王學(xué)鋒 | 為“光”奮斗，追“光”而行

20世紀70年代以來，光纖傳感測量技術(shù)隨著光纖通信技術(shù)革命迅速發(fā)展，如今已經(jīng)在交通安全、能源環(huán)保、航天航空、生物等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為國內(nèi)外方興未艾的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

▲王學(xué)鋒

在北京航天控制儀器研究所研究員、北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任王學(xué)鋒看來，光纖傳感技術(shù)正處于發(fā)展的黃金時代。“十四五”期間，國家重點研發(fā)計劃新設(shè)了智能傳感器重點專項，對光纖類智能傳感器技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用都會給予前所未有的支持。當前，尤其在面向深空、深海、深地等中國特色的重大工程和重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，傳感器產(chǎn)品正趨向體積小、重量輕、低功耗、智能化，這也對光纖傳感技術(shù)提出了更高的要求。

“這些年來，咱們國家的科技發(fā)展非?？欤@意味著像光纖傳感這樣的新技術(shù)會得到更多的機會。需求牽引是技術(shù)發(fā)展的動力，科研成果只放在實驗室是沒有用的，只有把它變成真正好用的技術(shù)和產(chǎn)品，才能產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效益?！蓖鯇W(xué)鋒說。

十年磨一劍，蓄勢新起點

2018年2月2日15時51分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征二號”丁運載火箭成功將“張衡一號”01星發(fā)射升空。這是我國首顆觀測與地震活動相關(guān)電磁信息的衛(wèi)星，也是我國地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星。

“在天上測量地球磁場這件事，我國比國外起步晚。”王學(xué)鋒說。地球磁場是地球生命千萬年所處的環(huán)境；磁場則是對人類健康、安全和工作能力具有明顯影響的環(huán)境因素。地震臨震時的地磁場變化對地震預(yù)報具有重要作用；地磁暴時，近地軌道航天器軌道衰減增大，空間中電子和離子的數(shù)量及能量增加，引起航天器表面和內(nèi)部的充電效應(yīng)，危害航天器安全?？梢哉f，在國土安全、礦藏及能源勘測、地球環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，磁場的精確測量都具有十分重要的意義。這也是我國研發(fā)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的重要原因?！啊畯埡庖惶枴?1星搭載的磁場校準裝置是國外的耦合暗態(tài)磁力儀（CDSM）。在后續(xù)02星論證時，希望國內(nèi)有單位能夠研制高性能的原子磁力儀?！彼a充道。

中國航天科技集團公司量子工程研究中心對相干布居囚禁（CPT）原子磁力儀的探索，從2012年就開始了。到2017年參加競標時，已經(jīng)在實驗室形成了實驗裝置，這也成為他們競標成功的底氣。

據(jù)介紹，星載高精度磁強計系統(tǒng)一般由矢量磁通門磁力儀和高精度標量原子磁力儀共同組成。矢量磁通門磁力儀可以實現(xiàn)磁場三分量的測量，但由于零位、正交度存在長期漂移等問題，需要高精度標量磁力儀對其總場進行校準。標量原子磁力儀具有長期絕對精度高、靈敏度高等特點，但只能測量地磁場的標量，無法獲得磁場三分量。簡單來說，就是前者方向性好但精度低，后者精度高但無法獲得方向，恰好互補，可以通過數(shù)據(jù)融合去完成地磁場或行星磁場的高精度測繪任務(wù)。王學(xué)鋒團隊對比了幾種主要的磁力儀，他們發(fā)現(xiàn)作為較成熟的原子磁力儀，質(zhì)子磁力儀具有準確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但輸出速率比較慢；超導(dǎo)量子干涉磁力儀絕對精度高，但是體積較大，功耗較高，適合地面應(yīng)用；光泵原子磁力儀存在盲區(qū)，為實現(xiàn)全球觀測，在軌應(yīng)用時一般須采用多探頭組合方式消除測量盲區(qū)，但如此一來，體積和重量都會大幅度增加，整體可靠性也降低了。相比之下，他們更看好CPT原子磁力儀，因為它具有體積小、準確度高尤其是長期工作的準確度高、無方向盲區(qū)和采樣率高等特點，在空間磁測量領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。

