dòng)、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體等各種參數(shù)進(jìn)行精確測量，能夠適應(yīng)極端惡劣的環(huán)境。同時(shí)，由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬，使得光纖傳感器在組網(wǎng)和傳輸距離方面，與傳統(tǒng)的傳感器相比具有無可比擬的優(yōu)勢。 饒?jiān)平f，光纖傳感器可埋入溫度高達(dá)250℃以上的地層深處，因此可測量距離達(dá)數(shù)百公里?？捎糜跈z測地震波、地質(zhì)板塊內(nèi)部應(yīng)力、溫度、位移和傾斜、地下流體壓力、地下磁場等地下物理量的動(dòng)態(tài)變化。 正是由于光纖傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的測量問題，故自從它問世以來，就被廣泛地用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、航空航天、地質(zhì)和巖土工程等各個(gè)領(lǐng)域。 應(yīng)用于地震監(jiān)測已具技術(shù)基礎(chǔ) 在國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持下，饒?jiān)平瓗ьI(lǐng)他的課題組在光纖傳感器領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的研究，解決了諸多重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，他們的研究成果為把光纖傳感器應(yīng)用于地震監(jiān)測領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 據(jù)饒?jiān)平榻B，在光纖多參數(shù)傳感的研究方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在許多重要場合中，需要同時(shí)測量兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)的變化。例如，智能材料與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)變、振動(dòng)與溫度同時(shí)測量，地震中地質(zhì)板塊內(nèi)部應(yīng)力、溫度、位移和傾斜以及振動(dòng)、地下流體壓力、地下磁場等地下物理量；石油、天然氣開采中的壓力、溫度與流量同時(shí)測量等。因而應(yīng)用復(fù)合光纖傳感器實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的同時(shí)，測量技術(shù)不僅是光纖傳感領(lǐng)域也是傳感器大領(lǐng)域中一個(gè)十分重要、具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究課題。 為了解決這個(gè)問題，饒?jiān)平n題組首次在國際上提出了系列光纖多參數(shù)傳感方法，應(yīng)用集成式傳感器實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)同時(shí)測量的新方法。 此外，還將集成式光纖傳感器應(yīng)用于國防和大型橋梁的健康監(jiān)測之中。目前，該類傳感器已成功應(yīng)用于重慶市5座大橋的安全實(shí)時(shí)監(jiān)測，該類光纖傳感在土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用所取得的經(jīng)驗(yàn)對于開展地震監(jiān)測是非常有幫助的。 卓越的組網(wǎng)能力是新一代光纖傳感器的特征之一，針對這個(gè)挑戰(zhàn)，饒?jiān)平n題組在國際上首次提出基于復(fù)用方法的大容量光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過將傳統(tǒng)的光纖傳感器改造為腔長可達(dá)數(shù)毫米的傳感器，再結(jié)合某些科學(xué)方法，建立具有復(fù)用1000個(gè)以上光纖傳感器能力的網(wǎng)絡(luò)，從而在國際上率先解決了傳統(tǒng)光纖傳感器復(fù)用能力差的瓶頸，為該類傳感器的大規(guī)模應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該類傳感器目前正應(yīng)用于輸油（氣）管道的健康安全監(jiān)測。 該課題組還把超長距離光纖傳感變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。超遠(yuǎn)距離遙測是新一代光纖傳感器的另外一個(gè)特征，如何實(shí)現(xiàn)100公里以上的測量距離是光纖傳感領(lǐng)域的又一個(gè)挑戰(zhàn)。面對這個(gè)挑戰(zhàn)，饒?jiān)平n題組又在國際上首次制備了具有250公里的超長距離測量能力的測量系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)已作為光纖圍欄在重要設(shè)施安全防護(hù)、反恐中得到實(shí)際應(yīng)用，并可望在地震監(jiān)測中獲得重要應(yīng)用。 另外，在微納光纖傳感技術(shù)研究方面，饒?jiān)平n題組也取得了重大突破。他們解決了常規(guī)電類傳感器在耐惡劣環(huán)境能力方面存在的諸多問題。 饒?jiān)平n題組許多相關(guān)成果已成功用于監(jiān)測橋梁的應(yīng)力、位移、傾斜及振動(dòng)，并已產(chǎn)業(yè)化，因此具有很好的基礎(chǔ)。 面向重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全健康監(jiān)測研究 “國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金和面上項(xiàng)目的支持，為我們順利開展以上具有國際先進(jìn)水平的研究工作提供了保障。在這些項(xiàng)目支持下，通過依托國家‘211工程’和‘985工程’建成的先進(jìn)科研平臺，我們建設(shè)國際一流光纖傳感技術(shù)研究中心的設(shè)想正在一步步變成現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，也使我國在光纖傳感領(lǐng)域的研究水平實(shí)現(xiàn)了跨越式提升：連續(xù)在第十七屆和第十八屆國際光纖傳感大會上作特邀報(bào)告并成為國際光纖傳感大會中國大陸唯一的TPC（事務(wù)處理性能委員會）成員。” 饒?jiān)平a(bǔ)充說：“各種基金項(xiàng)目對提高我國在光纖傳感領(lǐng)域的國際知名度也起到了很好的促進(jìn)作用，比如我們主辦了第一屆纖維光學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢國際研討會、第五屆國際光纖通信與網(wǎng)絡(luò)會議和第二屆纖維光學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢國際研討會，都取得了很好的學(xué)術(shù)交流效果。” 對于現(xiàn)狀，饒?jiān)平]有滿足。他指出，我國在光纖傳感器領(lǐng)域還需加強(qiáng)原創(chuàng)性研究，提出更多的新概念、新原理和新方法，以期進(jìn)一步提升我國在光纖傳感領(lǐng)域的國際地位；另一方面就要滿足國民經(jīng)濟(jì)和國家安全的重大需求，研制出若干具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖傳感器和系統(tǒng)，在實(shí)際當(dāng)中獲得應(yīng)用。 饒?jiān)平瓘?qiáng)調(diào)：“我們要面向我國重大基礎(chǔ)設(shè)施安全健康監(jiān)測的重大需求，以解決地震監(jiān)測預(yù)報(bào)以及國家大動(dòng)脈、國家能源基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)節(jié)能減排、航空航天飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)等的安全監(jiān)測問題為突破口，通過系統(tǒng)深入地開展新一代光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵器件的基礎(chǔ)研究工作，在解決大容量光纖傳感器單元多路復(fù)用與組網(wǎng)及超長距離光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵科學(xué)問題方面和實(shí)現(xiàn)新一代光纖傳感器關(guān)鍵器件方面取得重要突破，為我國首先建立新一代光纖傳感器體系和解決光纖傳感器大規(guī)模應(yīng)用的重大科學(xué)問題奠定基礎(chǔ)。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依然離不開國家自然科學(xué)基金的支持和引導(dǎo)。” 據(jù)悉，在汶川大地震發(fā)生后，饒?jiān)平诘谝粫r(shí)間向基金委提出了“光纖地震多參數(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)研究”重點(diǎn)項(xiàng)目的建議，他希望能夠在國家自然科學(xué)基金的資助下，對光纖傳感器應(yīng)用于地震監(jiān)測這一具有重要現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義的科學(xué)問題進(jìn)行深入的研究。 |
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