如何給飛在天上的衛星做「體檢」？我們有了新辦法！

天儀智造系列第二話丨光纖感測系統

哈嘍大家好，我是天儀小姐姐！這是我們的第二篇科普文：）

首先，我想跟大家分享一個好消息！天儀自主研製的「湘江新區號」 和「全圖通一號」兩顆衛星自1月19日在酒泉衛星發射中心發射成功後，已在我們頭頂繞地球轉了380圈啦！並且在經過前段時間緊鑼密鼓的在軌測試，判定兩顆衛星各項技術狀態一切正常後，天儀的飛控工程師們就已經開始陸續打開星上的其它設備和載荷，展開更多試驗和測試工作。

「光纖感測」載荷測試就是其中一項重要試驗內容。「光纖感測器」主要對衛星在軌運行參數進行測試、搜集，包括衛星運行過程中的溫度、變形、振動等等，這些數據可為衛星平台用戶提供空間飛行器「在軌狀態診斷」服務，並為客戶在載荷設計、科學試驗設計、試驗數據分析等方面提供更多的信息。

說到這項試驗工作得以順利進行，有一個不得不提到的合作夥伴，就是北京信息科技大學祝連慶教授帶領的光纖感測團隊。

他們自主研發的「光纖感測系統」是第一個進入測試階段的科學試驗載荷，目前，通過衛星S波段已經下載多軌光纖感測系統運行數據，並成功獲取了感測器光譜信息及中心波長信息，經分析處理所測各項數據正常，這標誌著北京信息科技大學光纖感測與系統研究團隊研製的「飛秒刻寫光纖光柵」和「全金屬化封裝光柵感測器」二項關鍵技術首次在太空中成功應用與驗證！後續天儀工程師還會與北信科科研人員開展多項測試工作，對光纖感測系統其它設計環節關鍵技術進行試驗和驗證。

北京信息科技大學「光電測試技術」實驗室帶頭人祝連慶教授表示，「此次試驗取得的數據和技術成果為光纖感測技術在大型衛星以及空間站的技術推廣和應用奠定了技術基礎。尤其是其獲取的科研數據，將為後續光纖感測在空間飛行器溫度、結構應變、振動監測等方面起到關鍵技術性的支撐。」

「什麼是空間飛行器在軌狀態診斷？」

「光纖感測系統又是個啥？」

「光纖感測系統都能做點啥？」

可能很多小夥伴看完上面業務層面描述會感到一頭霧水，甚至發出經典的「人生拷問」，但其實「光纖感測系統」可能就在我們身邊觸手可及的地方，甚至直接影響我們未來生活！

我們先說「空間飛行器在軌狀態診斷」。

所謂的「空間飛行器在軌狀態診斷」，其實就像是大夫通過「望、聞、問、切+各種的CT、B超」等等手段檢查我們身體狀況一樣，我們的工程師也要通過「光纖感測器」來分析衛星軌道環境及衛星本體的狀態情況，這些診斷信息一方面可用於來判斷衛星是否正常運行；另一方面，這些診斷數據還可以為載荷設計、科學試驗開展、科學數據分析提供有力支撐。而我們這顆衛星上的診斷信息測試採用的就是北京信息科技大學祝連慶教授帶領下的光纖感測團隊所研發的「光纖感測技術」。

那麼「光纖感測系統」又是個啥呢？說到這裡，我可能要先給大家交代一下「光纖」是什麼。

所謂「光纖」，其實就是一根直徑僅有125um的細玻璃纖維絲，大概與人的頭髮粗細相近，卻可以將「光波信息」約束在其中心直徑10um的纖芯穿行傳播。但你可千萬不要小瞧這根細小的光纖，畢竟一根光纖的通訊容量就可容納135億人同時通電話，我們日常高速下載大片、4K視頻通話、流暢打野「吃雞」，也無不得益於這條連接家家戶戶的信息高速公路——「光纖通信網」。

而「光纖感測」，顧名思義，就是一種利用「光纖」作為敏感元件實現參量檢測的一種 「新型感測檢測技術」。它是繼「光纖」革命性地改變了人們的「通訊方式」之後，又將「光纖」應用到了「檢測」領域中的一種新的應用方式。

