基于光纖傳感技術(shù)的鐵路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王東崢

摘要：由于光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾和抗射頻干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，可以作為鐵路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的一種重要技術(shù)手段，降低了人力物力成本。正是由于光線傳感器能做到其它傳感器所不能做到的工作，能達(dá)到更大的精度而具有較大的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)鐵路中存在的振動(dòng)采用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出了一種基于1550nm激光波段的光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)。針對(duì)鐵路周圍環(huán)境較復(fù)雜、干擾較多的情況，采用海明窗分幀加小波閾值去噪的方法進(jìn)行信號(hào)濾波，提高了振動(dòng)信號(hào)的信噪比。從時(shí)域上提取信號(hào)功率作為特征，完成了對(duì)鐵路振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù);鐵路監(jiān)測(cè);光散射;濾波處理

引?言

光纖傳感技術(shù)是近些年伴隨著光纖和光纖通信技術(shù)的深入研究而興起的一種新型傳感技術(shù)。光纖本身所固有的種種優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、耐腐蝕、抗電磁干擾等等，促使人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域?qū)饫w傳感器進(jìn)行研究。光纖傳感技術(shù)在航天，航海，石油化工，電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療器械等技術(shù)領(lǐng)域都取得了可喜的研究成果。1980年后光纖傳感器受到世界各國(guó)的重視，成為光纖領(lǐng)域中一個(gè)受人注目的發(fā)展動(dòng)向。

本文將傳感器技術(shù)應(yīng)用于鐵路監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析，可以判斷鐵路周圍有無(wú)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。

1.1光纖傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光纖傳感系統(tǒng)基本由光發(fā)生器、信號(hào)解調(diào)、光探測(cè)器、信號(hào)處理等部分構(gòu)成。光源主要是指LED、白熾燈、激光器等。信號(hào)調(diào)制是指待測(cè)參量引起光信號(hào)強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位或者偏振態(tài)的變化。光探測(cè)器能夠檢測(cè)出入射到其面上的光功率的大小，并把光功率的的該變量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，常見(jiàn)的光探測(cè)器有光電倍增管、熱電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器等。

1.2光纖傳感技術(shù)的基本原理

光發(fā)生器產(chǎn)生的光進(jìn)入光信號(hào)解調(diào)區(qū)，被測(cè)量的物理量與進(jìn)入解調(diào)區(qū)的光之間發(fā)生作用，光纖發(fā)生彎曲或者外界施加壓力或者溫度改變等因素都會(huì)使光纖里的光信號(hào)的模態(tài)和相位改變，從而體現(xiàn)在光學(xué)特性的改變，成為被解調(diào)的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光探測(cè)器，并經(jīng)過(guò)解調(diào)而轉(zhuǎn)變成使之發(fā)生改變的被測(cè)參數(shù)。

1.3分布式光纖振動(dòng)傳感器

分布式光纖傳感系統(tǒng)按其監(jiān)測(cè)的范圍大小可以分為兩種：準(zhǔn)分布式和全分布式。準(zhǔn)分布式是通過(guò)將許多單獨(dú)的光纖傳感器通過(guò)耦合器以串聯(lián)、并聯(lián)或是其他的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ今詈系酵桓饫w上，通過(guò)光電探測(cè)器及相關(guān)的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)接收解調(diào)信號(hào)從而獲取被監(jiān)測(cè)區(qū)域的空間狀態(tài)信息分布，在該系統(tǒng)中，光纖只負(fù)責(zé)傳光而不具備傳感效果。全分布式光纖傳感器相比準(zhǔn)分布式而言，其最主要的不同點(diǎn)在于其光纖不僅能夠傳光，而且還能夠傳感。

2.1窗函數(shù)選擇

窗函數(shù)的選擇原則：主瓣寬度應(yīng)盡可能窄，提高頻域分辨率和減少泄露，以獲得較大的阻帶衰減。具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。旁瓣幅度隨頻率盡快衰減。如這兩條不能同時(shí)滿足，往往是增加主瓣寬度以換取對(duì)旁瓣的抑制。

本文在選擇窗函數(shù)時(shí)，根據(jù)所分析光纖振動(dòng)信號(hào)的特性，對(duì)矩形窗、三角窗、漢寧窗和海明窗這4?種常用的窗函數(shù)進(jìn)行篩選。其中，矩形窗的主瓣比較集中，頻率識(shí)別精度最高，但是旁瓣較高導(dǎo)致對(duì)信號(hào)幅值的估計(jì)較差，影響對(duì)光纖信號(hào)能量的計(jì)算;三角窗降低了旁瓣，但主瓣寬度是矩形窗的兩倍，頻率分辨率差，在分析光纖振動(dòng)信號(hào)的頻帶分布時(shí)容易產(chǎn)生畸變;漢寧窗和海明窗都屬于余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同，余弦窗在處理主瓣和旁瓣大小時(shí)較均衡，既減少了頻譜泄露，保證了信號(hào)幅值的準(zhǔn)確度，又有一定的頻率分辨能力。由于海明窗的旁瓣更小，所以考慮減少頻譜泄露，從而增強(qiáng)對(duì)光纖振動(dòng)信號(hào)幅值的估計(jì)精度，本文選取海明窗進(jìn)行加窗處理。

3.1光纖振動(dòng)信號(hào)采集

分布式光纖探測(cè)定位儀的主要工作過(guò)程如下：激光源發(fā)射采用窄線寬激光器，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(guò)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沖頻率與系統(tǒng)的各種指標(biāo)性能要求密切相關(guān)。

調(diào)制后的脈沖峰值功率較弱，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳感，所以需要對(duì)脈沖光進(jìn)行放大。之后將脈沖經(jīng)過(guò)環(huán)形器注入傳感光纖，在環(huán)形器的另一個(gè)端口可以得到后向散射信號(hào)，散射信號(hào)的返回時(shí)間和光纖傳感長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)。將傳感支路中的后向散射信號(hào)與本地光支路中的光信號(hào)進(jìn)行拍頻，可以得到包含一系列頻率的拍頻信號(hào)，用雙平衡探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，將拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并去除其中的直流分量。然后利用高速數(shù)據(jù)采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行記錄。

3.2信號(hào)處理

3.2.1加窗分幀

在第二章中，我們已經(jīng)大致了解基本的窗函數(shù)及其特性、優(yōu)缺點(diǎn)，也詳細(xì)說(shuō)明了窗函數(shù)的選擇原則，并且從光纖振動(dòng)信號(hào)特性的角度對(duì)各類窗函數(shù)進(jìn)行篩選，最終確定使用海明窗進(jìn)行加窗處理。

3.2.2小波閾值去噪

受周圍環(huán)境和人為因素的影響，采集的信號(hào)一般包含一定的噪聲。由于噪聲對(duì)于信號(hào)的分析存在干擾，因此，在分析前需要對(duì)每一幀信號(hào)進(jìn)行去噪。小波閾值去噪可以去除信號(hào)中混有的大部分白噪聲，同時(shí)可以保留原始信號(hào)的特征尖峰。目前，小波閾值去噪在信號(hào)去噪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在很多場(chǎng)景下取得了較好效果。

結(jié)?論

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，研究了分布式光纖振動(dòng)傳感器在軌道交通安全上的應(yīng)用，提出了一種基于光纖傳感技術(shù)的鐵路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)采集處理信號(hào)，對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行歸一化處理，使得監(jiān)測(cè)振動(dòng)帶的過(guò)程更便利。本文通過(guò)比較各類窗函數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)選擇合適的處理方法，通過(guò)小波閾值去噪方法去噪，并將去噪前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果證明了該方法的可行性。

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