基于光纖相干背向瑞利散射的列車實時定位技術(shù)

張訢煒，李 俊，張鼎博，嚴(yán)瑞錦，田 彪，丁國紳，殷和宜，馬 天，王偉峰，翟小偉

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710054；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電學(xué)院，安徽合肥230026；3.今創(chuàng)科技有限公司，江蘇常州213149）

引言

由于軌道交通列車運行密度高、車站間距近、安全性要求高，故而列車運營單位需要實時了解列車在線路中的精確位置，從而實時、動態(tài)地對每一列列車進(jìn)行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護，確保列車的安全行駛，減少列車事故的發(fā)生。因此，車輛高精度、實時定位就成為智能交通的重中之重[1]。

目前常用的列車定位方法有GPS、北斗導(dǎo)航、查詢/應(yīng)答器、擴頻無線通信定位等。GPS 定位的列車識別系統(tǒng)分布在各個區(qū)域，并通過電線與中央處理系統(tǒng)(CPS)連接，但很難獲得列車識別[2]的位置、運行狀態(tài)和故障。易立富、高漸強等人提出基于北斗導(dǎo)航的列車定位技術(shù)[3-4]，該技術(shù)定位精度高，但抗干擾能力差，在隧道以及山區(qū)等區(qū)域無法提供準(zhǔn)確的位置服務(wù)，致其無法準(zhǔn)確定位列車[5]。里程計累加測距定位[6-7]是將里程計安裝在車輪輪軸上，通過計算車輪轉(zhuǎn)速從而得出列車運行速度及行駛距離，但是車輪的空轉(zhuǎn)或磨損會造成里程計測速/測距的誤差?；诓樵?應(yīng)答器的列車定位技術(shù)[8-10]，該技術(shù)只在應(yīng)答器安裝點的定位精度較高，只能給出點式定位信息，技術(shù)投資大，設(shè)備維護成本高。無線通信的列車定位[11-12]利用無線擴頻通信技術(shù)，實現(xiàn)對列車的實時定位及跟蹤，該技術(shù)需要在沿線設(shè)置專用的擴頻基站，投資成本較高。

本文利用鐵路沿線通信光纜中的一芯作為傳感光纜，提出了一種分布式光纖微振動傳感[13-15]技術(shù)，在光纖中注入強相干激光，分析背向瑞利散射回光的特性，從而實現(xiàn)列車種類的識別和位置實時跟蹤。與其他傳感技術(shù)相比，該技術(shù)具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、靈敏度高等特點，并且傳感原件為光纜本身，平均監(jiān)測成本大幅降低，可以實現(xiàn)大范圍監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖振動傳感技術(shù)是根據(jù)光纖中背向瑞利散射光的干涉效應(yīng)來判斷光纖是否發(fā)生振動，并對振動的位置進(jìn)行精確定位[16]。分布式光纖微振動傳感結(jié)構(gòu)如圖1所示：連續(xù)窄線寬激光器輸出的連續(xù)光波經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制轉(zhuǎn)換成脈沖光，再通過摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)環(huán)形器注入到傳感光纖中。脈沖光在沿光纖正向傳播過程中，由于光纖中不均勻的介質(zhì)分布，會產(chǎn)生背向瑞利散射光。散射光沿傳感光纖經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入再次放大，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號，產(chǎn)生的電壓信號由聲光調(diào)制器同步觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再交由上位機進(jìn)行信號處理。

相干背向瑞利散射使用窄線寬激光器以實現(xiàn)脈寬范圍內(nèi)背向瑞利散射光之間干涉效果，光纖某一點發(fā)生細(xì)微振動，會導(dǎo)致該擾動位置的光纖折射率發(fā)生變化，光纖折射率的改變進(jìn)而導(dǎo)致光相位發(fā)生變化，相位及折射率發(fā)生變化會產(chǎn)生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光電探測器轉(zhuǎn)化。對前后時刻瑞利信號曲線進(jìn)行差值運算，差分曲線上干涉光強信號發(fā)生變化的位置，對應(yīng)擾動發(fā)生的位置。

考慮在t時刻光纖上空間相干的A和B兩點，背向瑞利散射光信號ES A和ES B分別為其背向散射光振幅，參考雙光束干涉理論，IAB數(shù)學(xué)表達(dá)形式為

