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亡及財產損失，讓地震預測重新成為科學界乃至整個社會關注的熱點。 在5月19日緊急召開的“四川汶川特大地震發生機理及后續災情科學分析”的香山科學會議上，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思維預測地震的方法，比如使用次聲波、地應力、地電脈沖、大地微動等預測地震，提高地震的預測水平。 “由于具有長距離遙測、耐惡劣環境（可耐500℃以上高溫）、靈敏度高、易于聯網等突出優點。光纖傳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亡和財產損失。”長期從事光纖傳感器研究的電子科技大學通訊學院院長饒云江教授說。 蓬勃發展的光纖傳感器研究 現代信息技術是由信息的采集、傳輸和處理技術組成，因此傳感器、通信和計算機技術成為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系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感。 近年來，傳感器朝著微型化、數字化、智能化、網絡化的方向發展，在這一過程中，光纖傳感器這個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，由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬，使得光纖傳感器在組網和傳輸距離方面，與傳統的傳感器相比具有無可比擬的優勢。 饒云江說，光纖傳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里。可用于檢測地震波、地質板塊內部應力、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態變化。 正是由于光纖傳感器具有許多獨特優勢，可以解決許多傳統傳感器無法解決的測量問題，故自從它問世以來，就被廣泛地用于醫療、交通、電力、機械、石油化工、航空航天、地質和巖土工程等各個領域。 應用于地震監測已具技術基礎 在國家杰出青年科學基金、國家自然科學重點基金和國家自然科學基金面上項目的支持下，饒云江帶領他的課題組在光纖傳感器領域進行了廣泛而深入的研究，解決了諸多重點和難點問題，他們的研究成果為把光纖傳感器應用于地震監測領域打下了堅實的基礎。 據饒云江介紹，在光纖多參數傳感的研究方面，隨著科學技術的發展，在許多重要場合中，需要同時測量兩個或兩個以上參數的變化。例如，智能材料與結構健康監測中的應變、振動與溫度同時測量，地震中地質板塊內部應力、溫度、位移和傾斜以及振動、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、溫度與流量同時測量等。因而應用復合光纖傳感器實現多參數的同時，測量技術不僅是光纖傳感領域也是傳感器大領域中一個十分重要、具有挑戰性的科學研究課題。 為了解決這個問題，饒云江課題組首次在國際上提出了系列光纖多參數傳感方法，應用集成式傳感器實現多種參數同時測量的新方法。 此外，還將集成式光纖傳感器應用于國防和大型橋梁的健康監測之中。目前，該類傳感器已成功應用于重慶市5座大橋的安全實時監測，該類光纖傳感在土木工程結構中應用所取得的經驗對于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感器的特征之一，針對這個挑戰，饒云江課題組在國際上首次提出基于復用方法的大容量光纖傳感器網絡，通過將傳統的光纖傳感器改造為腔長可達數毫米的傳感器，再結合某些科學方法，建立具有復用1000個以上光纖傳感器能力的網絡，從而在國際上率先解決了傳統光纖傳感器復用能力差的瓶頸，為該類傳感器的大規模應用奠定了技術基礎。該類傳感器目前正應用于輸油（氣）管道的健康安全監測。 該課題組還把超長距離光纖傳感變為現實。超遠距離遙測是新一代光纖傳感器的另外一個特征，如何實現100公里以上的測量距離是光纖傳感領域的又一個挑戰。面對這個挑戰，饒云江課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，而且該系統已作為光纖圍欄在重要設施安全防護、反恐中得到實際應用，并可望在地震監測中獲得重要應用。 另外，在微納光纖傳感技術研究方面，饒云江課題組也取得了重大突破。他們解決了常規電類傳感器在耐惡劣環境能力方面存在的諸多問題。 饒云江課題組許多相關成果已成功用于監測橋梁的應力、位移、傾斜及振動，并已產業化，因此具有很好的基礎。 面向重大基礎設施的安全健康監測研究 “國家杰出青年科學基金、國家自然科學重點基金和面上項目的支持，為我們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’建成的先進科研平臺，我們建設國際一流光纖傳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感大會上作特邀報告并成為國際光纖傳感大會中國大陸唯一的TPC（事務處理性能委員會）成員。” 饒云江補充說：“各種基金項目對提高我國在光纖傳感領域的國際知名度也起到了很好的促進作用，比如我們主辦了第一屆纖維光學發展現狀與未來趨勢國際研討會、第五屆國際光纖通信與網絡會議和第二屆纖維光學發展現狀與未來趨勢國際研討會，都取得了很好的學術交流效果。” 對于現狀，饒云江并沒有滿足。他指出，我國在光纖傳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感領域的國際地位；另一方面就要滿足國民經濟和國家安全的重大需求，研制出若干具有自主知識產權的光纖傳感器和系統，在實際當中獲得應用。 饒云江強調：“我們要面向我國重大基礎設施安全健康監測的重大需求，以解決地震監測預報以及國家大動脈、國家能源基礎設施、工業節能減排、航空航天飛行器和發動機等的安全監測問題為突破口，通過系統深入地開展新一代光纖傳感器網絡和關鍵器件的基礎研究工作，在解決大容量光纖傳感器單元多路復用與組網及超長距離光纖傳感網絡的關鍵科學問題方面和實現新一代光纖傳感器關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，在汶川大地震發生后，饒云江在第一時間向基金委提出了“光纖地震多參數傳感技術基礎研究”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，對光纖傳感器應用于地震監測這一具有重要現實意義和歷史意義的科學問題進行深入的研究。 |
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