清華大學(xué)精密儀器系博士獲感動中國年度人物，從事光纖傳感技術(shù)研究
8月16日，《感動中國》2024年度人物名單揭曉，清華大學(xué)精密儀器系在讀博士生龐眾望，獲評2024年度人物。
龐眾望在2017年高考，以理科684分的成績，奪得滄州市理科狀元，同時獲得清華大學(xué)“自強(qiáng)計劃”最高60分的降分錄取資格，被清華大學(xué)精密儀器系錄取。
當(dāng)年，清華大學(xué)在河北省的理科錄取分?jǐn)?shù)線為691分。因此，如果沒有清華大學(xué)的降分錄取，龐眾望很可能與清華大學(xué)失之交臂。
為什么龐眾望能獲得清華大學(xué)“自強(qiáng)計劃”降分錄取資格？這也是其獲評《感動中國》2024年度人物的重要原因之一。
龐眾望出生于河北省滄州市吳橋縣的特殊家庭，其父親是一位精神分裂癥患者，無法與人交流，母親下肢殘疾，行動不便，自己亦患有先天性心臟病曾命懸一線，曾為母親住院挨家挨戶借錢，也曾為還債撿廢品賺錢。
如此人生經(jīng)歷下，龐眾望一邊照顧家庭，一邊讀書，學(xué)業(yè)優(yōu)秀，高中考入當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)中學(xué)，代表學(xué)校參加全國高中數(shù)學(xué)聯(lián)合競賽獲二等獎、在第三十三屆全國中學(xué)生物理競賽中獲得二等獎，在高考取得理科684分的成績成為當(dāng)?shù)乩砜茽钤?/strong>
龐眾望特殊的人生經(jīng)歷，讓其獲得清華大學(xué)“自強(qiáng)計劃”降分錄取資格，獲評《感動中國》2024年度人物，《感動中國》給出的頒獎辭為：
背影留給坎坷，笑容交給陽光，
名字里寫著責(zé)任，步履中充滿力量，
磨礪過的劍，破繭后的蝶。
你一直向前，一直向上，
不辜負(fù)媽媽的目光，不辜負(fù)時代的期望。
科研報國，龐眾望選擇的清華精密儀器系和光纖傳感技術(shù)科研
在《感動中國》的相關(guān)采訪中，龐眾望表示：
“我們這一代人的時代使命，就是科研報國！”剛?cè)雽W(xué)時的自己，想努力改善家人生活。如今，面對時代關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，若必須在改善家人物質(zhì)基礎(chǔ)與科研報國間選，他會傾向后者，相信最終能惠及家人、家鄉(xiāng)及更多人。
龐眾望入讀的清華大學(xué)精密儀器系，是我國傳感器及儀器儀表科學(xué)領(lǐng)域的殿堂級院系，傳感器及儀器儀表是我國公認(rèn)的“卡脖子”現(xiàn)狀最嚴(yán)峻的硬科技領(lǐng)域之一，某種程度上，比先進(jìn)芯片等所面臨的“卡脖子”情況更嚴(yán)重。
清華大學(xué)精密儀器系淵源于1932年成立的清華大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)系，1959年增設(shè)精密儀器專業(yè)，1960年正式成立精密儀器及機(jī)械制造系，1971年始改精密儀器系，下設(shè)光電所、測試、傳感器、微機(jī)械、微細(xì)工程、導(dǎo)航中心、激光室等單位。
清華大學(xué)精密儀器系建有精密測試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室、光盤國家工程研究中心、智能微系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室、高精度導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室、光子測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室、生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)及儀器北京實(shí)驗室、微米納米技術(shù)研究中心、清華大學(xué)宇航技術(shù)研究中心、清華大學(xué)質(zhì)譜儀器研究中心、清華大學(xué)類腦計算研究中心，以及國家級示范教學(xué)基地等多個教學(xué)科研機(jī)構(gòu)，是全國國家級教學(xué)科研機(jī)構(gòu)最多的院系之一。
2021年，龐眾望本科畢業(yè)后，繼續(xù)留在清華大學(xué)精密儀器系攻讀博士學(xué)位，主攻光網(wǎng)絡(luò)信息感知技術(shù)這一前沿科技的研究。龐眾望多次獲得清華大學(xué)獎學(xué)金，還被評選為2022年度“中國大學(xué)生自強(qiáng)之星”。
