欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们|旧版回顾
蔡海文:点亮安防之光
——记中国科学院上海光学精密机械研究所研究员蔡海文

作者:本刊记者 徐芳芳  来源:科学中国人  发布时间:2017-7-28

导读:  光纤具有连续分布式散射效应,如将其合理利用,将能够对光纤沿线外界扰动进行分布式感知和精确定位,就好比人的感知神经系统,可以进行全方位连续监测,这就是分布式光纤振动传感技术。这种技术对油气管道、高铁、桥梁、隧道,甚至是国防、军事基地的周边安防等重大基础设施和国家核心要害区域等方面具有不可替代的优势。中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡海文,始终心系国家核心要害区域及重大基础设施安全,也在努力践行“满足国家实际安防需求,解决当前分布式光纤振动传感技术存在的‘瓶颈’问题”的心愿。

 

   
  光纤具有连续分布式散射效应,如将其合理利用,将能够对光纤沿线外界扰动进行分布式感知和精确定位,就好比人的感知神经系统,可以进行全方位连续监测,这就是分布式光纤振动传感技术。
  很多人也许会有疑问:这种技术究竟有什么来头?又有什么用呢?殊不知,它可以对油气管道、高铁、桥梁、隧道,甚至是国防、军事基地的周边安防等重大基础设施和国家核心要害区域进行安全监测,在传感探测距离、事件精确定位、隐蔽性、环境适应性等方面具有不可替代的优势。
  在中国科学院上海光学精密机械研究所,就有一位心系国家核心要害区域及重大基础设施安全的科学家,多年来,“满足国家实际安防需求,解决当前分布式光纤振动传感技术存在的‘瓶颈’问题”是他的夙愿,也是他的目标,他就是蔡海文。
  
传和感合二为一
  
  目前,国内外关于分布式光纤振动传感技术的研究中,通常采用“直接探测技术”,也就是通过检测光纤瑞利散射信号的强度信息来进行传感测量,但这种技术只能定性测量外界扰动,信号识别困难,一直存在误报率高的问题,极大地限制了该技术在实际安防中的应用。因此,研发具有定量化测量能力的分布式光纤振动传感技术,成为亟待解决的难题,受到了各国科技界和工业界的关注。
  蔡海文带领团队针对先前技术的种种缺陷,在项目“分布式光纤振动传感技术及其重要安防应用”中,将难点一一攻破,由于取得的突出成果,项目获得了2016年上海市技术发明奖一等奖。
  “对于这项技术,我们提出了一种前所未有的新观点。从物理层面上讲,它可以实现外界扰动信息的定量化测量;同时,在信号层面上,又可以实现对外界扰动信号的快速准确识别,可谓一举两得。”蔡海文说道。
  于是,蔡海文带领团队开启了一条创新探索之路。他站在“外差相干探测”的原理巨石上,以光纤瑞利散射作为虚拟反射镜,通过探测脉冲宽度区域内后向瑞利散射光的干涉信号,再利用数字相位解调技术,最终实现了瑞利散射信号的分布式相位测量。“相位测量精度可以达到±0.1rad,这是分布式光纤振动传感首次具备了振动信号的定量测量功能。”蔡海文兴奋地介绍。该技术可以准确获取振动信号的强度、相位和频率特征,使区分扰动目标特性的准确性上升了一个高度。“这可以说是突破了在安防实际应用中的最大障碍”。
  众所周知,传感光源的噪声特征直接决定了系统的探测距离以及测量灵敏度。蔡海文根据已经发明的非相干反馈技术,别出心裁,设计了一种基于弱光纤光栅复合谐振腔反馈的超窄线宽单频光纤激光器,并成功实现本征线宽从kHz量级压缩至10Hz的惊人成果;与此同时,蔡海文还基于发明的放大器增益动态效应强度噪声抑制技术,成功将单频光纤激光器固有弛豫振荡峰处的相对强度噪声降低了55dB。
  作为项目负责人,蔡海文在项目研究进程中遇到不少困难,但都一一克服了。他建立了基于相位解调的分布式光纤振动传感及其安防应用的完整技术体系。其中,发明的相干衰落抑制技术,彻底解决了相位解调面临的相干衰落这一关键共性难题,为技术的实用化奠定了基础;不仅如此,蔡海文还提出了时间序列多频率源的方法。“这个方法使采样率与测量距离之间的限制不再成为困扰,也使得测量带宽提高了近50倍。”蔡海文表示。这样一来,系统就可以高保真探测外界扰动信息,为安防应用所需的信号处理和识别提供更加真实和丰富的信息。
  随着项目的推进,在蔡海文和团队成员的努力下,他们发明了一种基于频谱欧氏距离法的快速模式识别技术,并开发了分布式振动传感器数据实时处理软件。通过时域、频域、空域多维特征的综合处理,实现了对入侵信号的快速准确识别,极大降低了系统误报率。“这对入侵信号的快速准确识别起了积极作用,更为国家核心区域和重大基础设施的实际安防应用奠定了基础。”对于蔡海文来说,国家核心区域和重大基础设施的实际安防应用一直是他最大的追求。
  
国家安全的护卫队
  
  值得一提的是,在中国科学院上海光学精密机械研究所,有这样一支团队,他们以青年研究人员为主力军,40岁以下的青年比例高达80%,团队主要从事光电子器件及光纤信息技术方面的研究,无论何时,在这支队伍身上看到的永远是蓬勃向上的朝气、锐意进取的信念。
  这就是由蔡海文率领的团队——中国科学院上海光学精密机械研究所“光电子器件及光纤信息技术团队”。团队成立于2002年7月,他们十几年如一日,已经攻克了许多大大小小的关键技术和工程应用难题,成功实现了从应用基础研究、关键技术攻关到工程应用技术突破的全链条创新研究。
  一路走来,团队取得了累累硕果:首次实现了振动信号的分布式定量化测量,解决了实际复杂环境下入侵信号难以准确识别的难题,该技术还成功应用在了重大基础设施和国家重要区域的安全监测中。由于成绩突出,在蔡海文的带领下,团队获得了多项荣誉。荣誉背后,留下的是蔡海文对团队的满满感动和感恩。
  近年来,团队也没有停下科研的脚步,他们开始把目光放到铁路安全上,着手于大力开拓分布式光纤传感技术在铁路安全中的应用。为此,团队与上海铁路局合作,承担了淮南线、金温高铁沿线光纤综合安全监测工程示范试验系统的建设任务,对铁路沿线光电缆断线、路基激扰(如机械/人工挖掘)、异常温升、山体滑移、堑坡落石、外部入侵等进行全天候实时监控和预警。努力背后,成果也很显著:系统仅仅在试运行期间,就已经多次对安全事件进行了成功预警。据悉,该技术填补了国内空白,团队正在与产业单位开展合作,共同实施技术在铁路复杂工况条件下的实用化和应用推广工作,以真正实现为高铁安全运行保驾护航的目标。
  多年的阅历让蔡海文深刻感受到,在科研的道路上,坚持与苦干固然重要,但细心培育与呵护也与之处于同等重要地位。蔡海文时刻要求团队内研究员具有独立性,做到在工作上独当一面,奋斗在工程任务的第一线。他表示:“研究生是我们团队的生力军,也是主力军,要让他们明白自己既要为国家需求付出汗水和心血,也要时时践行着科技报国的中国梦。”
  在蔡海文高要求、严纪律的作风影响下,团队勇往直前,逐渐形成了“敢于担当、追求卓越、共同奋斗”的团队精神。蔡海文就这样用自己的实际行动,践行着自己与团队的科研梦。
  

分享到:
资讯