科學研究：

研究方向：

1、超高分辨率光纖傳感器：

光纖光柵、光纖Fabry-Perot干涉儀等光纖器件的光譜與其溫度和應變有關，通過光譜的精密檢測，可以實現(xiàn)對待測溫度、應變等參量信息的傳感。這類傳感器不僅尺寸小、重量輕、抗電磁干擾，而且測量精度可比電子傳感器高若干個數(shù)量級。本方向致力于研究新的光纖傳感器檢測原理和方案，實現(xiàn)對溫度、形變、壓力、加速度等參量的測量，提高測量的分辨率和準確度等關鍵性能。

2、分布式光纖傳感技術(shù)：

光波在光纖中傳輸時會產(chǎn)生極微弱的后向散射光，該后向散射光信號攜帶了光纖自身的溫度、應變等信息，分析其特征可以得到光纖沿線上任意位置處的溫度、應變分布狀態(tài)，此時光纖本身即為一個連續(xù)分布的傳感器。本方向重點開展光纖聲音/應變傳感技術(shù)，基于創(chuàng)新的時間門控光頻域反射儀（TGD-OFDR）技術(shù)，提高測量距離、空間分辨率、響應頻率、數(shù)據(jù)可靠性等性能，并研究其在油氣資源勘探等領域的應用。

3、激光雷達與三維成像：

激光雷達是一種非接觸式測量技術(shù)，測量精度高、量程遠、不受環(huán)境光限制，進一步結(jié)合光束偏轉(zhuǎn)（steering）或非掃描技術(shù)來獲取角度信息，即可得到物體的三維信息，在自動駕駛、工業(yè)自動化等領域具有極為重要的應用。本方向主要研究高精度直線測距技術(shù)，固態(tài)光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，非掃描式三維成像技術(shù)，光學相干層析（OCT）技術(shù)，以及三維圖形重建技術(shù)。

承擔科研項目情況：

資料更新中……

科研成果：

1、地球的聽診器——URS-350系列超高精度光纖應變場檢測儀

發(fā)明專利：

[1]劉慶文,何祖源,陳典. 基于分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)的振動傳感方法[P]. CN110375841A,2019-10-25.

[2]何祖源,劉慶文,陳典. 消除分布式光纖聲波系統(tǒng)中衰落噪聲的方法[P]. CN107990970B,2019-10-15.

[3]劉慶文,何祖源,王辰,陳典. 基于光纖的油氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)[P]. CN110285333A,2019-09-27.

[4]劉慶文,何祖源,趙雙祥. 高精度光纖光柵應變測量系統(tǒng)[P]. CN109752033A,2019-05-14.

[5]何祖源,劉慶文,陳嘉庚. 激光線寬壓縮方法及系統(tǒng)[P]. CN109286124A,2019-01-29.

[6]劉慶文,何祖源,翟玉瑤. 無機械運動部件的激光雷達系統(tǒng)[P]. CN108983256A,2018-12-11.

[7]劉慶文,何祖源,趙雙祥. 光纖光柵溫度/應變傳感系統(tǒng)及其解調(diào)方法[P]. CN108120525A,2018-06-05.

[8]何祖源,劉慶文,陳典. 消除分布式光纖聲波系統(tǒng)中衰落噪聲的方法[P]. CN107990970A,2018-05-04.

[9]何祖源,劉慶文,陳典,樊昕昱. 分布式光纖傳感系統(tǒng)[P]. CN205981438U,2017-02-22.

[10]何祖源,劉慶文,陳典,樊昕昱. 可消衰落噪聲的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)[P]. CN205898286U,2017-01-18.

[11]何祖源,劉慶文,陳嘉庚,樊昕昱. 用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統(tǒng)[P]. CN205898164U,2017-01-18.

[12]何祖源,劉慶文,陳典,樊昕昱. 分布式光纖傳感系統(tǒng)及其振動檢測定位方法[P]. CN106092305A,2016-11-09.

[13]何祖源,劉慶文,陳典,樊昕昱. 可消衰落噪聲的分布式光纖振動傳感系統(tǒng)及其解調(diào)方法[P]. CN106052842A,2016-10-26.

[14]何祖源,劉慶文,陳嘉庚,樊昕昱. 用于溫度與應變同時測量的光纖光柵式傳感系統(tǒng)及方法[P]. CN105953825A,2016-09-21.

[15]杜江兵,何祖源,馬麟,張文甲,樊昕昱,劉慶文,陶冶夢. 基于循環(huán)回路的高靈敏度光纖電流傳感裝置[P]. CN205539130U,2016-08-31.

