王学锋 | 为“光”奋斗，追“光”而行

20世纪70年代以来，光纤传感测量技术随着光纤通信技术革命迅速发展，如今已经在交通安全、能源环保、航天航空、生物等领域得到广泛应用，已成为国内外方兴未艾的高新技术产业之一。

▲王学锋

在北京航天控制仪器研究所研究员、北京市光纤传感系统工程技术研究中心主任王学锋看来，光纤传感技术正处于发展的黄金时代。“十四五”期间，国家重点研发计划新设了智能传感器重点专项，对光纤类智能传感器技术的研发和应用都会给予前所未有的支持。当前，尤其在面向深空、深海、深地等中国特色的重大工程和重大基础设施建设中，传感器产品正趋向体积小、重量轻、低功耗、智能化，这也对光纤传感技术提出了更高的要求。

“这些年来，咱们国家的科技发展非常快，这意味着像光纤传感这样的新技术会得到更多的机会。需求牵引是技术发展的动力，科研成果只放在实验室是没有用的，只有把它变成真正好用的技术和产品，才能产生经济效益和社会效益。”王学锋说。

十年磨一剑，蓄势新起点

2018年2月2日15时51分，我国在酒泉卫星发射中心用“长征二号”丁运载火箭成功将“张衡一号”01星发射升空。这是我国首颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星，也是我国地球物理场探测卫星计划的首发星。

“在天上测量地球磁场这件事，我国比国外起步晚。”王学锋说。地球磁场是地球生命千万年所处的环境；磁场则是对人类健康、安全和工作能力具有明显影响的环境因素。地震临震时的地磁场变化对地震预报具有重要作用；地磁暴时，近地轨道航天器轨道衰减增大，空间中电子和离子的数量及能量增加，引起航天器表面和内部的充电效应，危害航天器安全。可以说，在国土安全、矿藏及能源勘测、地球环境监测等领域，磁场的精确测量都具有十分重要的意义。这也是我国研发电磁监测试验卫星的重要原因。“‘张衡一号’01星搭载的磁场校准装置是国外的耦合暗态磁力仪（CDSM）。在后续02星论证时，希望国内有单位能够研制高性能的原子磁力仪。”他补充道。

中国航天科技集团公司量子工程研究中心对相干布居囚禁（CPT）原子磁力仪的探索，从2012年就开始了。到2017年参加竞标时，已经在实验室形成了实验装置，这也成为他们竞标成功的底气。

据介绍，星载高精度磁强计系统一般由矢量磁通门磁力仪和高精度标量原子磁力仪共同组成。矢量磁通门磁力仪可以实现磁场三分量的测量，但由于零位、正交度存在长期漂移等问题，需要高精度标量磁力仪对其总场进行校准。标量原子磁力仪具有长期绝对精度高、灵敏度高等特点，但只能测量地磁场的标量，无法获得磁场三分量。简单来说，就是前者方向性好但精度低，后者精度高但无法获得方向，恰好互补，可以通过数据融合去完成地磁场或行星磁场的高精度测绘任务。王学锋团队对比了几种主要的磁力仪，他们发现作为较成熟的原子磁力仪，质子磁力仪具有准确度高、稳定性好的优点，但输出速率比较慢；超导量子干涉磁力仪绝对精度高，但是体积较大，功耗较高，适合地面应用；光泵原子磁力仪存在盲区，为实现全球观测，在轨应用时一般须采用多探头组合方式消除测量盲区，但如此一来，体积和重量都会大幅度增加，整体可靠性也降低了。相比之下，他们更看好CPT原子磁力仪，因为它具有体积小、准确度高尤其是长期工作的准确度高、无方向盲区和采样率高等特点，在空间磁测量领域具有更大的优势。

▲王学锋团队项目获国家奖时合影

严格来说，王学锋团队的成果全称是“高精度自主全向CPT原子磁力仪”，其关键表现在“高精度”和“自主全向”上。“这里面更重要的概念其实是‘全向’，因为目前在磁测量卫星上大量使用的光泵原子磁力仪存在盲区，单个光泵原子磁力仪难以实现全向测量。”王学锋说。他表示，CPT原子磁力仪在理论上具有全向能力，而他和团队的研发将之提升到“自主全向”层面。

