光纖傳感技術(shù)與通用航空

李大光

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息的獲得顯得越來(lái)越重要。傳感器正是感知、檢測(cè)、監(jiān)控和轉(zhuǎn)換信息的重要技術(shù)手段。光纖傳感器是繼光學(xué)、電子學(xué)為一體的新型傳感器。

光纖傳感技術(shù)是一種新型傳感技術(shù)，通過(guò)光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光和彈光效應(yīng)等，可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)等參量直接或間接地發(fā)生變化，因而，可將光纖作為敏感元件來(lái)探測(cè)各種物理量。

（一）光纖傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

光纖傳感技術(shù)始于1977年。1977年，世界第一只光纖傳感器在美國(guó)問(wèn)世，它被用來(lái)檢測(cè)美國(guó)與其他國(guó)家光網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、性能與噪音。美國(guó)也成為研究光纖傳感器起步最早、水平最高的國(guó)家。日本在20世紀(jì)80年代，制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”，計(jì)劃將光纖傳感器應(yīng)用到大型電廠。1990年后，東芝、日本電氣等15家公司與研究機(jī)構(gòu)，前后開(kāi)發(fā)出12款先進(jìn)的民用光纖傳感器。德國(guó)西門(mén)子、法國(guó)湯姆遜等企業(yè)，成為西歐國(guó)家積極參與相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的代表。

伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志。1995—2005年，國(guó)際光纖傳感技術(shù)發(fā)展已步入了商業(yè)化應(yīng)用階段，光纖傳感器已廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑及家用電器等領(lǐng)域。光纖傳感器及智能儀器儀表，因其易構(gòu)建高密度、大容量、高精度、高可靠性的傳感網(wǎng)絡(luò)，近年來(lái)又成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要支撐。如今，世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。

如今，代表光纖傳感技術(shù)發(fā)展方向的是光纖傳感智能化。目前，光纖傳感智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)各種功能的智能化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理于一體。智能化光纖傳感系統(tǒng)在許多新型應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，如智能材料、環(huán)境感知、聲發(fā)射檢測(cè)、石油測(cè)井等?；诠饫w傳感的智能材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境變化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，在汽車(chē)工業(yè)、航空航天、醫(yī)療、安防、體育及土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)代社會(huì)，光纖傳感技術(shù)以其優(yōu)秀特性在越來(lái)越多在國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域得到應(yīng)用。光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測(cè)遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測(cè)量或場(chǎng)的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。因此，光纖傳感技術(shù)一問(wèn)世就受到極大重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。

（二）光纖傳感器的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的傳感器不同，光纖優(yōu)良的物理、化學(xué)、機(jī)械以及傳輸性能，使光纖傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、測(cè)量帶寬很寬、檢測(cè)電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。

先進(jìn)的光纖傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可以測(cè)量的物理量已達(dá)70多種。它具有一下優(yōu)點(diǎn)：一是精度高，響應(yīng)速度快，線性特征范圍寬，使用的重復(fù)性好，檢測(cè)信號(hào)的信噪比高，由于現(xiàn)在光纖的量產(chǎn)化，價(jià)格低廉，可以廣泛使用。二是光纖是由電介質(zhì)材料石英制成，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，因此安全性、可靠性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)在電力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的環(huán)境條件下工作。一是抗腐蝕，抗污染能力強(qiáng)，可用于溫差較大的地方，時(shí)間老化特性?xún)?yōu)良，工作壽命長(zhǎng)。四是體積小，重量輕，容易安裝，對(duì)被測(cè)對(duì)象環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。五是光纖是無(wú)源器件，自身獨(dú)立性好，不會(huì)破壞被測(cè)量的狀態(tài)。六是測(cè)量對(duì)象廣泛。目前已有性能不同的多種測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、液面、核輻射等各種物理量、化學(xué)量、生物量等的光纖傳感器。七是便于多點(diǎn)復(fù)用，傳輸損耗小，適合于組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)智能化的遙測(cè)。

（三）光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用廣泛

傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件。光纖傳感器是近些年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來(lái)測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前，光纖傳感器已經(jīng)有100多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。