[16]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳典. 基于頻率合成的光頻域反射裝置[P]. CN205453695U,2016-08-10.

[17]杜江兵,何祖源,馬麟,張文甲,樊昕昱,劉慶文,陶冶夢. 基于循環(huán)回路的高靈敏度光纖電流傳感裝置[P]. CN105699732A,2016-06-22.

[18]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳嘉庚. 亞納應變級多點復用光纖光柵準靜態(tài)應變傳感系統(tǒng)[P]. CN205192442U,2016-04-27.

[19]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳典. 基于頻率合成的光頻域反射方法及系統(tǒng)[P]. CN105490738A,2016-04-13.

[20]何祖源,樊昕昱,劉慶文,杜江兵,馬麟,汪帥. 基于光頻域反射計的振動檢測裝置[P]. CN205120239U,2016-03-30.

[21]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳嘉庚. 亞納應變級多點復用光纖光柵準靜態(tài)應變傳感系統(tǒng)[P]. CN105352446A,2016-02-24.

[22]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳嘉庚. 光纖光柵應變傳感系統(tǒng)[P]. CN205037875U,2016-02-17.

[23]何祖源,劉慶文,樊昕昱,陳嘉庚. 光纖光柵應變傳感系統(tǒng)[P]. CN105136057A,2015-12-09.

[24]何祖源,劉慶文,樊昕昱,杜江兵,馬麟,陳嘉庚. 高精度光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)[P]. CN204855022U,2015-12-09.

[25]何祖源,樊昕昱,劉慶文,杜江兵,馬麟,汪帥. 基于光頻域反射計的振動檢測裝置及其方法[P]. CN105067103A,2015-11-18.

[26]何祖源,劉慶文,樊昕昱,杜江兵,馬麟,陳嘉庚. 高精度光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)[P]. CN105021310A,2015-11-04.

[27]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文. 布拉格光纖光柵應變傳感器的靈敏度增強解調(diào)裝置[P]. CN204064257U,2014-12-31.

[28]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文. 布拉格光纖光柵溫度傳感器[P]. CN204064506U,2014-12-31.

[29]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文,許聃. 超高速超大帶寬四波混頻連續(xù)線性掃頻激光源[P]. CN203932663U,2014-11-05.

[30]劉慶文,何祖源,樊昕昱,杜江兵,張朕. 基于非垂直式光纖光柵的高壓電場精確測量方法及裝置[P]. CN104049124A,2014-09-17.

[31]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文. 布拉格光纖光柵溫度傳感器及其靈敏度增強方法[P]. CN104034443A,2014-09-10.

[32]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文,許聃. 超高速超大帶寬四波混頻連續(xù)線性掃頻激光源[P]. CN104022435A,2014-09-03.

[33]何祖源,杜江兵,樊昕昱,劉慶文. 布拉格光纖光柵應變傳感器的靈敏度增強解調(diào)方法及裝置[P]. CN104019760A,2014-09-03.

[34]劉慶文,何祖源,樊昕昱,杜江兵,張朕. 基于支架式光纖光柵的高壓電場精確測量方法及裝置[P]. CN104020360A,2014-09-03.

論文專著：

出版專著：

資料更新中……

發(fā)表英文論文： 

1. Qingwen Liu, Zuyuan He, and Tomochika Tokunaga, " Sensing the Earth Crustal Deformation with Nano-Strain Resolution Fiber-Optic Sensors," Optics Express, Vol. 23, No. 11, pp. A428-A436, 2015

2. Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Time-Gated Digital Optical Frequency Domain Reflectometry with 1.6-m Spatial Resolution over Entire 110-km Range," Optics Express, Vol. 23, No. 20, pp. 25988-25995, 2015

3. Dian Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He. "Phase-Detection Distributed  Fiber-Optic Vibration Sensor without Fading-Noise Based on Time-Gated Digital OFDR." Optics Express, Vol. 25, No. 7, pp. 8315-8325, 2017

4. Dian Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He. "Distributed Fiber-Optic Acoustic Sensor with Enhanced Response Bandwidth and High Signal-to-Noise Ratio." Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 10, pp. 2037-2043, 2017

5. Qingwen Liu, Mengxin Wu, Jiageng Chen, and Zuyuan He. “Coherent Pound-Drever-Hall Technique for High Resolution Fiber-optic Sensors at Low Probe Power.”  IEEE Journal of Lightwave Technology, DOI: 10.1109/JLT.2017.2749335, 2017

