光纤传感技术与通用航空

李大光

随着现代科学技术的发展，信息的获得显得越来越重要。传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器。

光纤传感技术是一种新型传感技术，通过光的反射、折射和吸收效应，光学多普勒效应、声光、电光、磁光和弹光效应等，可使光波的振幅、相位、偏振态和波长等參量直接或间接地发生变化，因而，可将光纤作为敏感元件来探测各种物理量。

（一）光纤传感技术发展现状

光纤传感技术始于1977年。1977年，世界第一只光纤传感器在美国问世，它被用来检测美国与其他国家光网络的状态、性能与噪音。美国也成为研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家。日本在20世纪80年代，制定了“光控系统应用计划”，计划将光纤传感器应用到大型电厂。1990年后，东芝、日本电气等15家公司与研究机构，前后开发出12款先进的民用光纤传感器。德国西门子、法国汤姆逊等企业，成为西欧国家积极参与相关产品研发和市场竞争的代表。

伴随光纤通信技术的发展，光纤传感技术得到迅速发展，已经成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。1995—2005年，国际光纤传感技术发展已步入了商业化应用阶段，光纤传感器已广泛应用于国防军工、航空航天、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑及家用电器等领域。光纤传感器及智能仪器仪表，因其易构建高密度、大容量、高精度、高可靠性的传感网络，近年来又成为物联网技术发展的重要支撑。如今，世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

如今，代表光纤传感技术发展方向的是光纤传感智能化。目前，光纤传感智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智能化，实现信号获取、存储、传输、处理于一体。智能化光纤传感系统在许多新型应用领域受到广泛关注，如智能材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，在汽车工业、航空航天、医疗、安防、体育及土木工程等领域有着广泛的应用。

现代社会，光纤传感技术以其优秀特性在越来越多在国计民生领域得到应用。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

（二）光纤传感器的特点

与传统的传感器不同，光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能，使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，并可以构成传感网络。

先进的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量的物理量已达70多种。它具有一下优点：一是精度高，响应速度快，线性特征范围宽，使用的重复性好，检测信号的信噪比高，由于现在光纤的量产化，价格低廉，可以广泛使用。二是光纤是由电介质材料石英制成，传输的是光信号，因此安全性、可靠性好，抗电磁干扰能力强，能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。一是抗腐蚀，抗污染能力强，可用于温差较大的地方，时间老化特性优良，工作寿命长。四是体积小，重量轻，容易安装，对被测对象环境适应能力强。五是光纤是无源器件，自身独立性好，不会破坏被测量的状态。六是测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。七是便于多点复用，传输损耗小，适合于组成测量网络，实现多点实时智能化的遥测。

（三）光纤传感器技术应用广泛

传感器是信息采集系统的首要部件。光纤传感器是近些年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前，光纤传感器已经有100多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

如今，传感器技术与通信技术、计算机技术扮演着“感官”“神经”和“大脑”，构成了现代信息产业的三大支柱。光纤传感器高灵敏度、耐高温、可以抗电磁干扰、无电火花、高绝缘性、耐磨蚀、能在有毒的气体和强辐射的现场工作，它的尺寸小，具有挠曲的随意性。因此广泛用于军事、电力工程、机械制造、石油化工、交通运输、核工程、计量、医学和生物工程等方面。

光纤传感技术可以大量地应用于通用航空领域，助推通用航空快速发展。其中，在通用航空领域发挥作用最明显的就是光纤陀螺及惯性导航系统。

（一）光纤陀螺及惯性导航系统

光纤陀螺是一种新型的全固态惯性仪表，具有潜在精度高、可靠性好、抗冲击振动性能强、无运动部件等优点，近年来得到了很多单位的研究和生产。随着光纤陀螺行业的快速发展，以光纤陀螺为核心惯性器件的光纤惯性导航系统也取得了突破性发展。

光纤陀螺仪原理在工程应用方面，主要用于战术导弹制导、航天器的姿态调整、卫星定位和精密航天器等领域。现在光纤陀螺仪在惯性技术领域的地位已经确立，逐渐发展成为惯性导航的主流仪表之一。我国也已经将其列为惯性技术领域的重点技术之一。光纤陀螺仪原理上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从20世纪70年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。到80年代以后，现代光纤陀螺仪得到了非常迅速的发展，由于光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、工作可靠等优点，所以目前光纤陀螺仪原理在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

光纤陀螺仪原理的特点在于基于光学干涉原理，具有全固态结构形式，理论上具备轻小型、高精度、快启动、宽带宽、长期性能稳定等特点。在应用过程中，结构稳定，耐冲击；检测灵敏度和分辨力高；动态范围极宽；寿命长，信号稳定可靠。光纤陀螺的发展是日新月异的。许多公司出于对其市场前景的看好，纷纷加入到研究开发的行列中来。由于光纤陀螺仪原理在机动载体和军事领域的应用甚为理想，因此各国的军方都投入了巨大的財力和精力。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用于民航机、无人机、导弹的定位和控制中。光纤陀螺目前正在替代激光陀螺用于导弹的惯性导航系统，不久将向军用和民用飞机中的激光陀螺发起挑战。

（二）光纤传感技术在通用航空领域大有可为

作为民用航空两翼之一的通用航空，是国民经济高度发展的产物，也是现代文明社会很重要的生产工具，在国民经济的快速发展中起到了重要的积极作用。根据光纤传感技术的特点发现，光纤传感技术在通用航空领域大有可为。

通用航空，是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，是除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。通用航空业是以通用航空飞行活动为核心，涵盖通用航空器研发制造、市场运营、综合保障以及延伸服务等全产业链的战略性新兴产业体系，具有产业链条长、服务领域广、带动作用强等特点。

