安裝在橋梁上的光纖傳感器
汶川8.0級大地震造成的巨大人員傷亡及財產(chǎn)損失，讓地震預(yù)測重新成為科學(xué)界乃至整個社會關(guān)注的熱點。
在5月19日緊急召開的“四川汶川特大地震發(fā)生機理及后續(xù)災(zāi)情科學(xué)分析”的香山科學(xué)會議上，許多學(xué)者都提出對地震進行“群測群防”的工作；同時應(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。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)院院長饒云江教授說。
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、通信和計算機技術(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、聲場、折射率、加速度、電壓、氣體等各種參數(shù)進行精確測量，能夠適應(yīng)極端惡劣的環(huán)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(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(shù)百公里。可用于檢測地震波、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態(tài)變化。
正是由于光纖傳感器具有許多獨特優(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、機械、石油化工、航空航天、地質(zhì)和巖土工程等各個領(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)重點基金和國家自然科學(xué)基金面上項目的支持下，饒云江帶領(lǐng)他的課題組在光纖傳感器領(lǐng)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(yīng)用于地震監(jiān)測領(lǐng)域打下了堅實的基礎(chǔ)。
據(jù)饒云江介紹，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，需要同時測量兩個或兩個以上參數(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、振動與溫度同時測量，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、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(yīng)用復(fù)合光纖傳感器實現(xiàn)多參數(shù)的同時，測量技術(shù)不僅是光纖傳感領(lǐng)域也是傳感器大領(lǐng)域中一個十分重要、具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)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(shù)傳感方法，應(yīng)用集成式傳感器實現(xiàn)多種參數(shù)同時測量的新方法。
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座大橋的安全實時監(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，針對這個挑戰(zhàn)，饒云江課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。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(xiàn)100公里以上的測量距離是光纖傳感領(lǐng)域的又一個挑戰(zhàn)。面對這個挑戰(zhàn)，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(tǒng)，而且該系統(tǒng)已作為光纖圍欄在重要設(shè)施安全防護、反恐中得到實際應(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，饒云江課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。
饒云江課題組許多相關(guān)成果已成功用于監(jiān)測橋梁的應(yīng)力、位移、傾斜及振動，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(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。同時，也使我國在光纖傳感領(lǐng)域的研究水平實現(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。”
饒云江補充說：“各種基金項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，饒云江并沒有滿足。他指出，我國在光纖傳感器領(lǐng)域還需加強原創(chuàng)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(lǐng)域的國際地位；另一方面就要滿足國民經(jīng)濟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)，在實際當中獲得應(yīng)用。
饒云江強調(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)報以及國家大動脈、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)動機等的安全監(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)。這些目標的實現(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，饒云江在第一時間向基金委提出了“光纖地震多參數(shù)傳感技術(shù)基礎(chǔ)研究”重點項目的建議，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)實意義和歷史意義的科學(xué)問題進行深入的研究。