6.  Zuyuan He, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Tomochika Tokunaga. “Ultrahigh Resolution Fiber Bragg Grating Sensors for Quasi-static Crustal Deformation Measurement.” IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 16, pp. 3334-3346, DOI: 10.1109/JLT.2016.2591724, 2017 (Tutorial Review)

7. Jiageng Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He. “Time-Domain Multiplexed High Resolution Fiber Optics Strain Sensor System Based on Temporal Response of Fiber Fabry-Perot Interferometers.” Optics Express, Vol. 27, No. 18, pp. 21914-21925, 2017

8. Xinyu Fan, Guangyao Yang, Shuai Wang, Qingwen Liu, Zuyuan He, “Distributed Fiber-Optic Vibration Sensing Based on Phase Extraction from Optical Reflectometry,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 16, pp. 3281-3288, Aug. 2017 (Invited Paper)

9. Jiageng Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, “High Resolution Simultaneous Measurement of Strain and Temperature Using  pi-Phase-Shifted FBG in Polarization Maintaining Fiber,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 22, pp. 4838-4844, Nov. 2017

10. Dian Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "High-fidelity Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor with Fading Noise Suppressed and Sub-meter Spatial Resolution," Optics Express, Vol. 26, No. 13, pp. 16138-16146, Jun. 2018

11. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Zuyuan He, "pε-Resolution fiber grating sensor with adjustable measurement range and ultralow probe power," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 31, No. 1, pp. 19-22, Jan. 2019 [PDF]

12. Jiageng Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "Feedforward laser linewidth narrowing scheme using acousto-optic frequency shifter and direct digital synthesizer," IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 37, No. 18, pp. 4657 - 4664, Sep. 2019

13. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Zuyuan He, "Pico-strain resolution multiplexed fiber grating sensor array interrogated with mode-locked laser," Journal of lightwave technology, Vol. 37, No. 18, pp. 4838 - 4843, Sep. 2019

14. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Zuyuan He, "Realization of sub-nano-strain static resolution with injection-locking between two fiber laser sensors," Journal of lightwave technology, Vol. 37, No. 13, pp. 3166-3172, Jul. 2019

15. Dian Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "108-km Distributed acoustic sensor with 220-pepsilon/radicHz strain resolution and 5-m spatial resolution," Journal of Lightwave Technology, Vol. 37, No. 18, pp. 4462 - 4468, Sep. 2019

16. Dian Chen, Qingwen Liu, Yifan Wang, He Li, and Zuyuan He, "Fiber-optic distributed acoustic sensor based on a chirped pulse and a non-matched filter," Optics Express, Vol. 27, No. 20, pp. 29415 - 29424, Sep. 2019

發(fā)表中文論文：

[1]王辰,劉慶文,陳典,李赫,梁文博,何祖源.基于分布式光纖聲波傳感的管道泄漏監(jiān)測[J].光學學報,2019,39(10):119-125.

[2]汪帥,王彬,劉慶文,杜江兵,樊昕昱,何祖源.超高空間分辨率光反射儀關鍵技術(shù)進展[J].光電工程,2018,45(09):45-55.

[3]何祖源,劉慶文,陳嘉庚.面向地殼形變觀測的超高分辨率光纖應變傳感系統(tǒng)[J].物理學報,2017,66(07):178-189.

發(fā)表英文會議論文：

1. Qingwen Liu, Dian Chen, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Optical Frequency Domain Reflectometry with Synthesized Frequency Sweeping Technique," 2016 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), IEEE, 2016

2. Bin Wang, Xinyu Fan, Qingwen Liu, Jiangbing Du, and Zuyuan He, " Spatial Resolution Enhancement in Optical Coherence Domain Reflectometry Using High-order FWM Process," Asia Communications and Photonics Conference, Optical Society of America, 2016

3. Dian Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Fading-noise-free Distributed Fiber-optic Vibration Sensor Based on Time-gated Digital OFDR," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

4. Jun Cao, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Research on FBG Packaging Technique for Ultrahigh Resolution Strain Sensing," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

5. Jin Chen, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Polarization Sensitive Optical Coherence Domain Reflectometry using Mode-locked Laser as Optical Source," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

6. Wang Shuai, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Ultra-High-Resolution OTDR based on Linear Optical Sampling with Digital Dispersion Compensation," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016

7. Bin Wang, Xinyu Fan, Qingwen Liu, Jiangbing Du, and Zuyuan He, " Long-range Millimeter-resolution OFDR Based on 100 GHz Linear Frequency-sweep of Optical Source by Injection-locking Technique and Cascaded FWM Process," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

