基于光纖傳感的鐵路監(jiān)測(cè)算法研究

徐高魁，王曉艷

（1.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

隨著我國(guó)鐵路軌道交通的健康發(fā)展，鐵路行車?yán)锍讨饾u逐年增加，鐵路對(duì)世界的安全生產(chǎn)問題也變得很重要。為了有效保證城市鐵路軌道運(yùn)行的暢通和通行人員的安全，鐵軌旁通常會(huì)設(shè)鋪柵欄網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行安全隔離，但由于人員私自進(jìn)行攀爬，進(jìn)入鐵路軌道而由此造成的交通慘案還時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)攀爬鐵路車站周邊環(huán)境情況進(jìn)行深度監(jiān)測(cè)并及時(shí)對(duì)工作人員的異常攀爬鐵路行為情況做出準(zhǔn)確識(shí)別和應(yīng)急處理尤為重要?，F(xiàn)有的新型分布式無線光纖鐵軌振動(dòng)強(qiáng)度傳感器產(chǎn)品具有振動(dòng)靈敏度高、抗電磁微波干擾能力強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕等幾大特點(diǎn)，可以在公路鐵路周圍的復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)確工作。在測(cè)量信號(hào)范圍控制方面，分布式高速光纖鐵軌振動(dòng)狀態(tài)傳感器系統(tǒng)可以將其看作由無數(shù)個(gè)相對(duì)分立的振動(dòng)傳感控制單元連接構(gòu)成，每個(gè)單元承擔(dān)監(jiān)測(cè)環(huán)境的任務(wù)并且還作為信號(hào)的傳輸通道，可以連續(xù)地測(cè)量，進(jìn)而更好地反映鐵軌周圍的情況。

本文將傳感器技術(shù)應(yīng)用于軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)中。分布式高速光纖振動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析，可以判斷鐵路周圍有無侵入行為。在有入侵行為發(fā)生的情況下，可以實(shí)時(shí)給出入侵行為的位置。區(qū)分入侵行為有兩個(gè)關(guān)鍵問題。一方面，光纖鋪設(shè)條件復(fù)雜，存在外界干擾，如列車運(yùn)行的干擾和自然環(huán)境因素等。因此，采集獲取的振動(dòng)信號(hào)干擾較多，給后續(xù)的信號(hào)分析帶來困難；另一方面，單一特征不容易識(shí)別，因此，有必要找到適當(dāng)?shù)穆?lián)合特征識(shí)別。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式小型光纖發(fā)射探測(cè)器和定位儀的主要工作原理如下：第一主要激光源發(fā)射采用小型窄線寬發(fā)射激光器，輸出1550nm激光波段的連續(xù)單頻發(fā)射激光。主要激光源的傳感輸出主要可以分為兩路，即本地傳感輸出支路和本地傳感光輸出支路。主要由激光器支路輸出的連續(xù)光經(jīng)過耦合器，一部分直接進(jìn)入激光傳感器的支路，另一部分直接進(jìn)入本地連續(xù)光傳感支路。進(jìn)入聲光傳感器和支路的連續(xù)光被通過聲光信號(hào)調(diào)制器自動(dòng)調(diào)制為高頻脈沖式聲光，脈沖的聲波寬度及脈沖頻率與系統(tǒng)的各種指標(biāo)性能要求密切相關(guān)。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鐵路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

在帶有傳感器的光纖中需要打入傳感光纖的脈沖，光纖的脈沖散射會(huì)在傳感光纖上的各個(gè)點(diǎn)之間發(fā)生快速散射。散射光原理中的瑞利激光散射比直接散射在激光中其他光的散射光強(qiáng)更強(qiáng)，所以在激光監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面較容易實(shí)現(xiàn)。目前，大部分新型分布式通用光纖環(huán)境質(zhì)量傳感器可以利用瑞利散射光對(duì)光纖環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。當(dāng)瑞利一束散射光再次返回時(shí)，接收端系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄具體發(fā)射時(shí)間并且自動(dòng)保存該中間時(shí)刻的激光振動(dòng)狀態(tài)信息。

