基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列車(chē)定位系統(tǒng)研究

王月太 高賢輝 吳文艾

摘 要：本文介紹了FBG的傳感原理，并具體的介紹了基于WDM和SDM的FBG高速列車(chē)定位系統(tǒng)，采用WDM和SDM相結(jié)合的結(jié)構(gòu)大大降低了系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器；列車(chē)定位；WDM；SDM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.127

1 引言

列車(chē)定位是列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的重要一環(huán)，負(fù)責(zé)提供正確的列車(chē)的速度和位置信息[1]。為保證列車(chē)的運(yùn)行安全，必須要保證列車(chē)的速度和位置信息的安全性、正確性及可靠性。傳統(tǒng)的列車(chē)定位系統(tǒng)都需要車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備進(jìn)行信息的傳輸，在信息傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)信息錯(cuò)誤、信息丟失等通信故障，這樣就會(huì)導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確的獲取列車(chē)位置信息，從而造成行車(chē)危險(xiǎn)。 為此本文提出了基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列車(chē)定位系統(tǒng)，該列車(chē)定位系統(tǒng)無(wú)需車(chē)載設(shè)備與地面感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，這樣可以有效的防止了通信故障，從而保證行車(chē)安全。同時(shí)FBG傳感器是光纖結(jié)構(gòu)，具有抗電磁干擾、 耐腐蝕、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可以使系統(tǒng)的成本大大降低。

2 FBG傳感原理

寬帶光源的光通過(guò)光纖光柵中時(shí)，會(huì)分為兩部分，其中滿(mǎn)足條件光纖光柵Bragg條件的光將發(fā)生反射， 其余的光透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。

反射光的波長(zhǎng) （即諧振波長(zhǎng)） 由Bragg公式確定[2]：

（1）

其中，λB是光纖光柵的反射波長(zhǎng)，neff是光柵模有效折射率，Λ是光線(xiàn)光柵的周期。

由上式可以看出：光纖光柵的反射波長(zhǎng)與光柵的周期和有效折射率成正比。當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期和光柵模的有效折射率也隨之發(fā)生改變，而光柵的周期和光柵模的有效折射率的改變就會(huì)使得光纖Bragg光柵的中心反射波長(zhǎng)產(chǎn)生變化。其中，應(yīng)變和溫度是引起光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)的偏移的主要原因。

光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的漂移量與軸向應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式為：

（2）

其中，pe為有效彈光系數(shù)；KB，ε為光纖Bragg光柵的應(yīng)變靈敏度；ε為應(yīng)變。

光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)漂移量與溫度變化的關(guān)系表達(dá)式為：

（3）

其中，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)；ζ為光纖材料的熱光系數(shù)；KB，T為光纖Bragg光柵的溫度靈敏度；ΔT為應(yīng)變。

由式2、式3可知：要獲得應(yīng)變和溫度的變化情況，可以通過(guò)測(cè)量諧振波長(zhǎng)的漂移量。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用WDM可以將多不同波長(zhǎng)的光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上，采用SDM可以將多個(gè)光路并聯(lián)連接，這樣就可以通過(guò)WDM+SDM的復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，寬帶光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光，光信號(hào)通過(guò)3dB耦合器入射到光開(kāi)關(guān)，通過(guò)光開(kāi)關(guān)來(lái)選擇各個(gè)支路的選通，光信號(hào)進(jìn)入到FBG串聯(lián)陣列中，會(huì)產(chǎn)生反射光，其中，第一個(gè)FBG的反射光波長(zhǎng)為λ1，第二個(gè)FBG的反射光波長(zhǎng)為λ2，直到最后一個(gè)FBG產(chǎn)生波長(zhǎng)為λn的反射光。反射光通過(guò)3dB耦合器就后會(huì)進(jìn)入到波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)波長(zhǎng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的辨識(shí)。并且并聯(lián)的各個(gè)光纖Bragg光柵的波長(zhǎng)可以相同，這樣就會(huì)使系統(tǒng)成本降低。

4 結(jié)論

目前光纖光柵傳感器已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，相信在不久光纖光柵傳感技術(shù)會(huì)在鐵路運(yùn)輸中得到廣泛的應(yīng)用，為鐵路列車(chē)的安全運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱愛(ài)紅，李博，楊亮.高速列車(chē)定位技術(shù)與組合定位系統(tǒng)研究[J].中國(guó)鐵路報(bào)，2013（05）：63-66.

[2]孫麗.光纖光柵傳感應(yīng)用問(wèn)題解析[M].北京：科學(xué)出版社，2011：7-11.

作者簡(jiǎn)介：王月太（1989-），女，甘肅蘭州人，碩士，助教，主要研究方向：交通信息工程及控制。