8. Jiageng Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Fiber Optic Bending Sensor Based on Resonance Splitting of π-Phase-shifted FBG," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

9. Tianjiao Li, Qingwen Liu, Dian Chen, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Improving Spatial Resolution of Time-gated Digital Optical Frequency Domain Reflectometry using Diode Laser Sources," Asia-Pacific Optical Sensors Conference, Optical Society of America, 2016 

10. Bin Wang, Xinyu Fan, Guangyao Yang, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Millimeter-Resolution Long Range Optical Frequency Domain Reflectometry for Health Monitoring of Access Network," 42nd European Conference on Optical Communication (ECOC, Proceedings of. VDE), 2016 

11. Bin Wang, Xinyu Fan, Shuai Wang, Guangyao Yang, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Phase Noise Mitigation for Long-range OFDR using Ultrafast Frequency Sweep," OptoElectronics and Communications Conference (OECC) held jointly with 2016 International Conference on Photonics in Switching (PS), 2016 21st, IEEE, 2016

12.Guangyao Yang, Xinyu Fan, Bin Wang, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Polarization Fading Elimination in Phase Extracted OTDR for Distributed Fiber-Optic Vibration Sensing ," Proc. Optoelectronics and Communications Conference (OECC2016) , Niigata, Japan, Jul. 2016

13.Jiageng Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Simultaneous Measurement of Strain and Temperature Using pi-Phase-shifted Fiber Bragg Grating on Polarization Maintaining Fiber ," Proc. Optoelectronics and Communications Conference (OECC2016) , Niigata, Japan, Jul. 2016

14.Shuai Wang, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " High-Repetition-Rate Dynamic Polarization Mode Dispersion Characterization Based on Linear Optical Sampling ," CLEO2016 , San Jose, US, May. 2016

15.Jiageng Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " High Resolution Temperature and Strain Discrimination by Using π-phase-shifted Fiber Bragg Grating on Polarization Maintaining Fiber ," CLEO2016 , San Jose, US, May. 20162. Dian Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " Distributed Fiber Optic Vibration Sensor with Enhanced Response Bandwidth and High Signal-to-Noise Ratio," 25^th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, 2017

16. Bin Wang, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Increasing Effective Sensing Points of Brillouin Optical Correlation Domain Analysis Using Four-Wave-Mixing Process," 25^th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, 2017

17. Guangyao Yang, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Increasing the Frequency Response of Direct-Detection Phase-Sensitive OTDR by Using Frequency Division Multiplexing," 25^th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, 2017

18. Jiageng Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Multiplexed Sub-Nano Resolution Quasi-Static Strain Sensor Based on Transient Response of Fabry-Perot Interferometers," 25^th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, 2017

19. Mengxin Wu, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Zuyuan He, " Coherent Pound-Drever-Hall Technique for High Resolution Fiber Optic Strain Sensor at Very Low Light Power," 25^th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, 2017

20. Shuai Wang, Xinyu Fan, Qingwen Liu,  and Zuyuan He, " Hybrid Dual-comb Interferometer Using Electro-optic Comb and Free-running Femtosecond Laser," CLEO: Science and Innovations, Optical Society of America, 2017

21. Jiageng Chen, Qingwen Liu, Xinyu Fan, and Zuyuan He, " High Resolution Optical Fiber Sensor for Quasi-Static Strain Measurement by Strain-Temperature Discrimination," CLEO: Applications and Technology, Optical Society of America, 2017

22. Xiancheng Xia, Qingwen Liu, Dian Chen, Zuyuan He, “ Real-Time Data Processing Algorithm for Phase-Demodulation Distributed Fiber-optic Vibration Sensor with Signal-to-Noise Ratio over 30 dB,” International Conference on Optical Communications and Networks 2017 (ICOCN 2017), IEEE, Wuzhen (PRC), 2017

23. Ke Su, Xinyu Fan, Qingwen Liu, Zuyuan He, “ Multiplexed Fiber-optic Methane Sensor System with Auxiliary Weak Fiber Bragg Gratings Based on OTDR Measurement,” International Conference on Optical Communications and Networks 2017 (ICOCN 2017), IEEE, Wuzhen (PRC), 2017

24. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen, Zuyuan He, “ Pico-Strain Resolution Fiber Grating Sensor with Ultralow Probe Power and Tunable Sensitivity,” 2018 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018), JW2A.173, Optical Society of America, May. 2018