如圖所見，「光纖感測系統」由光源、光纖感測器、光電探測器、傳導光纖及光耦合器等構成。但它的原理其實還挺複雜的，簡單講就是：「光源」發出的光信號經過「光耦合器」傳輸至「感測光纖」，光信號在感測區域受「待測參量」調製後反射回「光耦合器」，並經過「光耦合器」進入「光探測器」，反射回的信號中包含了待測量引起的調製信息，感測經解調處理可以獲得感測區域的環境信息。

那「光纖感測系統」能做些啥呢？

據粗略統計，目前被報道過的「光纖感測器」種類已不下百餘種，典型的如溫度、應力、應變、壓力、流量、聲場、振動、電流、成分、PH值、生物參量感測器等，由於光纖本身的特殊性，「光纖感測」在一些應用中表現出了較為突出的特點，甚至在一些應用領域表現出了不可替代的優勢。

比如，因為「光纖感測器」具有無源、本安（本質安全）特性，「光纖光柵感測檢測系統」 已經成為大型油氣儲罐上感溫火災檢測的國家標準指定產品，為我國大型國儲油庫安全運行保駕護航多年，為國家石油安全貢獻了巨大力量；

再如，「光纖感測信號」具有傳輸距離遠、多種參量敏感，且多參量光纖感測器可串聯使用，甚至惡劣環境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量等特點，使其在長距離隧道、大型橋樑、大型鋼結構等結構監測應用中優勢突出，而且因為信號的傳輸和採集系統較之傳統檢測技術得以大大簡化，節省了大量的材料、工程以及人員費用。

更神奇的是，在一部分科學家的眼中，它還是可能直接影響我們未來智能生活的一大技術前提。 尤其值得一提的就是近在眼前的「物聯網」。

因為物聯網獲得「信息」（各種環境參數）的主要手段就是「感測器」，「感測器」所採集信息的可靠性與準確性都會對控制節點處理和傳輸信息產生一定影響。

試想一下，光纖通訊網路已經遍布我們生活的角角落落，如果再附加具備了光纖感測功能，則相當於物聯網的最前端遍布可感知各個角落信息的觸角。開一下腦洞，你甚至可以想像，幾年以後，你對著家裡的牆說幾句話，牆內正幫你上網的光纖已經具備了聲音感測識別功能，都不需要你輸入地址，「機器人」就會根據「感測器」的指令，將美食速遞到你家，根本就不需要外賣小哥哥風裡雨里的跑啦！

當然，「光纖感測」還有一個重要的應用領域現在也要「藏不住」了，那就是航空航天技術領域。

眾所周知，航天技術的發展為我們探索宇宙更深遠空間打開了一扇窗的同時，也早被世界大國視為爭奪未來控制權主導權的重要事業。雖然目前我國航天技術發展已是突飛猛進日新月異，取得的成就也令世人矚目，但我們畢竟起步晚，在諸多方面仍與世界航天強國存在明顯差距，為了彌補差距爭取航天領域更大話語權，國家仍在不斷加大力度，發展航天及其配套相關技術。

而「光纖感測技術」，因其具有很多獨到特性，結合其在地面工程應用中的一些經驗，可以預見的是「光纖感測技術」在太空應用也會有很多優勢，很有可能成為一種極具優勢的航天器結構及環境條件檢測技術，為航天技術發展保駕護航提供服務，並為地面工程的技術突破提供更多可能。

嗅覺敏銳的祝連慶教授早就注意到了這一點，並把光纖感測技術在航天領域的應用作為一個重點研究方向。

「雖然實驗室沒有多少航天技術背景，但在祝老師的字典里沒有什麼能做不能做，只有想做不想做，有沒有決心做。」北京信息科技大學「光電測試技術」實驗室負責該研究方向的孟凡勇老師回憶說。

很快，在祝連慶教授的努力下，北京信息科技大學建立了可以滿足抗輻照要求的飛秒純石英光纖光柵刻寫生產線，併購置了高低溫環境試驗箱，真空溫箱，振動平台等等，具備了基本的基礎硬體設施；同時，組建了由光學、機械、電子、軟體幾個學科骨幹老師為主的技術攻關小組。目前，實驗室已經具備了光纖感測系統的設計、製作、標定、測試、驗證等全部軟硬體條件。而且為了少走彎路，祝教授更是身體力行，沖在團隊最前面，積極推進與航天院所的多層次合作。