▲王學(xué)鋒團隊項目獲國家獎時合影

嚴格來說，王學(xué)鋒團隊的成果全稱是“高精度自主全向CPT原子磁力儀”，其關(guān)鍵表現(xiàn)在“高精度”和“自主全向”上?！斑@里面更重要的概念其實是‘全向’，因為目前在磁測量衛(wèi)星上大量使用的光泵原子磁力儀存在盲區(qū)，單個光泵原子磁力儀難以實現(xiàn)全向測量。”王學(xué)鋒說。他表示，CPT原子磁力儀在理論上具有全向能力，而他和團隊的研發(fā)將之提升到“自主全向”層面。

以耦合暗態(tài)磁力儀（CDSM）為例，它需要由輔助的磁通門磁力儀給出磁場方向，然后判斷磁場方向與磁力儀光軸是更接近平行還是垂直，從而確定CDSM選擇使用何種模式工作。但是當平行模式和垂直模式之間需要切換時，CDSM的輸出像是“突然跳了一個臺階”。而在自主全向模式下，CPT原子磁力儀則不會出現(xiàn)這種問題?！八軌蜃约簭膬?nèi)部根據(jù)測量信號判斷磁場方向更接近哪種模式，并自動調(diào)節(jié)。只有在完全垂直或完全平行的狀態(tài)下，它才會只呈現(xiàn)一種信號處理方式，大多數(shù)時候，它的兩種模式是同時工作的。這樣一來，當磁場方向與磁力儀光軸呈任意角度時，CPT原子磁力儀都穩(wěn)定連續(xù)地測量?！蓖鯇W(xué)鋒解釋道。

而在“高精度”問題上，王學(xué)鋒團隊面對的是兩個重要指標——準確度和靈敏度。這兩個指標要如何理解？王學(xué)鋒用了一個簡單的例子?！凹僭O(shè)你正在打靶，靶心在11環(huán)，你打到了正中心，那就是準確。假設(shè)你打了10次，最終都打在靠近中心位置，說明離散程度比較?。蝗绻械目恐虚g，有的靠外環(huán)，說明離散程度也就是隨機誤差比較大。磁力儀靈敏度實際上表達的是單位帶寬內(nèi)的噪聲大小。”根據(jù)任務(wù)需求，王學(xué)鋒團隊需要使得靈敏度達到20pT/Hz1/2，準確度達到0.3nT?！白詈?，我們把靈敏度做到了10pT/Hz1/2以下，準確度做到了0.14nT?！彼a充道。

CPT原子磁力儀的準確度是以質(zhì)子磁力儀為標準進行參數(shù)對比確定的。質(zhì)子磁力儀具有準確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，被公認為是原子磁力儀家族中比較成熟的一員。“最早期，我們的差距還是挺大的，遇到了很多棘手的問題。”說到這里，王學(xué)鋒很是感慨。以他們頗為自豪的“自主全向”來說，在理論上實現(xiàn)看似簡單，但真正使用時會發(fā)現(xiàn)容易遭受外部信號干擾?！鞍匆?，需要CPT原子磁力儀在15Hz內(nèi)滿足要求，這意味著整個頻譜應(yīng)該比較平坦。但我們要兼顧自主全向，就會對外界干擾信號更敏感，有些信號很容易通過頻率轉(zhuǎn)換落到這個范圍之內(nèi)，從而產(chǎn)生干擾?！?/p>

這個問題困擾了王學(xué)鋒團隊很久，甚至一度懷疑是不是難以解決了。不過，團隊沒有過多陷在這種情緒里，在他看來，航天人要干好一件事，遭遇挑戰(zhàn)也很正常，攻關(guān)沒有捷徑，遇到問題想辦法解決就是了。在航天精神的鼓舞下，他們不懈努力，最終實現(xiàn)了兩全其美的優(yōu)化方案。