以耦合暗态磁力仪（CDSM）为例，它需要由辅助的磁通门磁力仪给出磁场方向，然后判断磁场方向与磁力仪光轴是更接近平行还是垂直，从而确定CDSM选择使用何种模式工作。但是当平行模式和垂直模式之间需要切换时，CDSM的输出像是“突然跳了一个台阶”。而在自主全向模式下，CPT原子磁力仪则不会出现这种问题。“它能够自己从内部根据测量信号判断磁场方向更接近哪种模式，并自动调节。只有在完全垂直或完全平行的状态下，它才会只呈现一种信号处理方式，大多数时候，它的两种模式是同时工作的。这样一来，当磁场方向与磁力仪光轴呈任意角度时，CPT原子磁力仪都稳定连续地测量。”王学锋解释道。

而在“高精度”问题上，王学锋团队面对的是两个重要指标——准确度和灵敏度。这两个指标要如何理解？王学锋用了一个简单的例子。“假设你正在打靶，靶心在11环，你打到了正中心，那就是准确。假设你打了10次，最终都打在靠近中心位置，说明离散程度比较小；如果有的靠中间，有的靠外环，说明离散程度也就是随机误差比较大。磁力仪灵敏度实际上表达的是单位带宽内的噪声大小。”根据任务需求，王学锋团队需要使得灵敏度达到20pT/Hz1/2，准确度达到0.3nT。“最后，我们把灵敏度做到了10pT/Hz1/2以下，准确度做到了0.14nT。”他补充道。

CPT原子磁力仪的准确度是以质子磁力仪为标准进行参数对比确定的。质子磁力仪具有准确度高、稳定性好的优点，被公认为是原子磁力仪家族中比较成熟的一员。“最早期，我们的差距还是挺大的，遇到了很多棘手的问题。”说到这里，王学锋很是感慨。以他们颇为自豪的“自主全向”来说，在理论上实现看似简单，但真正使用时会发现容易遭受外部信号干扰。“按要求，需要CPT原子磁力仪在15Hz内满足要求，这意味着整个频谱应该比较平坦。但我们要兼顾自主全向，就会对外界干扰信号更敏感，有些信号很容易通过频率转换落到这个范围之内，从而产生干扰。”

这个问题困扰了王学锋团队很久，甚至一度怀疑是不是难以解决了。不过，团队没有过多陷在这种情绪里，在他看来，航天人要干好一件事，遭遇挑战也很正常，攻关没有捷径，遇到问题想办法解决就是了。在航天精神的鼓舞下，他们不懈努力，最终实现了两全其美的优化方案。

原子气室也是令王学锋团队头疼的问题。原子气室的性能是影响CPT原子磁力仪灵敏度的重要因素。根据介绍，降低噪声或提高灵敏度需要增加原子的弛豫时间、提高信号的信噪比。信噪比受到磁共振信号线宽和参与磁共振原子数的影响，因此需要选取合适的光源参数以减小磁共振信号线宽，通过给气室加热以增加参与磁共振的原子数。另外，通过差分探测可抑制光路其他噪声。为了增加原子的弛豫时间，需要在气室内加入缓冲气体减小原子之间及原子和内壁的碰撞概率。王学锋强调了“加热”的影响，他表示，加热后会有更多的碱金属铷原子处于气体状态，以提高灵敏度；但是不加热时，已经是气态的铷原子会有一部分重新变成固态，均匀地散落在原子气室的玻璃内壁上，从而使本来对光波透过性较好的“窗口”变得不那么通透了，光信号通过时会被减弱，CPT原子磁力仪的灵敏度也会降低。

“还有一点很重要，我们要对铷原子进行定量控制。”王学锋说。所谓定量化控制，最直观的理解就是到底要往原子气室中充入多少铷原子。铷原子会和玻璃发生物理反应及化学反应。有些铷原子会“钻”到玻璃里去，这时，必须知道玻璃到底会消耗多少铷原子。不然，铷原子数量太少，可能被玻璃消耗殆尽；数量太多，又容易附着在玻璃表面。这两种极端情况都会使CPT原子磁力仪性能降低，从而影响整个磁探测系统的性能甚至工作寿命。“假如我们的卫星的总寿命是9年，那我们就要去计算工作温度下，铷原子数量在这9年中的变化。要考虑的东西很多，也要做大量工作去解决。”说到这里，王学锋神采奕奕，“早期我们购买别人的原子气室，现在都是自己研制了！”