如今，傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)扮演著“感官”“神經(jīng)”和“大腦”，構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。光纖傳感器高靈敏度、耐高溫、可以抗電磁干擾、無(wú)電火花、高絕緣性、耐磨蝕、能在有毒的氣體和強(qiáng)輻射的現(xiàn)場(chǎng)工作，它的尺寸小，具有撓曲的隨意性。因此廣泛用于軍事、電力工程、機(jī)械制造、石油化工、交通運(yùn)輸、核工程、計(jì)量、醫(yī)學(xué)和生物工程等方面。

光纖傳感技術(shù)可以大量地應(yīng)用于通用航空領(lǐng)域，助推通用航空快速發(fā)展。其中，在通用航空領(lǐng)域發(fā)揮作用最明顯的就是光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

（一）光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

光纖陀螺是一種新型的全固態(tài)慣性?xún)x表，具有潛在精度高、可靠性好、抗沖擊振動(dòng)性能強(qiáng)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了很多單位的研究和生產(chǎn)。隨著光纖陀螺行業(yè)的快速發(fā)展，以光纖陀螺為核心慣性器件的光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也取得了突破性發(fā)展。

光纖陀螺儀原理在工程應(yīng)用方面，主要用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天器的姿態(tài)調(diào)整、衛(wèi)星定位和精密航天器等領(lǐng)域。現(xiàn)在光纖陀螺儀在慣性技術(shù)領(lǐng)域的地位已經(jīng)確立，逐漸發(fā)展成為慣性導(dǎo)航的主流儀表之一。我國(guó)也已經(jīng)將其列為慣性技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)之一。光纖陀螺儀原理上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來(lái)的定向儀器。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從20世紀(jì)70年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。到80年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀得到了非常迅速的發(fā)展，由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺儀原理在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。

光纖陀螺儀原理的特點(diǎn)在于基于光學(xué)干涉原理，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)形式，理論上具備輕小型、高精度、快啟動(dòng)、寬帶寬、長(zhǎng)期性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。在應(yīng)用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐沖擊；檢測(cè)靈敏度和分辨力高；動(dòng)態(tài)范圍極寬；壽命長(zhǎng)，信號(hào)穩(wěn)定可靠。光纖陀螺的發(fā)展是日新月異的。許多公司出于對(duì)其市場(chǎng)前景的看好，紛紛加入到研究開(kāi)發(fā)的行列中來(lái)。由于光纖陀螺儀原理在機(jī)動(dòng)載體和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用甚為理想，因此各國(guó)的軍方都投入了巨大的財(cái)力和精力。光纖陀螺儀經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民航機(jī)、無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈的定位和控制中。光纖陀螺目前正在替代激光陀螺用于導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，不久將向軍用和民用飛機(jī)中的激光陀螺發(fā)起挑戰(zhàn)。

（二）光纖傳感技術(shù)在通用航空領(lǐng)域大有可為

作為民用航空兩翼之一的通用航空，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是現(xiàn)代文明社會(huì)很重要的生產(chǎn)工具，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中起到了重要的積極作用。根據(jù)光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，光纖傳感技術(shù)在通用航空領(lǐng)域大有可為。

通用航空，是指使用民用航空器從事公共航空運(yùn)輸以外的民用航空活動(dòng)，是除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運(yùn)輸飛行以外的航空活動(dòng)，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、遙感測(cè)繪、教育訓(xùn)練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動(dòng)。通用航空業(yè)是以通用航空飛行活動(dòng)為核心，涵蓋通用航空器研發(fā)制造、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、綜合保障以及延伸服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)體系，具有產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)、服務(wù)領(lǐng)域廣、帶動(dòng)作用強(qiáng)等特點(diǎn)。