原子氣室也是令王學(xué)鋒團隊頭疼的問題。原子氣室的性能是影響CPT原子磁力儀靈敏度的重要因素。根據(jù)介紹，降低噪聲或提高靈敏度需要增加原子的弛豫時間、提高信號的信噪比。信噪比受到磁共振信號線寬和參與磁共振原子數(shù)的影響，因此需要選取合適的光源參數(shù)以減小磁共振信號線寬，通過給氣室加熱以增加參與磁共振的原子數(shù)。另外，通過差分探測可抑制光路其他噪聲。為了增加原子的弛豫時間，需要在氣室內(nèi)加入緩沖氣體減小原子之間及原子和內(nèi)壁的碰撞概率。王學(xué)鋒強調(diào)了“加熱”的影響，他表示，加熱后會有更多的堿金屬銣原子處于氣體狀態(tài)，以提高靈敏度；但是不加熱時，已經(jīng)是氣態(tài)的銣原子會有一部分重新變成固態(tài)，均勻地散落在原子氣室的玻璃內(nèi)壁上，從而使本來對光波透過性較好的“窗口”變得不那么通透了，光信號通過時會被減弱，CPT原子磁力儀的靈敏度也會降低。

“還有一點很重要，我們要對銣原子進行定量控制。”王學(xué)鋒說。所謂定量化控制，最直觀的理解就是到底要往原子氣室中充入多少銣原子。銣原子會和玻璃發(fā)生物理反應(yīng)及化學(xué)反應(yīng)。有些銣原子會“鉆”到玻璃里去，這時，必須知道玻璃到底會消耗多少銣原子。不然，銣原子數(shù)量太少，可能被玻璃消耗殆盡；數(shù)量太多，又容易附著在玻璃表面。這兩種極端情況都會使CPT原子磁力儀性能降低，從而影響整個磁探測系統(tǒng)的性能甚至工作壽命?！凹偃缥覀兊男l(wèi)星的總壽命是9年，那我們就要去計算工作溫度下，銣原子數(shù)量在這9年中的變化。要考慮的東西很多，也要做大量工作去解決?！闭f到這里，王學(xué)鋒神采奕奕，“早期我們購買別人的原子氣室，現(xiàn)在都是自己研制了！”

▲植入式光纖傳感測量項目驗收時王學(xué)鋒（左二）給專家講解

正如王學(xué)鋒所說，他們在原子磁力儀國產(chǎn)化的道路上越走越穩(wěn)，相關(guān)性能已經(jīng)逐漸邁向國際前沿。2022年，“高精度全向CPT原子磁力儀關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得中國儀器儀表學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎一等獎。為了使CPT原子磁力儀能夠更好地適應(yīng)環(huán)境，他們提出了一種判斷CPT原子磁力儀是否失鎖并重新鎖定的方法，“也就是失鎖自鎖定”。王學(xué)鋒至今還記得這項成果最早進行演示時，用戶發(fā)現(xiàn)這項功能后非常驚喜地告訴他們CDSM上都沒有這項功能。

十年磨一劍，但在王學(xué)鋒心里，這十年只是推著他站到了一個新的起點上。他表示，環(huán)境條件下的誤差機理和抑制方法研究、原子氣室性能研究、標定測試方法和精度研究等都需要進一步提高。而由于輕小型化是宇航等很多應(yīng)用對載荷的普遍要求，未來，他和團隊也將在發(fā)展輕小型原子磁力儀上蓄勢攻關(guān)，做出自己的貢獻。

腳踏實地，追“光”而戰(zhàn)

“從我個人來說，我的研究方向主要包括原子磁力儀、光纖傳感等，它們屬于光學(xué)精密測量，主要是為航天領(lǐng)域服務(wù)的?！蓖鯇W(xué)鋒說。

▲王學(xué)鋒主持精密光機電研討會

2002年，王學(xué)鋒從中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所獲得博士學(xué)位后，成為北京航天控制儀器研究所的一員。彼時，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專家王巍院士正在開展光纖陀螺技術(shù)研究，王學(xué)鋒也有幸在他的指導(dǎo)下投身這一工作中。