25. Yuyao Zhai, Qingwen Liu, He Li, Dian Chen and Zuyuan He, “ Non-Mechanical Beam-Steer Lidar System Based on Swept-Laser Source,” 2018 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018), JTh2A.187, Optical Society of America, San Jose (US), May. 2018

26. Dian Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "Fading-suppressed Distributed Fiber-optic Acoustic Sensor with 0.8-m Spatial Resolution and 246-p$epsilonsurd$Hz Strain Resolution," 26^th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-26), TuE93, Optical Society of America, Lausanne (Switzerland), Sep. 2018

27. Yuyao Zhai, Qingwen Liu, He Li, Dian Chen and Zuyuan He, "Non-mechanical Beam-steer Lidar System Based on Swept-laser Source," 26^th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-26), ThE48, Optical Society of America, Lausanne (Switzerland), Sep. 2018

28. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen and Zuyuan He, "Pico-strain Resolution Multiplexed Fiber Grating Sensor Array Using One Mode-locked Laser," 26^th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-26), Optical Society of America, Lausanne (Switzerland), Nov. 2018

29.Zuyuan He, Qingwen Liu, Xinyu Fan, Dian Chen, Shuai Wang, Guangyao Yang, " Fiber-optic distributed acoustic sensors (DAS) and applications in railway perimeter security ," Proc. SPIE. 10821, Advanced Sensor Systems and Applications VIII , Guilin, China, Oct. 2018

30.Mengshi Wu, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " Quasi-distributed Fiber-optic Acoustic Sensor using Ultra-weak Reflecting Point Array ," OFS , Laussane, Switzerland, Sep. 2018

31.Mengshi Wu, Xinyu Fan, Qingwen Liu, and Zuyuan He, " High performance distributed acoustic sensor based on ultra-weak FBG array ," 2018 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) , Houston, US, May 2018

32. Jiageng Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "High resolution π-phase-shifted fiber Bragg grating demodulator using frequency swept DFB laser," CLEO 2019, JW2A.101, May. 2019

33. Shuangxiang Zhao, Qingwen Liu, Jiageng Chen, and Zuyuan He, "Sub-nε static resolution fiber laser sensor," CLEO 2019, AF1K.2, San Jose (US), May. 2019, Oral

34. Dian Chen, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "Distributed fiber-optic acoustic sensor with long sensing range over 100 km and sub-nano strain resolution," 2019 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology, Auckland (NZ), May. 2019

35. Biaozhi Li, Qingwen Liu, and Zuyuan He, "Spectrum-depth analysis based on optical coherence tomography," OECC 2019, WC3-1, Fukuoka (JP), Jul. 2019, Oral