在通用航空領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于各類(lèi)傳感器的使用極其密集。而對(duì)它的靈敏度、體積和重量都有較高的要求。對(duì)于通用航空飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要的傳感器數(shù)量龐大，因此傳感器的尺寸、重量就變得尤為重要。尤其是當(dāng)先進(jìn)的無(wú)人飛行器在飛行的過(guò)程中，傳統(tǒng)傳感技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大氣數(shù)據(jù)這一需求。另外，通用航空飛行器在飛行期間都會(huì)受到極其嚴(yán)酷的飛行環(huán)境（包括高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等）的影響?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)電類(lèi)傳感器，很容易受環(huán)境因素的限制不能在極端的飛行環(huán)境下正常工作，這必然會(huì)影響飛行器的使用安全，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。而光纖傳感器，如光纖光柵傳感器則因其質(zhì)量輕、體積小、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，很大程度上可以克服環(huán)境因素的影響，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)飛行器結(jié)構(gòu)的各種參量，及時(shí)作出判斷，防止事故的發(fā)生。2010年，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）在一種改進(jìn)的捕食者B無(wú)人機(jī)飛行器翼表上，采用分布式光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)完整性。光纖光柵傳感技術(shù)在通用航空領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用將會(huì)對(duì)通用航空的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

隨著光纖技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖傳感技術(shù)在很多的領(lǐng)域得到應(yīng)用與發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)在光纖傳感技術(shù)研究方面雖然發(fā)展較快，但是繼續(xù)往前走的生命力必須要與產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來(lái)。其中，與通用航空產(chǎn)業(yè)結(jié)合是光纖傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向。

通用航空業(yè)是以通用航空飛行活動(dòng)為核心，涵蓋通用航空器研發(fā)制造、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)、綜合保障以及延伸服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)體系，具有產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)、服務(wù)領(lǐng)域廣、帶動(dòng)作用強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，通用航空是中國(guó)改革開(kāi)放40多年來(lái)唯一沒(méi)有開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)，正是因?yàn)榘l(fā)展滯后，通用航空的發(fā)展將有巨大的市場(chǎng)空間。研究發(fā)現(xiàn)，通用航空產(chǎn)業(yè)的投入產(chǎn)出比為1∶10，就業(yè)帶動(dòng)比為1∶12。未來(lái)20年，一批產(chǎn)值超過(guò)百億元甚至數(shù)百億元的通用航空產(chǎn)業(yè)集群將出現(xiàn)，航空工業(yè)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)1：10的投資拉動(dòng)效應(yīng)將逐步顯現(xiàn)，我國(guó)低空開(kāi)放后通航將有數(shù)萬(wàn)億元的市場(chǎng)有待開(kāi)發(fā)。隨著低空開(kāi)放，我國(guó)通航產(chǎn)業(yè)和低空經(jīng)濟(jì)將迎來(lái)“井噴”式的大發(fā)展。

通航發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)人均GDP突破6000美元，中等收入群體是支撐通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量，國(guó)民對(duì)通用航空的需求就開(kāi)始明顯爆發(fā)。截至2019年10月12日，我國(guó)共有頒證通用機(jī)場(chǎng)239座，首次超過(guò)同期運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)數(shù)量，同時(shí)根據(jù)各省區(qū)市發(fā)布的相關(guān)規(guī)劃，各地將規(guī)劃建設(shè)通用機(jī)場(chǎng)1100余座，通用航空發(fā)展呈現(xiàn)出嶄新局面。

截至2020年底，全國(guó)傳統(tǒng)通航企業(yè)增加到523家，基本實(shí)現(xiàn)地級(jí)以上城市擁有通用航空服務(wù)的運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)，涵蓋了應(yīng)急救援、高壓電網(wǎng)、油氣管道安全巡線、海上石油平臺(tái)、主要林區(qū)作業(yè)人員的公共出行等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前整個(gè)國(guó)家機(jī)隊(duì)規(guī)模達(dá)到2844架；實(shí)名登記無(wú)人機(jī)52.36萬(wàn)架，年飛行量達(dá)到159.4萬(wàn)小時(shí)；全國(guó)累計(jì)開(kāi)通低空旅游航線百余條，涉及5A級(jí)景點(diǎn)50余個(gè)，參與空中游覽和跳傘服務(wù)的游客分別達(dá)到75.6萬(wàn)人和13.2萬(wàn)人。

