——记上海交通大学特别研究员刘庆文
　　
□　宋 洁

　　
　　
　　一根头发丝粗细的光纤能做什么？答案是不仅可以将光波低损耗传送上千公里，还可以同步检测光纤沿线的应变、温度、振动、压力等信息。光纤是光波的优良载体，在推动光纤通信技术迅速发展的同时，也带来了光纤传感技术的蓬勃发展，在航空航天航海、围栏管线安防、油气资源勘探等行业起到了无法替代的作用。
　　与光电子学结缘，上海交通大学特别研究员刘庆文至今已和激光、光纤传感技术难解难分多年，在他看来，这项科学研究不仅是一种工作，也是一种乐趣，充满着“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的喜悦。他享受其中的充实和多彩，将每一次探索视作对研究魅力的发掘，与团队一同面向“万物感知”的光传感器技术，志在贯穿理论研究、技术开发和产品应用的诸多环节，为未来智能社会添砖加瓦。
　　
自然而然寻发展
　　近年来随着传感器对灵敏度、精确度、抗电磁干扰等要求的不断提升，光纤传感器因其独特的优势而备受青睐。光纤传感技术始于20世纪70年代，伴随着光纤技术和光通信技术快速进步而发展起来，它的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有领域和人们的日常生活，大至军事国防、航天航空、能源环保，小到一座桥梁的建设、一套电力系统的搭建，尤其可以安全有效地在恶劣条件下应用，满足了各行各业的市场需求。与此同时，传感器技术还是智能社会的关键技术之一，是将现实世界信息进行数字化的重要窗口，其技术和产业发展关乎当下，更决胜未来。
　　在光传感技术的这个领域内，刘庆文已经奋斗了10余年。他表示，“在这条轨迹上没有太多的犹豫和徘徊，一切都比较自然地发生了”。刘庆文从小就对科学有着非常浓厚的兴趣。小学一年级入学时，妈妈给他做过一件白色上衣，上面用红丝线绣出的“爱科学”三个字，至今仍然印在他的脑海里。2001年，他考入天津大学电子科学与技术专业光电子方向，那时候的他想法很简单，就是觉得“光学是一门既与生活息息相关又奥妙无穷的学科”。在完成本科阶段的学习后，他以专业第一的成绩保送本校读研，进行飞秒激光技术的研究，之后获日本文部科学省奖学金前往日本东京大学攻读博士学位，正式与光传感技术研究接轨。2013年，他加入上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，继续从事光传感技术的研究。
　　“在国外，我主要开展了光纤光栅传感器技术的研究。回国后，这一方向的研究作为我工作的一部分也得到了进一步的发展。”刘庆文表示，考虑到地球内部结构非常复杂，缺少有效的观测手段是地震预报难的原因，也是长期以来限制地震科学研究发展的主要因素。在自然科学基金委重大仪器专项、科技部重点研发计划等支持下，他作为技术骨干，协助国家特聘专家何祖源教授带领团队开发出一系列先进的探测技术，例如，基于光纤法布里—珀罗干涉仪的瞬态响应特征实现了对干涉仪谐振频率的精确比较，能够检测10-5℃，以及10-10的长度变化量，并且做到对多个传感器的同时检测。他们基于此技术还研制成功了超高分辨率光纤应变场检测仪样机，这种传感器尺寸小、灵敏度高、布设方便，为地壳应变场的观测提供了有力工具。
　　
为产业化市场把脉
　　虽然学术方面刘庆文取得了一定的成就，但是，他的视野并没有仅仅局限于单纯的理论、技术研究和样机制作，在他看来，科学研究发展最终需要聚焦在产业化落地上。而选择哪些成果转化、如何开展产学研合作，这一切都需要建立在了解市场的前提之上。