榮譽獎勵：

1、2012年獲亞太光纖傳感國際會議優(yōu)秀論文獎。

2、東京大學GCOE優(yōu)秀發(fā)表獎。

3、所指導學生在2017年光纖傳感國際大會（OFS25）上獲OSA最佳學生論文獎。

科學中國人報道：

光纖載動智能未來——記上海交通大學特別研究員劉慶文

一根頭發(fā)絲粗細的光纖能做什么？答案是不僅可以將光波低損耗傳送上千公里，還可以同步檢測光纖沿線的應變、溫度、振動、壓力等信息。光纖是光波的優(yōu)良載體，在推動光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展的同時，也帶來了光纖傳感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在航空航天航海、圍欄管線安防、油氣資源勘探等行業(yè)起到了無法替代的作用。
　　與光電子學結(jié)緣，上海交通大學特別研究員劉慶文至今已和激光、光纖傳感技術(shù)難解難分多年，在他看來，這項科學研究不僅是一種工作，也是一種樂趣，充滿著“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”的喜悅。他享受其中的充實和多彩，將每一次探索視作對研究魅力的發(fā)掘，與團隊一同面向“萬物感知”的光傳感器技術(shù)，志在貫穿理論研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品應用的諸多環(huán)節(jié)，為未來智能社會添磚加瓦。
　　自然而然尋發(fā)展
　　近年來隨著傳感器對靈敏度、精確度、抗電磁干擾等要求的不斷提升，光纖傳感器因其獨特的優(yōu)勢而備受青睞。光纖傳感技術(shù)始于20世紀70年代，伴隨著光纖技術(shù)和光通信技術(shù)快速進步而發(fā)展起來，它的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有領域和人們的日常生活，大至軍事國防、航天航空、能源環(huán)保，小到一座橋梁的建設、一套電力系統(tǒng)的搭建，尤其可以安全有效地在惡劣條件下應用，滿足了各行各業(yè)的市場需求。與此同時，傳感器技術(shù)還是智能社會的關鍵技術(shù)之一，是將現(xiàn)實世界信息進行數(shù)字化的重要窗口，其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展關乎當下，更決勝未來。
　　在光傳感技術(shù)的這個領域內(nèi)，劉慶文已經(jīng)奮斗了10余年。他表示，“在這條軌跡上沒有太多的猶豫和徘徊，一切都比較自然地發(fā)生了”。劉慶文從小就對科學有著非常濃厚的興趣。小學一年級入學時，媽媽給他做過一件白色上衣，上面用紅絲線繡出的“愛科學”三個字，至今仍然印在他的腦海里。2001年，他考入天津大學電子科學與技術(shù)專業(yè)光電子方向，那時候的他想法很簡單，就是覺得“光學是一門既與生活息息相關又奧妙無窮的學科”。在完成本科階段的學習后，他以專業(yè)第一的成績保送本校讀研，進行飛秒激光技術(shù)的研究，之后獲日本文部科學省獎學金前往日本東京大學攻讀博士學位，正式與光傳感技術(shù)研究接軌。2013年，他加入上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，繼續(xù)從事光傳感技術(shù)的研究。
　　“在國外，我主要開展了光纖光柵傳感器技術(shù)的研究。回國后，這一方向的研究作為我工作的一部分也得到了進一步的發(fā)展。”劉慶文表示，考慮到地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，缺少有效的觀測手段是地震預報難的原因，也是長期以來限制地震科學研究發(fā)展的主要因素。在自然科學基金委重大儀器專項、科技部重點研發(fā)計劃等支持下，他作為技術(shù)骨干，協(xié)助國家特聘專家何祖源教授帶領團隊開發(fā)出一系列先進的探測技術(shù)，例如，基于光纖法布里—珀羅干涉儀的瞬態(tài)響應特征實現(xiàn)了對干涉儀諧振頻率的精確比較，能夠檢測10-5℃，以及10-10的長度變化量，并且做到對多個傳感器的同時檢測。他們基于此技術(shù)還研制成功了超高分辨率光纖應變場檢測儀樣機，這種傳感器尺寸小、靈敏度高、布設方便，為地殼應變場的觀測提供了有力工具。
　　為產(chǎn)業(yè)化市場把脈
　　雖然學術(shù)方面劉慶文取得了一定的成就，但是，他的視野并沒有僅僅局限于單純的理論、技術(shù)研究和樣機制作，在他看來，科學研究發(fā)展最終需要聚焦在產(chǎn)業(yè)化落地上。而選擇哪些成果轉(zhuǎn)化、如何開展產(chǎn)學研合作，這一切都需要建立在了解市場的前提之上。