▲植入式光纤传感测量项目验收时王学锋（左二）给专家讲解

正如王学锋所说，他们在原子磁力仪国产化的道路上越走越稳，相关性能已经逐渐迈向国际前沿。2022年，“高精度全向CPT原子磁力仪关键技术及应用”获得中国仪器仪表学会技术发明奖一等奖。为了使CPT原子磁力仪能够更好地适应环境，他们提出了一种判断CPT原子磁力仪是否失锁并重新锁定的方法，“也就是失锁自锁定”。王学锋至今还记得这项成果最早进行演示时，用户发现这项功能后非常惊喜地告诉他们CDSM上都没有这项功能。

十年磨一剑，但在王学锋心里，这十年只是推着他站到了一个新的起点上。他表示，环境条件下的误差机理和抑制方法研究、原子气室性能研究、标定测试方法和精度研究等都需要进一步提高。而由于轻小型化是宇航等很多应用对载荷的普遍要求，未来，他和团队也将在发展轻小型原子磁力仪上蓄势攻关，做出自己的贡献。

脚踏实地，追“光”而战

“从我个人来说，我的研究方向主要包括原子磁力仪、光纤传感等，它们属于光学精密测量，主要是为航天领域服务的。”王学锋说。

▲王学锋主持精密光机电研讨会

2002年，王学锋从中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位后，成为北京航天控制仪器研究所的一员。彼时，导航、制导与控制专家王巍院士正在开展光纤陀螺技术研究，王学锋也有幸在他的指导下投身这一工作中。

“我们在光纤陀螺研究过程中积累了一定的经验，再做其他传感器时，这就是我们的技术优势。”王学锋表示，他们的研究主要还是围绕航天应用展开的，其中的代表性工作之一就是“先进航天飞行器用高性能植入式光纤测量系统”。

“植入式光纤测量”要做的是什么？王学锋尝试以民用为起点进行科普。“光纤传感在民用上主要测量温度和应变，再以此为基础进行反演获得其他被测物理量。”比如在桥梁、大坝等建筑里植入传感器测量应力变化，以判断它们受力状态及是否仍在一个比较可靠的范围内工作。“因为只是放在钢筋混凝土里边，这时对传感器的体积要求没那么严格。但如果是放到航天复合材料里，就会要求既要细小轻便，又不能影响整个结构的强度。”这种担心不无道理，传统电传感器使用的导线中包裹着铜丝，不容易发生断裂，但光纤不行。普通通信光纤的直径一般不超过250微米，其中石英部分一般不过125微米，而在航天特殊应用领域，光纤直径会更细。“石英直径可能只有80微米，甚至更细。这是什么概念呢，人的一根头发丝直径大概70微米。这种光纤的粗细跟头发丝相当。光纤越细，可能会越脆弱，进行植入式测量时也可能要面对层出不穷的状况。”诚如其言，在“先进航天飞行器用高性能植入式光纤测量系统”项目中，王学锋和团队要集中解决光纤光栅传感器高精度小型化和啁啾抑制、高可靠性、高速测量中激光器扫描波长的精确控制、空间辐照环境下光纤光栅传感器输出随辐照总剂量漂移等一系列问题。从2010年前后开始攻关，到2021年进行验收，王学锋团队脚踏实地地走出了一条自主创新之路，尤其多通道解调仪测量频率、抗辐照能力、传感器小型化等指标更是被认为达到国际高水平。

“最后我们将80多个光纤传感器植入复合材料内部，一个都没坏。”这个结果甚至令项目评审专家不太相信。“最后没坏，是因为最初坏的不少了，我们一直在想办法去寻根究底找原因，反复改进设计并做试验验证，直到传感器植入后都能可靠工作。”

在团队的共同努力下，他们突破了航天飞行器用植入式高性能光纤光栅测量系统技术，研制了系列产品，实现了在多个航天飞行器上的应用，取得了显著的成果。“先进航天飞行器用高性能植入式光纤测量系统”也被授予2021年度中国计量测试学会科技进步奖一等奖。“能够获得荣誉，首先是对整个团队工作的奖励。这是大家一起努力出来的结果，少了谁的贡献，这个工作都是不完整的。”他诚恳地强调着。

