光纖傳感器：獨具優勢的地震監測手段

汶川8.0級大地震造成的巨大人員傷(shang) 亡及財產(chan) 損失，讓地震預測重新成為(wei) 科學界乃至整個(ge) 社會(hui) 關(guan) 注的熱點。 在5月19日緊急召開的“四川汶川特大地震發生機理及後續災情科學分析”的香山科學會(hui) 議上，許多學者都提出對地震進行“群測群防”的工作；同時應使用多學科綜合前期預警整體(ti) 思維預測地震的方法，比如使用次聲波、地應力、地電脈衝(chong) 、大地微動等預測地震，提高地震的預測水平。 “由於(yu) 具有長距離遙測、耐惡劣環境（可耐500℃以上高溫）、靈敏度高、易於(yu) 聯網等突出優(you) 點。光纖傳(chuan) 感器可能是目前最好的地震監測手段，一旦在地震帶附近建立起永久的可以監測地震的光纖傳(chuan) 感器網絡，就可以及時地監測地下的異常情況，對可能發生的地震發出預警，最大可能地避免人員傷(shang) 亡和財產(chan) 損失。”長期從(cong) 事光纖傳(chuan) 感器研究的電子科技大學通訊學院院長饒雲(yun) 江教授說。 蓬勃發展的光纖傳(chuan) 感器研究 現代信息技術是由信息的采集、傳(chuan) 輸和處理技術組成，因此傳(chuan) 感器、通信和計算機技術成為(wei) 信息技術的三大支柱。光導纖維的發明問世，是世界科技史上的一項重大成果，在信息領域引起了一係列現代科學技術革命，其最大的成功應用之一就是光纖通信和光纖傳(chuan) 感。 近年來，傳(chuan) 感器朝著微型化、數字化、智能化、網絡化的方向發展，在這一過程中，光纖傳(chuan) 感器這個(ge) 傳(chuan) 感器家族的新成員備受青睞。光纖傳(chuan) 感器具有抗電磁幹擾和原子輻射、重量輕、體(ti) 積小、絕緣、耐高溫、耐腐蝕等眾(zhong) 多優(you) 異的性能，能夠對應變、壓力、溫度、振動、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體(ti) 等各種參數進行精確測量，能夠適應極端惡劣的環境。同時，由於(yu) 光纖傳(chuan) 輸損耗低、頻帶寬，使得光纖傳(chuan) 感器在組網和傳(chuan) 輸距離方麵，與(yu) 傳(chuan) 統的傳(chuan) 感器相比具有無可比擬的優(you) 勢。 饒雲(yun) 江說，光纖傳(chuan) 感器可埋入溫度高達250℃以上的地層深處，因此可測量距離達數百公裏。可用於(yu) 檢測地震波、地質板塊內(nei) 部應力、溫度、位移和傾(qing) 斜、地下流體(ti) 壓力、地下磁場等地下物理量的動態變化。 正是由於(yu) 光纖傳(chuan) 感器具有許多獨特優(you) 勢，可以解決(jue) 許多傳(chuan) 統傳(chuan) 感器無法解決(jue) 的測量問題，故自從(cong) 它問世以來，就被廣泛地用於(yu) 醫療、交通、電力、機械、石油化工、航空航天、地質和岩土工程等各個(ge) 領域。 應用於(yu) 地震監測已具技術基礎 在國家傑出青年科學基金、國家自然科學重點基金和國家自然科學基金麵上項目的支持下，饒雲(yun) 江帶領他的課題組在光纖傳(chuan) 感器領域進行了廣泛而深入的研究，解決(jue) 了諸多重點和難點問題，他們(men) 的研究成果為(wei) 把光纖傳(chuan) 感器應用於(yu) 地震監測領域打下了堅實的基礎。 據饒雲(yun) 江介紹，在光纖多參數傳(chuan) 感的研究方麵，隨著科學技術的發展，在許多重要場合中，需要同時測量兩(liang) 個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 以上參數的變化。例如，智能材料與(yu) 結構健康監測中的應變、振動與(yu) 溫度同時測量，地震中地質板塊內(nei) 部應力、溫度、位移和傾(qing) 斜以及振動、地下流體(ti) 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(yu) 流量同時測量等。因而應用複合光纖傳(chuan) 感器實現多參數的同時，測量技術不僅(jin) 是光纖傳(chuan) 感領域也是傳(chuan) 感器大領域中一個(ge) 十分重要、具有挑戰性的科學研究課題。 為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，饒雲(yun) 江課題組首次在國際上提出了係列光纖多參數傳(chuan) 感方法，應用集成式傳(chuan) 感器實現多種參數同時測量的新方法。 此外，還將集成式光纖傳(chuan) 感器應用於(yu) 國防和大型橋梁的健康監測之中。