雖然一切工作在外人看來都超預期的順利，但祝連慶教授還是馬上意識到了一個非常嚴峻的問題——真實的「太空環境」，他說，「就算是產品研發出來了，沒有地方做試驗，產品再好得不到應用也是0分。」

你問我找個地方做試驗能有多難？

這麼說吧，之前也有相關科研人員開展了一些關於「光纖感測技術」應用於航天領域的探索性工作，但由於太空環境條件較為複雜，地面很難有效模擬，而真實的太空試驗又存在周期長、成本高等限制，導致在該方面的研究數據和成果一直處於「較為缺乏」的現狀，沒有太多數據可以借鑒。

說白了，「光纖感測技術」在航天領域的應用里要達到的基本目標就是，在體積、功耗、成本等約束下，設計出在真空、力熱、輻照、單粒子等太空環境下，可長期穩定可靠滿足測試指標要求的「光纖感測系統」。但由於應用環境條件的特殊性，需要在「光纖感測」原理選擇、器件選用、材料選取、結構設計、工藝控制、可靠性設計等諸多方面加以考慮，使每個環節都能經受太空環境條件的考驗。

真實的「太空環境」確實迫在眉睫。

「想在太空做試驗談何容易？傳統的解決方案幾乎都不可行。為此，祝老師也是想盡了辦法。」另一位負責該研究方向的閆光老師在講述最初找到天儀研究院的場景時，還是非常感慨那段時間的輾轉奔走，「我們是在與清華、北京信息科技大學、劍橋大學國際聯合實驗室的交流中開始認識並了解天儀研究院的，研究方向剛確立時，大家比較擔心雙方沒有合作基礎，但在具體接觸階段，卻感到了他們的務實、專業、高效，他們眼光放得很長遠，目標不僅是縮短衛星發射周期、降低客戶成本，還為提高為客戶服務質量方面做了很多工作，比如對衛星狀態診斷數據進行搜集即是其一。」

閆光老師介紹說，「天儀的希望通過大量數據的搜集，可以為以後的試驗用戶提更多的太空環境信息、衛星平台運行狀態信息，為客戶載荷設計、科學試驗設計、試驗數據分析提供更多的輔助。而我們團隊面向航天應用的光纖感測技術研究正是要做這樣的事情，也迫切需要這樣的平台對很多設計進行試驗和驗證，所以兩個團隊的合作一拍即和。」

2017年4月第一次正式溝通，到2018年1月19日衛星成功發射，到現在獲取的一切數據均顯示正常，中間遇到的故事已經記不清細節，也不記得熬了多少個通宵。值得慶幸的是，我們非常順暢的在一起完成了一件讓我們離各自理想都更進一步的事情。

當然，這次試驗只是「光纖」在太空的一個很小的開始，我們甚至並不能預料到它未來究竟能成為什麼，但至少它已經成功邁出了第一步，實現了從0到1的突破。而且也正因為這一小步取得的諸多共性技術，將會大大加快推進北京信息科技大學在該研究領域的進展，為下一步與國家級航天院所的合作奠定良好基礎，這不就是一件讓人無比欣慰甚至自豪的事情嗎？

成立2年，天儀研究院已經成功發射4顆衛星，2018年我們還計劃發射15顆衛星，為包括中科院、航天科技集團、清華大學等在內的十幾家科研院所、大學和商業企業提供科學實驗與技術驗證服務。未來，我們將繼續秉承「讓航天觸手可及」的願景，通過研發低成本微小衛星，將衛星應用到更多的商業領域，讓「商業航天」不僅是少數人的事。

好啦，今天的科普就到這裡啦！感謝大家的關注，我們下期再見！

如果你還有什麼想了解的關於衛星方面的問題，可以隨時來【留言】勾搭，如果你的問題被選中成為【下期選題】，我們還準備了意外驚喜送給你！另外，本期【評論】點贊最多的前6名小夥伴還將獲得天儀精心製作的【太空探索主題周曆】 一本+科學家T恤衫一件哦！畢竟春節了，小姐姐也開始任性了，大家周知！

推薦閱讀：