在通用航空领域内，对于各类传感器的使用极其密集。而对它的灵敏度、体积和重量都有较高的要求。对于通用航空飞行器的结构健康监测需要的传感器数量庞大，因此传感器的尺寸、重量就变得尤为重要。尤其是当先进的无人飞行器在飞行的过程中，传统传感技术已无法满足实时准确监测大气数据这一需求。另外，通用航空飞行器在飞行期间都会受到极其严酷的飞行环境（包括高温、强磁场等）的影响。现有的传统电类传感器，很容易受环境因素的限制不能在极端的飞行环境下正常工作，这必然会影响飞行器的使用安全，导致灾难性事故。而光纤传感器，如光纤光栅传感器则因其质量轻、体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，很大程度上可以克服环境因素的影响，能够准确监测飞行器结构的各种参量，及时作出判断，防止事故的发生。2010年，美国国家宇航局（NASA）在一种改进的捕食者B无人机飞行器翼表上，采用分布式光纤监测结构完整性。光纤光栅传感技术在通用航空领域内的广泛应用将会对通用航空的发展具有重要的促进作用。

随着光纤技术的不断进步，光纤传感技术在很多的领域得到应用与发展。近年来，我国在光纤传感技术研究方面虽然发展较快，但是继续往前走的生命力必须要与产业结合起来。其中，与通用航空产业结合是光纤传感技术的重要发展方向。

通用航空业是以通用航空飞行活动为核心，涵盖通用航空器研发制造、市场运营、综合保障以及延伸服务等全产业链的战略性新兴产业体系，具有产业链条长、服务领域广、带动作用强等特点。然而，通用航空是中国改革开放40多年来唯一没有开发的产业，正是因为发展滞后，通用航空的发展将有巨大的市场空间。研究发现，通用航空产业的投入产出比为1∶10，就业带动比为1∶12。未来20年，一批产值超过百亿元甚至数百亿元的通用航空产业集群将出现，航空工业对相关产业1：10的投资拉动效应将逐步显现，我国低空开放后通航将有数万亿元的市场有待开发。随着低空开放，我国通航产业和低空经济将迎来“井喷”式的大发展。

通航发展经验表明，一个国家或地区人均GDP突破6000美元，中等收入群体是支撑通航产业发展的中坚力量，国民对通用航空的需求就开始明显爆发。截至2019年10月12日，我国共有颁证通用机场239座，首次超过同期运输机场数量，同时根据各省区市发布的相关规划，各地将规划建设通用机场1100余座，通用航空发展呈现出崭新局面。

截至2020年底，全国传统通航企业增加到523家，基本实现地级以上城市拥有通用航空服务的运输机场，涵盖了应急救援、高压电网、油气管道安全巡线、海上石油平台、主要林区作业人员的公共出行等行业。据统计，目前整个国家机队规模达到2844架；实名登记无人机52.36万架，年飞行量达到159.4万小时；全国累计开通低空旅游航线百余条，涉及5A级景点50余个，参与空中游览和跳伞服务的游客分别达到75.6万人和13.2万人。

截止2020年3月31日，我国通用航空器数量已经达到了4164架，首次超过运输航空器数量，为民航通用航空和运输航空两翼齐飞发展奠定了坚实的基础。按照目前我国人均GDP已超过10000美元来说，国民对通用航空的需求应该有一个明显的爆发。然而综合来看，我国通用航空业总体规模依然较小，未来通用航空产业发展主要在以下三个方面蓄势待发：

一是航空器的研发、制造与销售。主要包括通用飞机、直升机、动力伞、滑翔伞、动力三角翼、载人热气球和飞艇等航空器和浮空器的研发、制造与销售活动。

二是地面设施设备和场地等基础设施建设。通用航空业还包括保障通用航空器和浮空气器安全正常飞行的地面设施设备和场地，如通用航空机场、通讯导航设施、飞行服务站等的运营管理，以及相关设施设备和工程研究、开发、应用与推广等活动。该类产业活动目前在发达国家已成为一个庞大的产业簇群，在国家社会经济发展中发挥着举足轻重的作用，并形成了较完善的产业法规政策体系。

三是通用航空服务业。目前，我国的通用航空服务业分为甲乙丙丁四类活动。其中，通用航空甲类活动主要包括：陆上石油服务、海上石油服务、直升机机外载荷飞行、人工降水、医疗救护、航空探矿、空中游览、公务飞行、私用或商用飞行驾驶执照培训、直升机引航作业、航空器代管服务、出租飞行、通用航空包机飞行等。通用航空乙类活动主要包括：航空探矿、航空摄影、海洋监测、渔业飞行、城市消防、空中巡查、电力作业、跳伞飞行服务。通用航空丙类活动主要包括：私用驾驶员执照培训、航空护林、航空喷洒（撒）、空中拍照、空中广告、科学实验、气象探测。通用航空丁类活动主要包括：使用具有标准适航证的载人自由气球、飞艇开展空中游览；使用具有特殊适航证的航空器开展航空表演飞行、个人娱乐飞行、运动驾驶员执照培训、电力作业等经营项目等。

随着中国低空空域管理改革稳步推进，通用航空产业将借势发力，成为继汽车产业之后拉动国民经济发展的新增长点。随着航空港经济的发展和国家低空空域管理改革的破冰，我国的通用航空将迎来快速发展的黄金时期，基于通用航空所产生的低空经济将在国内已进入大发展时期，成为推动中国经济增长的又一重要引擎。因此，光纤传感技术必须要与通用航空产业紧密结合，这样光纤传感技术才能得到更有效的需要牵引，才能促进光纤传感技术更好更快地发展。

（作者系国家低空经济融合创新中心特聘专家）