　　他认为，无论在具体任务攻关还是科研选题方面，密切关注产业化市场的需求是一大关键因素。“市场需求不等于研究热点，好的研究课题要引领热点而不是跟踪热点。”在刘庆文看来，工业生产中的技术难题背后一定有一个或多个没有得到解决的科学问题，可以作为研究课题，这代表着市场迫切的需要，也体现了科学研究课题的最终价值。因此，他带领团队秉承开展独立性和原创性研究的原则，去寻找工业生产、生活中技术难题的根本原因和矛盾所在，进而提出高效的解决方案。
　　从光纤传感的市场来讲，刘庆文指出，其总体很大但细分到每个传感器的市场往往都比较小，其中相对而言，占比重较大的两个市场分别是光纤光栅型传感器和分布式传感器。前者是一种点式传感器，每一枚传感器可以检测一个位置处的信息，采用合适的探测技术就可以实现极高的灵敏度和分辨率，在土木工程、极端环境等领域得到了较为广泛的应用。后者则是利用通信光纤中的后向散射现象，能够检测数十公里光纤上任意位置处的环境温度、应变和振动等信息。同时，这种分布式传感能力是光纤传感器所特有的，在油田测井、资源勘探、输油气管线、铁路安防等领域有着迫切的刚需。“以油田测井为例，油井下的温度超过200℃，压力超过200大气压，而且腐蚀性很强，电子传感器在这种环境下很快就会失效，而光纤传感器却可以正常工作几十年，是唯一可在井下固定布设的传感器。”其中，光纤的分布式温度和应变传感技术已经实现产业化推广应用，但基于光纤的分布式声波传感器目前只有Silixa等几家国外公司拥有较为成熟的产品，但这些公司只提供服务而不销售产品，这就意味着在分布式声波传感器应用的各行各业，国家或企业需承担高昂的服务费用，还必须接受产品禁运的形势。
　　为了打破长此以往受制于人的局面，针对当前需求最为迫切的分布式声波传感器技术，刘庆文团队提出了新型的反射仪方案和信号处理技术，不仅提高了测量的距离和灵敏度，还利用信号处理技术攻克了相干衰落噪声问题，彻底解决了分布式声波传感器在可靠性方面的不足，使其达到了产业推广应用的要求。
　　
打通产业化最后一环
　　技术的研发代表着第一步的成功，产品的研制和产业化推广还有很长的路要走。“这和搞科研不同，科研只要有一项技术指标很优秀就可以发表出论文，而形成产品时不仅要比已有技术有突出优势，而且不能有任何的明显缺陷，这对技术方案提出了苛刻的要求。”刘庆文说道。
　　回顾这些年的研究，刘庆文说，光纤光栅传感器技术研究和分布式传感技术研究及其产业化是并驾齐驱的存在。其中分布式传感技术及其产业化，同样是他多年来产学研密切结合的体现。
　　“我们最有意思的成果是‘时间门控光频域反射仪’技术，最早是技术驱动，后来变成了需求牵引。”他进一步解释说，那是他加入上海交通大学不久，为首批招收的硕士生所设计的课题方案。这个方案综合了已有的光时域反射仪、光频域反射仪和光相干域反射仪3种类型光反射仪的部分特性。起初，刘庆文发现这种新设计的反射仪在光纤链路的损耗检测中有一些优势但并不是很突出，然而，深入的分析发现，这种技术用在分布式声波传感（Distributed Acoustic Sensor, DAS）领域具有很大应用潜力，由于这种反射仪结构采用宽带线性调谐的探测脉冲，能够同时实现高空间分辨率与高信噪比，解决了传统DAS系统中的固有难题，于是最初的技术驱动变成了需求牵引，刘庆文团队围绕分布式声波传感器的需求继续开展研究，通过对脉冲进行精密调制与灵活的解调和信号处理方案，先后又攻克DAS的频响范围、灵敏度和可靠性等关键技术难题，为分布式光纤声音传感技术的工程应用打开了广阔前景。
　　“我一直很关注技术的产业化应用，因此分布式声波传感技术开发成功之后，就开始安排学生进行样机的设计开发。此时，在石油行业有多年经验、非常看好光纤声波传感器技术应用前景的梁其林先生，正好慕名来访，对我们的技术指标非常感兴趣。”在这期间，适逢学校一系列支持产学研合作的新政策出台，明确和细化了在校老师进行产业合作的手续和流程，这让刘庆文明显感受到国家、学校和社会各方面对知识产权的重视以及对产学研合作的支持，这让他更加有把握将产业化进行到底，让技术真正融入市场。