　　他認為，無論在具體任務攻關還是科研選題方面，密切關注產(chǎn)業(yè)化市場的需求是一大關鍵因素。“市場需求不等于研究熱點，好的研究課題要引領熱點而不是跟蹤熱點。”在劉慶文看來，工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)難題背后一定有一個或多個沒有得到解決的科學問題，可以作為研究課題，這代表著市場迫切的需要，也體現(xiàn)了科學研究課題的最終價值。因此，他帶領團隊秉承開展獨立性和原創(chuàng)性研究的原則，去尋找工業(yè)生產(chǎn)、生活中技術(shù)難題的根本原因和矛盾所在，進而提出高效的解決方案。
　　從光纖傳感的市場來講，劉慶文指出，其總體很大但細分到每個傳感器的市場往往都比較小，其中相對而言，占比重較大的兩個市場分別是光纖光柵型傳感器和分布式傳感器。前者是一種點式傳感器，每一枚傳感器可以檢測一個位置處的信息，采用合適的探測技術(shù)就可以實現(xiàn)極高的靈敏度和分辨率，在土木工程、極端環(huán)境等領域得到了較為廣泛的應用。后者則是利用通信光纖中的后向散射現(xiàn)象，能夠檢測數(shù)十公里光纖上任意位置處的環(huán)境溫度、應變和振動等信息。同時，這種分布式傳感能力是光纖傳感器所特有的，在油田測井、資源勘探、輸油氣管線、鐵路安防等領域有著迫切的剛需。“以油田測井為例，油井下的溫度超過200℃，壓力超過200大氣壓，而且腐蝕性很強，電子傳感器在這種環(huán)境下很快就會失效，而光纖傳感器卻可以正常工作幾十年，是唯一可在井下固定布設的傳感器。”其中，光纖的分布式溫度和應變傳感技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應用，但基于光纖的分布式聲波傳感器目前只有Silixa等幾家國外公司擁有較為成熟的產(chǎn)品，但這些公司只提供服務而不銷售產(chǎn)品，這就意味著在分布式聲波傳感器應用的各行各業(yè)，國家或企業(yè)需承擔高昂的服務費用，還必須接受產(chǎn)品禁運的形勢。
　　為了打破長此以往受制于人的局面，針對當前需求最為迫切的分布式聲波傳感器技術(shù)，劉慶文團隊提出了新型的反射儀方案和信號處理技術(shù)，不僅提高了測量的距離和靈敏度，還利用信號處理技術(shù)攻克了相干衰落噪聲問題，徹底解決了分布式聲波傳感器在可靠性方面的不足，使其達到了產(chǎn)業(yè)推廣應用的要求。
　　打通產(chǎn)業(yè)化最后一環(huán)
　　技術(shù)的研發(fā)代表著第一步的成功，產(chǎn)品的研制和產(chǎn)業(yè)化推廣還有很長的路要走。“這和搞科研不同，科研只要有一項技術(shù)指標很優(yōu)秀就可以發(fā)表出論文，而形成產(chǎn)品時不僅要比已有技術(shù)有突出優(yōu)勢，而且不能有任何的明顯缺陷，這對技術(shù)方案提出了苛刻的要求。”劉慶文說道。
　　回顧這些年的研究，劉慶文說，光纖光柵傳感器技術(shù)研究和分布式傳感技術(shù)研究及其產(chǎn)業(yè)化是并駕齊驅(qū)的存在。其中分布式傳感技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化，同樣是他多年來產(chǎn)學研密切結(jié)合的體現(xiàn)。
　　“我們最有意思的成果是‘時間門控光頻域反射儀’技術(shù)，最早是技術(shù)驅(qū)動，后來變成了需求牽引。”他進一步解釋說，那是他加入上海交通大學不久，為首批招收的碩士生所設計的課題方案。這個方案綜合了已有的光時域反射儀、光頻域反射儀和光相干域反射儀3種類型光反射儀的部分特性。起初，劉慶文發(fā)現(xiàn)這種新設計的反射儀在光纖鏈路的損耗檢測中有一些優(yōu)勢但并不是很突出，然而，深入的分析發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)用在分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensor, DAS）領域具有很大應用潛力，由于這種反射儀結(jié)構(gòu)采用寬帶線性調(diào)諧的探測脈沖，能夠同時實現(xiàn)高空間分辨率與高信噪比，解決了傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)中的固有難題，于是最初的技術(shù)驅(qū)動變成了需求牽引，劉慶文團隊圍繞分布式聲波傳感器的需求繼續(xù)開展研究，通過對脈沖進行精密調(diào)制與靈活的解調(diào)和信號處理方案，先后又攻克DAS的頻響范圍、靈敏度和可靠性等關鍵技術(shù)難題，為分布式光纖聲音傳感技術(shù)的工程應用打開了廣闊前景。
　　“我一直很關注技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用，因此分布式聲波傳感技術(shù)開發(fā)成功之后，就開始安排學生進行樣機的設計開發(fā)。此時，在石油行業(yè)有多年經(jīng)驗、非常看好光纖聲波傳感器技術(shù)應用前景的梁其林先生，正好慕名來訪，對我們的技術(shù)指標非常感興趣。”在這期間，適逢學校一系列支持產(chǎn)學研合作的新政策出臺，明確和細化了在校老師進行產(chǎn)業(yè)合作的手續(xù)和流程，這讓劉慶文明顯感受到國家、學校和社會各方面對知識產(chǎn)權(quán)的重視以及對產(chǎn)學研合作的支持，這讓他更加有把握將產(chǎn)業(yè)化進行到底，讓技術(shù)真正融入市場。