“我們在光纖陀螺研究過程中積累了一定的經(jīng)驗，再做其他傳感器時，這就是我們的技術(shù)優(yōu)勢?！蓖鯇W(xué)鋒表示，他們的研究主要還是圍繞航天應(yīng)用展開的，其中的代表性工作之一就是“先進航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統(tǒng)”。

“植入式光纖測量”要做的是什么？王學(xué)鋒嘗試以民用為起點進行科普?！肮饫w傳感在民用上主要測量溫度和應(yīng)變，再以此為基礎(chǔ)進行反演獲得其他被測物理量?！北热缭跇蛄骸⒋髩蔚冉ㄖ镏踩雮鞲衅鳒y量應(yīng)力變化，以判斷它們受力狀態(tài)及是否仍在一個比較可靠的范圍內(nèi)工作?！耙驗橹皇欠旁阡摻罨炷晾镞?，這時對傳感器的體積要求沒那么嚴格。但如果是放到航天復(fù)合材料里，就會要求既要細小輕便，又不能影響整個結(jié)構(gòu)的強度?！边@種擔心不無道理，傳統(tǒng)電傳感器使用的導(dǎo)線中包裹著銅絲，不容易發(fā)生斷裂，但光纖不行。普通通信光纖的直徑一般不超過250微米，其中石英部分一般不過125微米，而在航天特殊應(yīng)用領(lǐng)域，光纖直徑會更細?！笆⒅睆娇赡苤挥?0微米，甚至更細。這是什么概念呢，人的一根頭發(fā)絲直徑大概70微米。這種光纖的粗細跟頭發(fā)絲相當。光纖越細，可能會越脆弱，進行植入式測量時也可能要面對層出不窮的狀況。”誠如其言，在“先進航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統(tǒng)”項目中，王學(xué)鋒和團隊要集中解決光纖光柵傳感器高精度小型化和啁啾抑制、高可靠性、高速測量中激光器掃描波長的精確控制、空間輻照環(huán)境下光纖光柵傳感器輸出隨輻照總劑量漂移等一系列問題。從2010年前后開始攻關(guān)，到2021年進行驗收，王學(xué)鋒團隊腳踏實地地走出了一條自主創(chuàng)新之路，尤其多通道解調(diào)儀測量頻率、抗輻照能力、傳感器小型化等指標更是被認為達到國際高水平。

“最后我們將80多個光纖傳感器植入復(fù)合材料內(nèi)部，一個都沒壞?！边@個結(jié)果甚至令項目評審專家不太相信?！白詈鬀]壞，是因為最初壞的不少了，我們一直在想辦法去尋根究底找原因，反復(fù)改進設(shè)計并做試驗驗證，直到傳感器植入后都能可靠工作?！?/p>

在團隊的共同努力下，他們突破了航天飛行器用植入式高性能光纖光柵測量系統(tǒng)技術(shù)，研制了系列產(chǎn)品，實現(xiàn)了在多個航天飛行器上的應(yīng)用，取得了顯著的成果?！跋冗M航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統(tǒng)”也被授予2021年度中國計量測試學(xué)會科技進步獎一等獎?！澳軌颢@得榮譽，首先是對整個團隊工作的獎勵。這是大家一起努力出來的結(jié)果，少了誰的貢獻，這個工作都是不完整的?！彼\懇地強調(diào)著。

言傳身教，在傳承中成長

從武漢測繪科技大學(xué)（后合并重組至武漢大學(xué)）畢業(yè)后，王學(xué)鋒進入中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（簡稱“上海光機所”）攻讀碩士學(xué)位，在這里，他遇到了導(dǎo)師王向朝研究員。

▲王學(xué)鋒作為陸元九青年創(chuàng)新獎獲獎代表發(fā)言

彼時，王向朝研究員剛剛通過中國科學(xué)院百人計劃從日本回國，一直從事精密光學(xué)測量領(lǐng)域的研究工作?！袄蠋煂ぷ饕蠛芨?，但又是一個性格特別好的人?！痹谕鯇W(xué)鋒的回憶中，剛開始碩博連讀時，他還不知道該如何寫好一篇英文學(xué)術(shù)論文，導(dǎo)師就逐字逐句地幫他修改，連標點都不放過?！拔沂撬貒蟮牡谝粋€學(xué)生，他的理念就是精益求精。我們一起申報國家自然科學(xué)基金項目，對中文項目書的撰寫，他也是字斟句酌。在他的教導(dǎo)下，我逐漸想方設(shè)法把事情做得更嚴謹。”