在精密儀器系的實(shí)驗室里，龐眾望的科研方向直指國家"卡脖子"技術(shù)。他研發(fā)的光纖傳感系統(tǒng)，能像神經(jīng)末梢般精準(zhǔn)捕捉管道泄漏、橋梁形變等隱患。這項技術(shù)突破的難點(diǎn)在于，如何在復(fù)雜環(huán)境中過濾干擾信號。
龐眾望希望，能發(fā)掘光纖通信網(wǎng)絡(luò)更多的可能性，“比如說在雨季經(jīng)?？梢钥吹揭恍┞坊男侣?，我們就想有沒有可能通過一個通信光纜，提前監(jiān)測這樣的信息?！?/strong>
在讀博士研究生期間，龐眾望在中科院一區(qū)期刊《Photonics Research》與《Journal of Lightwave Technology》以第一/共一作者發(fā)表SCI論文。
相關(guān)資料披露，龐眾望等人在《Photonics Research》發(fā)表的論文為《Time shifting deviation method enhanced laser interferometry: ultrahigh precision localizing of traffic vibration using a urban fiber link》（《時移偏差法增強(qiáng)激光干涉測量：基于城市光纖鏈路的交通振動超高精度定位》），該論文為對應(yīng)用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行交通振動事件精確定位的方法改進(jìn)：
利用光纖網(wǎng)絡(luò)作為巨大的傳感系統(tǒng)，將豐富公共基礎(chǔ)設(shè)施和地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測方法。在傳統(tǒng)的互相關(guān)方法中，激光干涉儀已被用于檢測和定位振動事件。然而，互相關(guān)方法引起的隨機(jī)誤差限制了定位精度，使其不適合超高精度定位應(yīng)用。提出了一種新的時移偏差（TSDEV）方法，該方法在實(shí)用性和定位精度方面優(yōu)于互相關(guān)方法。進(jìn)行了三個實(shí)驗來證明 TSDEV 方法的新穎性。在實(shí)驗室測試中，振動定位精度達(dá)到約 2.5 m。在現(xiàn)場試驗中，采用 TSDEV 方法增強(qiáng)干涉測量對城市光纖鏈路進(jìn)行監(jiān)測。分別對校園道路和北京環(huán)城公路的交通振動事件進(jìn)行了精確定位和分析。所提出的技術(shù)將擴(kuò)展現(xiàn)有城市光纖網(wǎng)絡(luò)的功能，更好地服務(wù)于未來的智慧城市。
▲來源：《Photonics Research》
據(jù)官方數(shù)據(jù)披露，目前龐眾望等人獲得國家發(fā)明專利三項，另有三項發(fā)明專利處于申請階段，均為光纖傳感技術(shù)及相關(guān)測量方法的發(fā)明專利。
光網(wǎng)絡(luò)信息感知與光纖傳感技術(shù)
光網(wǎng)絡(luò)（Optical Network）是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的簡稱，一般指使用光纖作為主要傳輸介質(zhì)的廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)或者新建的大范圍的局域網(wǎng)，光網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)就是利用光纖作為“傳感器”，通過感知其中傳輸?shù)墓庑盘柕母鞣N參數(shù)變化，定位線路上各種突發(fā)事件。光網(wǎng)絡(luò)信息感知主要是分布式光纖振動傳感技術(shù)的應(yīng)用。
與許多高端技術(shù)一樣，光網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，由光學(xué)器件、算法等組成，其中，光纖傳感器是非常關(guān)鍵的部件，它就像人的眼睛一樣，能夠感知光信號的強(qiáng)弱。當(dāng)光信號進(jìn)入光探測器后，會被轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過一系列的處理和分析。
光纖傳感技術(shù)在國防、電力、石油、建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。我國通信巨頭華為，就發(fā)布多款光纖傳感產(chǎn)品，應(yīng)用于管線巡檢查和周界安防場景。