言传身教，在传承中成长

从武汉测绘科技大学（后合并重组至武汉大学）毕业后，王学锋进入中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）攻读硕士学位，在这里，他遇到了导师王向朝研究员。

▲王学锋作为陆元九青年创新奖获奖代表发言

彼时，王向朝研究员刚刚通过中国科学院百人计划从日本回国，一直从事精密光学测量领域的研究工作。“老师对工作要求很高，但又是一个性格特别好的人。”在王学锋的回忆中，刚开始硕博连读时，他还不知道该如何写好一篇英文学术论文，导师就逐字逐句地帮他修改，连标点都不放过。“我是他回国后的第一个学生，他的理念就是精益求精。我们一起申报国家自然科学基金项目，对中文项目书的撰写，他也是字斟句酌。在他的教导下，我逐渐想方设法把事情做得更严谨。”

至今，王学锋都记得自己做的第一个实验工作。“王老师说他在日本期间就有这个想法，但当时那边的学生没能实现，就想着让我试试看。”那段时间，他在实验室里放了一张行军床，“安营扎寨”将近一个月，终于在一个凌晨做出了结果。“凌晨4点多，实验室就我一个人，到6点左右，我才忍不住给老师打电话汇报实验结果，我终于做出来了。”

“这使我得到了一个经验，只要付出足够多的努力，不轻易放弃，总能够找到突破口。我们后来做原子磁力仪等研究时就是这样，无论遇到多难的问题，只要不断探讨、反复摸索，就能出现一些小的改变，而这种小改变往往能提振我们的信心，这很重要。”王学锋感受到一种精神的传承，而这种传承感在他来到北京航天控制仪器研究所时变得愈发强烈。

刚到北京航天控制仪器研究所时，王学锋略有迷茫。“但王巍院士对我们每个人都很上心，把因岗设人和因人设岗结合起来，帮我们找准自己的位置，充分发挥每个人的潜力。我们要做什么，遇到了什么困难，需要什么建议，需要怎样的配合……他都会尽可能为我们提供指导和帮助。”这令王学锋很快振奋起来，投入新的工作中。在他心目中，王巍院士更像是他的人生导师，不仅在工作方面为他提供指导，还会从为人处世、管理工作等多个方面给他指导。与此同时，在为团队拓展光纤传感、原子磁力仪、光纤激光等新方向时，王巍院士的战略眼光和创新魄力也令他敬佩不已。

王学锋曾是北京航天控制仪器研究所副所长，负责研发管理和研发创新。近年来，他最大的感受就是我国在光纤传感研究上已经跻身国际高水平行列。“国外能做的，我们都能做。尤其随着我国航天事业的发展，技术成果的应用机会很多。国家有需求，市场有需求，对我们来说是第一位的。我们会立足需求开展研发创新，拓宽研究方向，落实成果应用，培养储备人才，建设专业队伍。”

对于未来，王学锋认为不必设限，要朝“不断超越，实现引领”的方向勇于攀登。“我们做航天应用，要有航天人的精神——特别能吃苦，特别能攻关，特别能奉献，特别能奋斗。用王巍院士的话说，每一个人都得变成一个发动机，要能自己驱动自己前进，还得能带动别人前进。”万水千山，征途漫漫，王学锋愿意化身为这样的“发动机”，做锲而不舍的赶路人。

专家简介

王学锋，北京航天控制仪器研究所研究员、北京市光纤传感系统工程技术研究中心主任、中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心主任。2002年于中国科学院上海光学精密机械研究所光学工程专业获博士学位。担任中国光学工程学会常务理事、中国仪器仪表学会理事、《导航与控制》主编、《先进仪器与器件》（Advanced Devices & Instrumentations）副主编等职。发表学术论文50余篇，获授权发明专利40余项。曾获国家技术发明奖二等奖2项（排名1、2）、中国仪器仪表学会技术发明奖一等奖（排名1）、中国计量测试学会科技进步奖一等奖（排名1）、国防科技进步奖二等奖（排名1）、中国航天基金奖等多项奖励。