至今，王學(xué)鋒都記得自己做的第一個實驗工作。“王老師說他在日本期間就有這個想法，但當時那邊的學(xué)生沒能實現(xiàn)，就想著讓我試試看?！蹦嵌螘r間，他在實驗室里放了一張行軍床，“安營扎寨”將近一個月，終于在一個凌晨做出了結(jié)果?！傲璩?點多，實驗室就我一個人，到6點左右，我才忍不住給老師打電話匯報實驗結(jié)果，我終于做出來了?！?/p>

“這使我得到了一個經(jīng)驗，只要付出足夠多的努力，不輕易放棄，總能夠找到突破口。我們后來做原子磁力儀等研究時就是這樣，無論遇到多難的問題，只要不斷探討、反復(fù)摸索，就能出現(xiàn)一些小的改變，而這種小改變往往能提振我們的信心，這很重要?！蓖鯇W(xué)鋒感受到一種精神的傳承，而這種傳承感在他來到北京航天控制儀器研究所時變得愈發(fā)強烈。

剛到北京航天控制儀器研究所時，王學(xué)鋒略有迷茫。“但王巍院士對我們每個人都很上心，把因崗設(shè)人和因人設(shè)崗結(jié)合起來，幫我們找準自己的位置，充分發(fā)揮每個人的潛力。我們要做什么，遇到了什么困難，需要什么建議，需要怎樣的配合……他都會盡可能為我們提供指導(dǎo)和幫助?！边@令王學(xué)鋒很快振奮起來，投入新的工作中。在他心目中，王巍院士更像是他的人生導(dǎo)師，不僅在工作方面為他提供指導(dǎo)，還會從為人處世、管理工作等多個方面給他指導(dǎo)。與此同時，在為團隊拓展光纖傳感、原子磁力儀、光纖激光等新方向時，王巍院士的戰(zhàn)略眼光和創(chuàng)新魄力也令他敬佩不已。

王學(xué)鋒曾是北京航天控制儀器研究所副所長，負責研發(fā)管理和研發(fā)創(chuàng)新。近年來，他最大的感受就是我國在光纖傳感研究上已經(jīng)躋身國際高水平行列?！皣饽茏龅?，我們都能做。尤其隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，技術(shù)成果的應(yīng)用機會很多。國家有需求，市場有需求，對我們來說是第一位的。我們會立足需求開展研發(fā)創(chuàng)新，拓寬研究方向，落實成果應(yīng)用，培養(yǎng)儲備人才，建設(shè)專業(yè)隊伍?！?/p>

對于未來，王學(xué)鋒認為不必設(shè)限，要朝“不斷超越，實現(xiàn)引領(lǐng)”的方向勇于攀登?！拔覀冏龊教鞈?yīng)用，要有航天人的精神——特別能吃苦，特別能攻關(guān)，特別能奉獻，特別能奮斗。用王巍院士的話說，每一個人都得變成一個發(fā)動機，要能自己驅(qū)動自己前進，還得能帶動別人前進?！比f水千山，征途漫漫，王學(xué)鋒愿意化身為這樣的“發(fā)動機”，做鍥而不舍的趕路人。

專家簡介

王學(xué)鋒，北京航天控制儀器研究所研究員、北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任、中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心主任。2002年于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所光學(xué)工程專業(yè)獲博士學(xué)位。擔任中國光學(xué)工程學(xué)會常務(wù)理事、中國儀器儀表學(xué)會理事、《導(dǎo)航與控制》主編、《先進儀器與器件》（Advanced Devices & Instrumentations）副主編等職。發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利40余項。曾獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2項（排名1、2）、中國儀器儀表學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎一等獎（排名1）、中國計量測試學(xué)會科技進步獎一等獎（排名1）、國防科技進步獎二等獎（排名1）、中國航天基金獎等多項獎勵。