目前，該類傳(chuan) 感器已成功應用於(yu) 重慶市5座大橋的安全實時監測，該類光纖傳(chuan) 感在土木工程結構中應用所取得的經驗對於(yu) 開展地震監測是非常有幫助的。 卓越的組網能力是新一代光纖傳(chuan) 感器的特征之一，針對這個(ge) 挑戰，饒雲(yun) 江課題組在國際上首次提出基於(yu) 複用方法的大容量光纖傳(chuan) 感器網絡，通過將傳(chuan) 統的光纖傳(chuan) 感器改造為(wei) 腔長可達數毫米的傳(chuan) 感器，再結合某些科學方法，建立具有複用1000個(ge) 以上光纖傳(chuan) 感器能力的網絡，從(cong) 而在國際上率先解決(jue) 了傳(chuan) 統光纖傳(chuan) 感器複用能力差的瓶頸，為(wei) 該類傳(chuan) 感器的大規模應用奠定了技術基礎。該類傳(chuan) 感器目前正應用於(yu) 輸油（氣）管道的健康安全監測。 該課題組還把超長距離光纖傳(chuan) 感變為(wei) 現實。超遠距離遙測是新一代光纖傳(chuan) 感器的另外一個(ge) 特征，如何實現100公裏以上的測量距離是光纖傳(chuan) 感領域的又一個(ge) 挑戰。麵對這個(ge) 挑戰，饒雲(yun) 江課題組又在國際上首次製備了具有250公裏的超長距離測量能力的測量係統，而且該係統已作為(wei) 光纖圍欄在重要設施安全防護、反恐中得到實際應用，並可望在地震監測中獲得重要應用。 另外，在微納光纖傳(chuan) 感技術研究方麵，饒雲(yun) 江課題組也取得了重大突破。他們(men) 解決(jue) 了常規電類傳(chuan) 感器在耐惡劣環境能力方麵存在的諸多問題。 饒雲(yun) 江課題組許多相關(guan) 成果已成功用於(yu) 監測橋梁的應力、位移、傾(qing) 斜及振動，並已產(chan) 業(ye) 化，因此具有很好的基礎。 麵向重大基礎設施的安全健康監測研究 “國家傑出青年科學基金、國家自然科學重點基金和麵上項目的支持，為(wei) 我們(men) 順利開展以上具有國際先進水平的研究工作提供了保障。在這些項目支持下，通過依托國家‘211工程’和‘985工程’建成的先進科研平台，我們(men) 建設國際一流光纖傳(chuan) 感技術研究中心的設想正在一步步變成現實。同時，也使我國在光纖傳(chuan) 感領域的研究水平實現了跨越式提升：連續在第十七屆和第十八屆國際光纖傳(chuan) 感大會(hui) 上作特邀報告並成為(wei) 國際光纖傳(chuan) 感大會(hui) 中國大陸唯一的TPC（事務處理性能委員會(hui) ）成員。” 饒雲(yun) 江補充說：“各種基金項目對提高我國在光纖傳(chuan) 感領域的國際知名度也起到了很好的促進作用，比如我們(men) 主辦了第一屆纖維光學發展現狀與(yu) 未來趨勢國際研討會(hui) 、第五屆國際光纖通信與(yu) 網絡會(hui) 議和第二屆纖維光學發展現狀與(yu) 未來趨勢國際研討會(hui) ，都取得了很好的學術交流效果。” 對於(yu) 現狀，饒雲(yun) 江並沒有滿足。他指出，我國在光纖傳(chuan) 感器領域還需加強原創性研究，提出更多的新概念、新原理和新方法，以期進一步提升我國在光纖傳(chuan) 感領域的國際地位；另一方麵就要滿足國民經濟和國家安全的重大需求，研製出若幹具有自主知識產(chan) 權的光纖傳(chuan) 感器和係統，在實際當中獲得應用。 饒雲(yun) 江強調：“我們(men) 要麵向我國重大基礎設施安全健康監測的重大需求，以解決(jue) 地震監測預報以及國家大動脈、國家能源基礎設施、工業(ye) 節能減排、航空航天飛行器和發動機等的安全監測問題為(wei) 突破口，通過係統深入地開展新一代光纖傳(chuan) 感器網絡和關(guan) 鍵器件的基礎研究工作，在解決(jue) 大容量光纖傳(chuan) 感器單元多路複用與(yu) 組網及超長距離光纖傳(chuan) 感網絡的關(guan) 鍵科學問題方麵和實現新一代光纖傳(chuan) 感器關(guan) 鍵器件方麵取得重要突破，為(wei) 我國首先建立新一代光纖傳(chuan) 感器體(ti) 係和解決(jue) 光纖傳(chuan) 感器大規模應用的重大科學問題奠定基礎。這些目標的實現依然離不開國家自然科學基金的支持和引導。” 據悉，在汶川大地震發生後，饒雲(yun) 江在第一時間向基金委提出了“光纖地震多參數傳(chuan) 感技術基礎研究”重點項目的建議，他希望能夠在國家自然科學基金的資助下，對光纖傳(chuan) 感器應用於(yu) 地震監測這一具有重要現實意義(yi) 和曆史意義(yi) 的科學問題進行深入的研究。

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