2 信號(hào)預(yù)處理

光纖傳感器信號(hào)是受外部環(huán)境影響的非穩(wěn)定時(shí)變信號(hào)。因?yàn)楣庑盘?hào)的傳播速度遠(yuǎn)快于外部環(huán)境的變化，因此，平滑過程處理方法和理論可以通過使用光纖傳感信號(hào)作為短期平穩(wěn)信號(hào)來引入光纖傳感信號(hào)的處理。本文將光纖傳感器信號(hào)分為多個(gè)短時(shí)間信號(hào)段，稱為信號(hào)幀，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行幀處理。該幀可以是連續(xù)的或重疊的。將窗函數(shù)W(n)與原始信號(hào)S(n)相乘，加窗得到幀信號(hào)，得到如式（1）所示的幀信號(hào)。

本文在分析選擇窗設(shè)計(jì)函數(shù)時(shí)，根據(jù)所需要分析到的光纖載波振動(dòng)發(fā)射信號(hào)的各種特性，對(duì)現(xiàn)有矩形窗、三角窗、漢寧窗和海明窗這4種常用的窗設(shè)計(jì)函數(shù)類型進(jìn)行綜合篩選。其中，矩形窗的應(yīng)用主瓣比較集中，頻率信號(hào)識(shí)別器的精度最高，但是，光纖旁瓣較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)射頻信號(hào)幅值的精確估計(jì)能力較差，影響對(duì)整個(gè)光纖射頻發(fā)射信號(hào)發(fā)射能量的精確計(jì)算；三角窗雖然降低了旁瓣，但是，其主瓣窗的寬度仍然是矩形窗的兩倍，頻率差和分辨率差，在進(jìn)行分析無線光纖載波振動(dòng)發(fā)射信號(hào)的余波頻帶分布時(shí)容易因此產(chǎn)生畸變；漢寧窗和海明窗都同樣屬于余波正弦窗，只是采用加權(quán)頻率系數(shù)不同，余弦窗在精確處理信號(hào)主瓣和旁瓣信號(hào)大小時(shí)較均衡，既有效減少了部分頻譜信號(hào)泄露，保證了頻譜信號(hào)頻率幅值的處理準(zhǔn)確度，又能有一定的提高頻率信號(hào)分辨率和能力。

由于海明窗的射頻旁瓣更小，所以我們考慮到了減少其在頻譜上的泄露，從而大大增強(qiáng)對(duì)不同光纖射頻振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)射頻幅值的數(shù)學(xué)估計(jì)計(jì)算精度，本文通過選取海明窗射頻進(jìn)行加窗口的處理，海明窗的射頻數(shù)學(xué)幅值表達(dá)式定義如式（2）所示。

式中，n為每個(gè)采樣點(diǎn)的序號(hào)，N為每個(gè)采樣點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

受儀器周圍環(huán)境和其他人為因素的不同影響，采集的音頻信號(hào)一般都會(huì)包含一定的振動(dòng)噪聲。由于高頻噪聲對(duì)于每幀信號(hào)的串行分析過程存在很大干擾，因此，在進(jìn)行分析前，我們需要對(duì)每一幀的信號(hào)依次進(jìn)行噪聲去噪。小波閾值去噪可以有效去除去噪信號(hào)中混有的大或小部分的白噪聲，同時(shí)，它可以盡量保留原始去噪信號(hào)的特征尖峰。目前，小波閾值去噪在數(shù)字信號(hào)處理去噪技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在很多應(yīng)用場(chǎng)景中已經(jīng)取得了較好的去噪效果。

如圖2所示，在小波閾值去噪前，信號(hào)波動(dòng)較大，噪聲信息較多。經(jīng)過小波閾值去噪后，信號(hào)的波形更加穩(wěn)定，通過小波閾值去噪，產(chǎn)生了抑制噪聲的效果。結(jié)果表明，小波閾值去噪方法對(duì)光纖振動(dòng)信號(hào)有較好的去噪效果。

4 結(jié)語

本文從工程實(shí)用方面出發(fā)，利用光纖傳感技術(shù)完成了鐵路振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。對(duì)全部采樣點(diǎn)歸一化處理，使振動(dòng)有效地被測(cè)量。最終，完成了對(duì)鐵路振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了存在噪聲與降噪后的數(shù)據(jù)分布，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。