　　在各方的支持下，代表学校从事科技成果转化的上海交大知识产权管理有限公司、刘庆文研究团队和产业界的梁其林先生团队，共同成立了朴牛（上海）科技有限公司，专注于DAS技术的孵化和产品的研发，时至今日已开发完成HiFi-DAS系列高性能分布式声波传感器产品。据刘庆文介绍，该产品在同样空间分辨率与测量距离下，其信噪比相较传统的Φ-OTDR技术提升100倍之多，能实时获取数十至数百公里光纤附近的振动信息，在油气管线泄漏监控、围栏入侵检测等领域的验证实验取得圆满成功，预计2019年度的销售额能达到3000万元。
　　“我们团队推出的DAS产品，主要优势是综合性能非常优异，不仅空间分辨率等参数指标达到同类产品的最高水平，而且在以往DAS产品最大的局限——可靠性上，表现非常优异。”刘庆文在产品性能方面表现出十足的自信心，并作出了未来3年内产品销售额将实现破亿的预测目标。
　　
迎难、应需而上
　　这份自信是几十年磨砺的结果，也是对自身付出的肯定。不过，最初在开发HiFi-DAS技术及产品过程中，刘庆文也一度为相干衰落噪声带来的可靠性问题所困扰。他说，光纤中的瑞利散射天然具有随机性，在高相干探测光脉冲照射时，某些随机位置处的瑞利散射信号相干相消，变得极其微弱而无法准确测量其相位，严重影响了分布式声波传感系统的可靠性。他长期地思考这个问题，最终利用瑞利散射对探测光频率敏感这一特征，提出了脉冲内分频—旋转相位累加方案，既使瑞利信号的强度变得平坦，又完整保留了振动引起光相位信息。也正是这个问题的高效解决，补上了分布式声波传感技术的最后一块短板。
　　刘庆文乐在其中，他表示像这样的波折哪怕在未来科研道路上是也可以预见的，他时刻在为思考做准备，不仅是学术方面的问题，还包含对哲学、社会和自己生活的反思。
　　对于未来的发展，刘庆文表示，研究课题有很自由和广泛的选择空间，但从中筛选出自己感兴趣、科学内涵丰富、技术上有突破路径的课题并不容易。一方面，他希望促进已有的应用技术更好地服务社会，例如，在分布式声波传感技术基础上，团队开发出超视距精密形状传感技术，能够对数米到数公里长的管道、铁轨等物体的弯曲变形进行实时检测，位移检测精度可达亚毫米。“下一步，我们将结合分布式声波传感技术和形状传感技术，以及已比较成熟的分布式应变和温度传感技术，开发高性能多参量分布式光纤传感系统，只需要一根光纤即可精确检测多种物理参量的空间与时间分布信息。”另一方面，他将继续开拓新的研究方向，尤其是对基于光纤的生物医学成像技术具有浓厚的兴趣，希望能够利用光纤传感领域的技术提高检测深度和成像精度，这是一个有着巨大的研究与应用价值的领域。
　　“随着工作年限的增长，学生指导、学术交流、项目管理、产学研合作等活动也越来越多，时间总是感觉不够用，加班成了常态。”但即便如此，刘庆文仍会尽到家庭的责任，只要不出差，就会抽出时间陪家人在校园漫步或者外出活动，平衡生活与工作的时间，以便蓄力迎接下一个挑战。科
　　
专家简介：　　
　　刘庆文，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室特别研究员。东京大学博士。从事光传感与激光技术研究，致力于用原创性技术解决科学研究与工业生产中的技术难题，尤其在超高精度光纤光栅应变传感器技术和分布式光纤声波传感器方面颇有建树。已发表学术论文120余篇，国内外获授权发明专利10项，朴牛（上海）科技有限公司联合创始人。曾获亚太光纤传感国际会议优秀论文奖、东京大学GCOE优秀论文奖，指导的学生在2017年光纤传感国际大会（OFS25）上获OSA最佳学生论文奖。