王學(xué)鋒 | 為“光”奮斗，追“光”而行

20世紀(jì)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?！笆奈濉逼陂g，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃新設(shè)了智能傳感器重點(diǎn)專項(xiàng)，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(dāng)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?？?，這意味著像光纖傳感這樣的新技術(shù)會得到更多的機(jī)會。需求牽引是技術(shù)發(fā)展的動力，科研成果只放在實(shí)驗(yàn)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(jì)效益和社會效益?！蓖鯇W(xué)鋒說。

十年磨一劍，蓄勢新起點(diǎn)

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(yùn)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?！蓖鯇W(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(yàn)衛(wèi)星的重要原因?！啊畯埡庖惶枴?1星搭載的磁場校準(zhǔn)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(bǔ)充道。

中國航天科技集團(tuán)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(biāo)時，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室形成了實(shí)驗(yàn)裝置，這也成為他們競標(biāo)成功的底氣。

據(jù)介紹，星載高精度磁強(qiáng)計系統(tǒng)一般由矢量磁通門磁力儀和高精度標(biāo)量原子磁力儀共同組成。矢量磁通門磁力儀可以實(shí)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(biāo)量磁力儀對其總場進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)量原子磁力儀具有長期絕對精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，但只能測量地磁場的標(biāo)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(bǔ)，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(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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?yàn)樗哂畜w積小、準(zhǔn)確度高尤其是長期工作的準(zhǔn)確度高、無方向盲區(qū)和采樣率高等特點(diǎn)，在空間磁測量領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。

▲王學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目獲國家獎時合影

嚴(yán)格來說，王學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)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(shí)是‘全向’，因?yàn)槟壳霸诖艤y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(shí)現(xiàn)全向測量?！蓖鯇W(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(tuán)隊(duì)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(dāng)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(dāng)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(tuán)隊(duì)面對的是兩個重要指標(biāo)——準(zhǔn)確度和靈敏度。這兩個指標(biāo)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(zhǔn)確。假設(shè)你打了10次，最終都打在靠近中心位置，說明離散程度比較小；如果有的靠中間，有的靠外環(huán)，說明離散程度也就是隨機(jī)誤差比較大。磁力儀靈敏度實(shí)際上表達(dá)的是單位帶寬內(nèi)的噪聲大小?！备鶕?jù)任務(wù)需求，王學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)需要使得靈敏度達(dá)到20pT/Hz1/2，準(zhǔn)確度達(dá)到0.3nT?！白詈螅覀儼鸯`敏度做到了10pT/Hz1/2以下，準(zhǔn)確度做到了0.14nT?！彼a(bǔ)充道。

CPT原子磁力儀的準(zhǔn)確度是以質(zhì)子磁力儀為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)對比確定的。質(zhì)子磁力儀具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是原子磁力儀家族中比較成熟的一員?！白钤缙?，我們的差距還是挺大的，遇到了很多棘手的問題?！闭f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(shí)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。“按要求，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(tuán)隊(duì)很久，甚至一度懷疑是不是難以解決了。不過，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(diǎn)很重要，我們要對銣原子進(jìn)行定量控制?！蓖鯇W(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(xiàng)目驗(yàn)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(xiàng)成果最早進(jìn)行演示時，用戶發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)功能后非常驚喜地告訴他們CDSM上都沒有這項(xiàng)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(diǎn)上。他表示，環(huán)境條件下的誤差機(jī)理和抑制方法研究、原子氣室性能研究、標(biāo)定測試方法和精度研究等都需要進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(xiàn)。

腳踏實(shí)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(jī)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(jī)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(yàn)，再做其他傳感器時，這就是我們的技術(shù)優(yōu)勢。”王學(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(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(jìn)行反演獲得其他被測物理量。”比如在橋梁、大壩等建筑里植入傳感器測量應(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?yàn)橹皇欠旁阡摻罨炷晾镞叄@時對傳感器的體積要求沒那么嚴(yán)格。但如果是放到航天復(fù)合材料里，就會要求既要細(xì)小輕便，又不能影響整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度?！边@種擔(dān)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(xì)?！笆⒅睆娇赡苤挥?0微米，甚至更細(xì)。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(xì)跟頭發(fā)絲相當(dāng)。光纖越細(xì)，可能會越脆弱，進(jìn)行植入式測量時也可能要面對層出不窮的狀況?！闭\如其言，在“先進(jìn)航天飛行器用高性能植入式光纖測量系統(tǒng)”項(xiàng)目中，王學(xué)鋒和團(tuán)隊(duì)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(jìn)行驗(yàn)收，王學(xué)鋒團(tuán)隊(duì)腳踏實(shí)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(biāo)更是被認(rèn)為達(dá)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。”這個結(jié)果甚至令項(xiàng)目評審專家不太相信。“最后沒壞，是因?yàn)樽畛鯄牡牟簧倭?，我們一直在想辦法去尋根究底找原因，反復(fù)改進(jìn)設(shè)計并做試驗(yàn)驗(yàn)證，直到傳感器植入后都能可靠工作?！?/p>

在團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jìn)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(jìn)步獎一等獎?！澳軌颢@得榮譽(yù)，首先是對整個團(tuán)隊(duì)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(xiàn)，這個工作都是不完整的。”他誠懇地強(qiáng)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(jìn)入中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡稱“上海光機(jī)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(biāo)點(diǎn)都不放過。“我是他回國后的第一個學(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(xiàng)目，對中文項(xiàng)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(yán)謹(jǐn)?！?/p>

至今，王學(xué)鋒都記得自己做的第一個實(shí)驗(yàn)工作?！巴趵蠋熣f他在日本期間就有這個想法，但當(dāng)時那邊的學(xué)生沒能實(shí)現(xiàn)，就想著讓我試試看?！蹦嵌螘r間，他在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)多，實(shí)驗(yàn)室就我一個人，到6點(diǎn)左右，我才忍不住給老師打電話匯報實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我終于做出來了?！?/p>

“這使我得到了一個經(jīng)驗(yàn)，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。”王學(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(qiáng)烈。

剛到北京航天控制儀器研究所時，王學(xué)鋒略有迷茫?！暗跷≡菏繉ξ覀兠總€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(zhǔn)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。”這令王學(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(tuán)隊(duì)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(fù)責(zé)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。“國外能做的，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(jī)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(shí)成果應(yīng)用，培養(yǎng)儲備人才，建設(shè)專業(yè)隊(duì)伍?！?/p>

對于未來，王學(xué)鋒認(rèn)為不必設(shè)限，要朝“不斷超越，實(shí)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(xiàn)，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(jī)，要能自己驅(qū)動自己前進(jìn)，還得能帶動別人前進(jìn)?！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(jī)”，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(tuán)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(jī)械研究所光學(xué)工程專業(yè)獲博士學(xué)位。擔(dān)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(jìn)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(xiàng)。曾獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2項(xiàng)（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(jìn)步獎一等獎（排名1）、國防科技進(jìn)步獎二等獎（排名1）、中國航天基金獎等多項(xiàng)獎勵。