光纤传感器：独具优势的地震监测手段
| 汶川8.0级大地震造成的巨大人员伤亡及财产损失，让地震预测重新成为科学界乃至整个社会关注的热点。 在5月19日紧急召开的“四川汶川特大地震发生机理及后续灾情科学分析”的香山科学会议上，许多学者都提出对地震进行“群测群防”的工作；同时应使用多学科综合前期预警整体思维预测地震的方法，比如使用次声波、地应力、地电脉冲、大地微动等预测地震，提高地震的预测水平。 “由于具有长距离遥测、耐恶劣环境（可耐500℃以上高温）、灵敏度高、易于联网等突出优点。光纤传感器可能是目前最好的地震监测手段，一旦在地震带附近建立起永久的可以监测地震的光纤传感器网络，就可以及时地监测地下的异常情况，对可能发生的地震发出预警，最大可能地避免人员伤亡和财产损失。”长期从事光纤传感器研究的电子科技大学通讯学院院长饶云江教授说。 蓬勃发展的光纤传感器研究 现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，因此传感器、通信和计算机技术成为信息技术的三大支柱。光导纤维的发明问世，是世界科技史上的一项重大成果，在信息领域引起了一系列现代科学技术革命，其最大的成功应用之一就是光纤通信和光纤传感。 近年来，传感器朝着微型化、数字化、智能化、网络化的方向发展，在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员备受青睐。光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可比拟的优势。 饶云江说，光纤传感器可埋入温度高达250℃以上的地层深处，因此可测量距离达数百公里。可用于检测地震波、地质板块内部应力、温度、位移和倾斜、地下流体压力、地下磁场等地下物理量的动态变化。 正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的测量问题，故自从它问世以来，就被广泛地用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、航空航天、地质和岩土工程等各个领域。 应用于地震监测已具技术基础 在国家杰出青年科学基金、国家自然科学重点基金和国家自然科学基金面上项目的支持下，饶云江带领他的课题组在光纤传感器领域进行了广泛而深入的研究，解决了诸多重点和难点问题，他们的研究成果为把光纤传感器应用于地震监测领域打下了坚实的基础。 据饶云江介绍，在光纤多参数传感的研究方面，随着科学技术的发展，在许多重要场合中，需要同时测量两个或两个以上参数的变化。例如，智能材料与结构健康监测中的应变、振动与温度同时测量，地震中地质板块内部应力、温度、位移和倾斜以及振动、地下流体压力、地下磁场等地下物理量；石油、天然气开采中的压力、温度与流量同时测量等。因而应用复合光纤传感器实现多参数的同时，测量技术不仅是光纤传感领域也是传感器大领域中一个十分重要、具有挑战性的科学研究课题。 为了解决这个问题，饶云江课题组首次在国际上提出了系列光纤多参数传感方法，应用集成式传感器实现多种参数同时测量的新方法。 此外，还将集成式光纤传感器应用于国防和大型桥梁的健康监测之中。目前，该类传感器已成功应用于重庆市5座大桥的安全实时监测，该类光纤传感在土木工程结构中应用所取得的经验对于开展地震监测是非常有帮助的。 卓越的组网能力是新一代光纤传感器的特征之一，针对这个挑战，饶云江课题组在国际上首次提出基于复用方法的大容量光纤传感器网络，通过将传统的光纤传感器改造为腔长可达数毫米的传感器，再结合某些科学方法，建立具有复用1000个以上光纤传感器能力的网络，从而在国际上率先解决了传统光纤传感器复用能力差的瓶颈，为该类传感器的大规模应用奠定了技术基础。该类传感器目前正应用于输油（气）管道的健康安全监测。 该课题组还把超长距离光纤传感变为现实。超远距离遥测是新一代光纤传感器的另外一个特征，如何实现100公里以上的测量距离是光纤传感领域的又一个挑战。面对这个挑战，饶云江课题组又在国际上首次制备了具有250公里的超长距离测量能力的测量系统，而且该系统已作为光纤围栏在重要设施安全防护、反恐中得到实际应用，并可望在地震监测中获得重要应用。 另外，在微纳光纤传感技术研究方面，饶云江课题组也取得了重大突破。他们解决了常规电类传感器在耐恶劣环境能力方面存在的诸多问题。 饶云江课题组许多相关成果已成功用于监测桥梁的应力、位移、倾斜及振动，并已产业化，因此具有很好的基础。 面向重大基础设施的安全健康监测研究 “国家杰出青年科学基金、国家自然科学重点基金和面上项目的支持，为我们顺利开展以上具有国际先进水平的研究工作提供了保障。在这些项目支持下，通过依托国家‘211工程’和‘985工程’建成的先进科研平台，我们建设国际一流光纤传感技术研究中心的设想正在一步步变成现实。同时，也使我国在光纤传感领域的研究水平实现了跨越式提升：连续在第十七届和第十八届国际光纤传感大会上作特邀报告并成为国际光纤传感大会中国大陆唯一的TPC（事务处理性能委员会）成员。” 饶云江补充说：“各种基金项目对提高我国在光纤传感领域的国际知名度也起到了很好的促进作用，比如我们主办了第一届纤维光学发展现状与未来趋势国际研讨会、第五届国际光纤通信与网络会议和第二届纤维光学发展现状与未来趋势国际研讨会，都取得了很好的学术交流效果。” 对于现状，饶云江并没有满足。他指出，我国在光纤传感器领域还需加强原创性研究，提出更多的新概念、新原理和新方法，以期进一步提升我国在光纤传感领域的国际地位；另一方面就要满足国民经济和国家安全的重大需求，研制出若干具有自主知识产权的光纤传感器和系统，在实际当中获得应用。 饶云江强调：“我们要面向我国重大基础设施安全健康监测的重大需求，以解决地震监测预报以及国家大动脉、国家能源基础设施、工业节能减排、航空航天飞行器和发动机等的安全监测问题为突破口，通过系统深入地开展新一代光纤传感器网络和关键器件的基础研究工作，在解决大容量光纤传感器单元多路复用与组网及超长距离光纤传感网络的关键科学问题方面和实现新一代光纤传感器关键器件方面取得重要突破，为我国首先建立新一代光纤传感器体系和解决光纤传感器大规模应用的重大科学问题奠定基础。这些目标的实现依然离不开国家自然科学基金的支持和引导。” 据悉，在汶川大地震发生后，饶云江在第一时间向基金委提出了“光纤地震多参数传感技术基础研究”重点项目的建议，他希望能够在国家自然科学基金的资助下，对光纤传感器应用于地震监测这一具有重要现实意义和历史意义的科学问题进行深入的研究。 |
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