▲來源：華為官網(wǎng)
光纖最早是應(yīng)用于光的傳輸，適合長距離傳遞信息，是現(xiàn)代信息社會光纖通信的基石，目前幾乎所有高速數(shù)據(jù)通信都使用光纖。
因為光波在光纖中傳播的特征參量會因外界因素的作用而間接或直接地發(fā)生變化，人們發(fā)現(xiàn)這一特性可以用來分析探測這些物理量、化學(xué)量和生物量，因此光纖傳感器就誕生了。
光纖傳感器的基本原理是光源通過光發(fā)送器發(fā)出后，以光纖為傳輸載體傳送給敏感元件，在這一過程中，被測量對光的某一性質(zhì)進(jìn)行調(diào)制，被調(diào)制后的光進(jìn)入接收光纖，然后耦合到光接收器，最終光信號被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/strong>，電信號再經(jīng)過信號處理系統(tǒng)處理后變成所需要的被測量。
光發(fā)送器（光源）、 光接收器、 敏感元件、 光導(dǎo)纖維及信號處理系統(tǒng)是構(gòu)成光纖傳感器的幾個重要組成部分。有些光纖傳感器中， 光無源器件也作為光線傳感器的重要組成部分。
▲光纖傳感器構(gòu)成示意圖
光纖傳感技術(shù)的核心是光纖傳感器，相應(yīng)的光纖傳感技術(shù)主要分為功能型（傳感型）光纖傳感器和非功能性（傳光型）光纖傳感技術(shù)。
兩種類型的光纖傳感器主要區(qū)別在于，光纖本身是不是作為敏感元件。分布式光纖傳感器即屬于功能型（傳感型）光纖傳感器。
▲兩種光纖傳感器區(qū)別
根據(jù)上述光纖傳感器技術(shù)原理，此后發(fā)展為分布式光纖傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和點(diǎn)式傳感器三種，區(qū)別是光纖傳感測量是否連續(xù)。
分布式光纖傳感技術(shù)是在70年代末提出的，它是隨著現(xiàn)在光纖工程中仍應(yīng)用十分廣泛的光時域反射（OTDR）技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。
經(jīng)過多年發(fā)展，分布式光纖傳感技術(shù)產(chǎn)生了拉曼散射、布里淵散射、瑞利散射等一系列分布式光纖傳感機(jī)理和測量系統(tǒng)，并在多個領(lǐng)域得以逐步應(yīng)用。目前，這項技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一。
與離散點(diǎn)式傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器相比，分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感光纖既是傳感單元，亦是傳輸單元，一臺監(jiān)測距離數(shù)十至數(shù)百公里的光纖傳感設(shè)備可等效于數(shù)十至百萬個溫度、應(yīng)力、聲波探測單元，監(jiān)測距離內(nèi)全覆蓋，在長距離大范圍監(jiān)測場合下較離散點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式傳感器具備優(yōu)勢。
分布式光纖傳感器中的光纖能夠集傳感、傳輸功能于一體，能夠完成在整條光纖長度上環(huán)境參量的空間、時間多維連續(xù)測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于布設(shè)、性價比高、易實(shí)現(xiàn)長距離等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工作環(huán)境惡劣、監(jiān)測距離長的電網(wǎng)基建、城市管廊、油氣能源基建、海底纜線、交通基建、城市安防等領(lǐng)域中，受益于下游應(yīng)用領(lǐng)域的建設(shè)需求，推動了分布式光纖行業(yè)的快速發(fā)展。
結(jié)語
龐眾望從殘破的家庭一步步踏入清華大學(xué)這所中國最高學(xué)府殿堂，其積極向上的態(tài)度受到社會廣泛關(guān)注，獲得了《感動中國》的認(rèn)可，獲品2024年度人物。
在清華大學(xué)中，龐眾望就讀和從事的光纖傳感技術(shù)相關(guān)研究，服務(wù)于國家重大科技需求，實(shí)踐了其科研報國的決心。
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