截止2020年3月31日，我國(guó)通用航空器數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了4164架，首次超過(guò)運(yùn)輸航空器數(shù)量，為民航通用航空和運(yùn)輸航空兩翼齊飛發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。按照目前我國(guó)人均GDP已超過(guò)10000美元來(lái)說(shuō)，國(guó)民對(duì)通用航空的需求應(yīng)該有一個(gè)明顯的爆發(fā)。然而綜合來(lái)看，我國(guó)通用航空業(yè)總體規(guī)模依然較小，未來(lái)通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要在以下三個(gè)方面蓄勢(shì)待發(fā)：

一是航空器的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售。主要包括通用飛機(jī)、直升機(jī)、動(dòng)力傘、滑翔傘、動(dòng)力三角翼、載人熱氣球和飛艇等航空器和浮空器的研發(fā)、制造與銷(xiāo)售活動(dòng)。

二是地面設(shè)施設(shè)備和場(chǎng)地等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通用航空業(yè)還包括保障通用航空器和浮空氣器安全正常飛行的地面設(shè)施設(shè)備和場(chǎng)地，如通用航空機(jī)場(chǎng)、通訊導(dǎo)航設(shè)施、飛行服務(wù)站等的運(yùn)營(yíng)管理，以及相關(guān)設(shè)施設(shè)備和工程研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與推廣等活動(dòng)。該類(lèi)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)目前在發(fā)達(dá)國(guó)家已成為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)簇群，在國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，并形成了較完善的產(chǎn)業(yè)法規(guī)政策體系。

三是通用航空服務(wù)業(yè)。目前，我國(guó)的通用航空服務(wù)業(yè)分為甲乙丙丁四類(lèi)活動(dòng)。其中，通用航空甲類(lèi)活動(dòng)主要包括：陸上石油服務(wù)、海上石油服務(wù)、直升機(jī)機(jī)外載荷飛行、人工降水、醫(yī)療救護(hù)、航空探礦、空中游覽、公務(wù)飛行、私用或商用飛行駕駛執(zhí)照培訓(xùn)、直升機(jī)引航作業(yè)、航空器代管服務(wù)、出租飛行、通用航空包機(jī)飛行等。通用航空乙類(lèi)活動(dòng)主要包括：航空探礦、航空攝影、海洋監(jiān)測(cè)、漁業(yè)飛行、城市消防、空中巡查、電力作業(yè)、跳傘飛行服務(wù)。通用航空丙類(lèi)活動(dòng)主要包括：私用駕駛員執(zhí)照培訓(xùn)、航空護(hù)林、航空噴灑（撒）、空中拍照、空中廣告、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象探測(cè)。通用航空丁類(lèi)活動(dòng)主要包括：使用具有標(biāo)準(zhǔn)適航證的載人自由氣球、飛艇開(kāi)展空中游覽；使用具有特殊適航證的航空器開(kāi)展航空表演飛行、個(gè)人娛樂(lè)飛行、運(yùn)動(dòng)駕駛員執(zhí)照培訓(xùn)、電力作業(yè)等經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目等。

隨著中國(guó)低空空域管理改革穩(wěn)步推進(jìn)，通用航空產(chǎn)業(yè)將借勢(shì)發(fā)力，成為繼汽車(chē)產(chǎn)業(yè)之后拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著航空港經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家低空空域管理改革的破冰，我國(guó)的通用航空將迎來(lái)快速發(fā)展的黃金時(shí)期，基于通用航空所產(chǎn)生的低空經(jīng)濟(jì)將在國(guó)內(nèi)已進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，成為推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的又一重要引擎。因此，光纖傳感技術(shù)必須要與通用航空產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，這樣光纖傳感技術(shù)才能得到更有效的需要牽引，才能促進(jìn)光纖傳感技術(shù)更好更快地發(fā)展。

（作者系國(guó)家低空經(jīng)濟(jì)融合創(chuàng)新中心特聘專(zhuān)家）