　　在各方的支持下，代表學校從事科技成果轉(zhuǎn)化的上海交大知識產(chǎn)權(quán)管理有限公司、劉慶文研究團隊和產(chǎn)業(yè)界的梁其林先生團隊，共同成立了樸牛（上海）科技有限公司，專注于DAS技術(shù)的孵化和產(chǎn)品的研發(fā)，時至今日已開發(fā)完成HiFi-DAS系列高性能分布式聲波傳感器產(chǎn)品。據(jù)劉慶文介紹，該產(chǎn)品在同樣空間分辨率與測量距離下，其信噪比相較傳統(tǒng)的Φ-OTDR技術(shù)提升100倍之多，能實時獲取數(shù)十至數(shù)百公里光纖附近的振動信息，在油氣管線泄漏監(jiān)控、圍欄入侵檢測等領域的驗證實驗取得圓滿成功，預計2019年度的銷售額能達到3000萬元。
　　“我們團隊推出的DAS產(chǎn)品，主要優(yōu)勢是綜合性能非常優(yōu)異，不僅空間分辨率等參數(shù)指標達到同類產(chǎn)品的最高水平，而且在以往DAS產(chǎn)品最大的局限——可靠性上，表現(xiàn)非常優(yōu)異。”劉慶文在產(chǎn)品性能方面表現(xiàn)出十足的自信心，并作出了未來3年內(nèi)產(chǎn)品銷售額將實現(xiàn)破億的預測目標。
　　迎難、應需而上
　　這份自信是幾十年磨礪的結(jié)果，也是對自身付出的肯定。不過，最初在開發(fā)HiFi-DAS技術(shù)及產(chǎn)品過程中，劉慶文也一度為相干衰落噪聲帶來的可靠性問題所困擾。他說，光纖中的瑞利散射天然具有隨機性，在高相干探測光脈沖照射時，某些隨機位置處的瑞利散射信號相干相消，變得極其微弱而無法準確測量其相位，嚴重影響了分布式聲波傳感系統(tǒng)的可靠性。他長期地思考這個問題，最終利用瑞利散射對探測光頻率敏感這一特征，提出了脈沖內(nèi)分頻—旋轉(zhuǎn)相位累加方案，既使瑞利信號的強度變得平坦，又完整保留了振動引起光相位信息。也正是這個問題的高效解決，補上了分布式聲波傳感技術(shù)的最后一塊短板。
　　劉慶文樂在其中，他表示像這樣的波折哪怕在未來科研道路上是也可以預見的，他時刻在為思考做準備，不僅是學術(shù)方面的問題，還包含對哲學、社會和自己生活的反思。
　　對于未來的發(fā)展，劉慶文表示，研究課題有很自由和廣泛的選擇空間，但從中篩選出自己感興趣、科學內(nèi)涵豐富、技術(shù)上有突破路徑的課題并不容易。一方面，他希望促進已有的應用技術(shù)更好地服務社會，例如，在分布式聲波傳感技術(shù)基礎上，團隊開發(fā)出超視距精密形狀傳感技術(shù)，能夠?qū)��?shù)米到數(shù)公里長的管道、鐵軌等物體的彎曲變形進行實時檢測，位移檢測精度可達亞毫米。“下一步，我們將結(jié)合分布式聲波傳感技術(shù)和形狀傳感技術(shù)，以及已比較成熟的分布式應變和溫度傳感技術(shù)，開發(fā)高性能多參量分布式光纖傳感系統(tǒng)，只需要一根光纖即可精確檢測多種物理參量的空間與時間分布信息。”另一方面，他將繼續(xù)開拓新的研究方向，尤其是對基于光纖的生物醫(yī)學成像技術(shù)具有濃厚的興趣，希望能夠利用光纖傳感領域的技術(shù)提高檢測深度和成像精度，這是一個有著巨大的研究與應用價值的領域。
　　“隨著工作年限的增長，學生指導、學術(shù)交流、項目管理、產(chǎn)學研合作等活動也越來越多，時間總是感覺不夠用，加班成了常態(tài)。”但即便如此，劉慶文仍會盡到家庭的責任，只要不出差，就會抽出時間陪家人在校園漫步或者外出活動，平衡生活與工作的時間，以便蓄力迎接下一個挑戰(zhàn)。
　　專家簡介：　　
　　劉慶文，上海交通大學區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室特別研究員。東京大學博士。從事光傳感與激光技術(shù)研究，致力于用原創(chuàng)性技術(shù)解決科學研究與工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)難題，尤其在超高精度光纖光柵應變傳感器技術(shù)和分布式光纖聲波傳感器方面頗有建樹。已發(fā)表學術(shù)論文120余篇，國內(nèi)外獲授權(quán)發(fā)明專利10項，樸牛（上海）科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人。曾獲亞太光纖傳感國際會議優(yōu)秀論文獎、東京大學GCOE優(yōu)秀論文獎，指導的學生在2017年光纖傳感國際大會（OFS25）上獲OSA最佳學生論文獎。

     來源：科學中國人 2019年15期