式中：Δφ為 兩束光的相位差；IA為A點的光強；IB為B點的光強。

在無任何干擾的情況下，A、B兩點經(jīng)過干涉后的光強是保持不變的。假設(shè)在A、B兩點之間有一點C，該點發(fā)生擾動，C點到光脈沖發(fā)射端的距離記為LC，擾動發(fā)生于脈沖到達(dá)前，擾動作用在光纖上的長度記為 ΔLC，擾動對C點的折射率產(chǎn)生調(diào)制，則A/B兩點散射光相位差為

式中：τIC為光脈沖到達(dá)擾動點C的時間；τIB為光脈沖到達(dá)擾動點B的時間；τBC為B點散射的光到達(dá)擾動點C的時間。

擾動會使得光纖中的光折射率發(fā)生變化，從而致使兩點相位差成為時間函數(shù)，A、B兩點干涉后光強也會跟隨時間的變化而變化，通過前后脈沖的瑞利信號時間差分圖就可以對擾動的位置進(jìn)行精確的定位。

2 實驗室測試

2.1 光源測試

本文使用的系統(tǒng)采用了NKT 公司的E15 光纖激光器，計算光纖中激光的最小相干長度，根據(jù)該公司給出的技術(shù)指標(biāo)，該激光器的理論線寬小于100 Hz。

式中：Δf為激光器發(fā)射的激光理論線寬最大值，取100 Hz；c為光在光纖中的速度，取 2×108m/s。

單次脈沖放大的最大探測長度在實際的現(xiàn)場應(yīng)用當(dāng)中不超過40 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計算出來的激光的最小相干長度，因此該激光器滿足列車實時監(jiān)測的需求。

2.2 PZT 振動測試

基于圖1 的分布式光纖微振動傳感結(jié)構(gòu)探測的頻率在0～100 Hz 之間，分別取分布式光纖微振動傳感結(jié)構(gòu)在10 Hz、50 Hz 和100 Hz 這3 個頻率下壓電陶瓷的響應(yīng)能力，如圖2所示，由圖可知只有在低頻率段才會出現(xiàn)微弱的噪聲。

圖2 10 Hz、50 Hz 和100 Hz 條件下PZT 振動頻率響應(yīng)圖Fig.2 Frequency response diagram of PZT vibration at 10 Hz,50 Hz and 100 Hz

2.3 系統(tǒng)測試

實驗室使用窄線寬激光器，激光器中心波長為1 550 nm、功率為20 mW、線寬100 Hz；光纖放大器的增益均為15 dB；數(shù)據(jù)采集卡采用簡儀科技PCle-9802DC，數(shù)據(jù)采集卡和聲光調(diào)制器采用同一發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制，脈寬設(shè)置為100 ns，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率設(shè)置為250 MSa/s，可實現(xiàn)0.4 m 的空間分辨率，布置傳感光纖的總長度為800 m，采用單模光纖，纖芯光折射率為1.48，采樣點2 000 個，每一次采樣的間隔是重復(fù)頻率，每次采集的數(shù)據(jù)量不變，第500 采樣點為傳感光纖200 m 處，圖3(a)的傳感光纖處于靜止無擾動狀態(tài)；圖3(b)為光纖在采樣點500 處給予穩(wěn)定的手機振動，振動間隔為0.5 s，共采集6 次作RMS 數(shù)據(jù)圖，對比靜止情況下和振動情況下的圖可以清晰看出系統(tǒng)在振動后電壓發(fā)生明顯變化，在穩(wěn)定狀態(tài)下各個采樣點的電壓基本保持在0.01 V 上下波動，在200 m 處振動情況下及其附近采樣點的電壓發(fā)生明顯的波動，最大電壓為0.2 V，信噪比在30 dB～40 dB 之間。

圖3 傳感光纖在靜止?fàn)顟B(tài)下和第500 監(jiān)測點穩(wěn)定振動RMS 數(shù)據(jù)圖Fig.3 Stable vibration RMS data of sensing fiber at static state and the 500 th monitoring point

3 現(xiàn)場測試及討論

3.1 現(xiàn)場布置

測試段光纜全長23 km，為埋地加橋架形式鋪設(shè)。分布式光纖微振動傳感系統(tǒng)放置于首站通信機房內(nèi)。測試點為距離首站4.5 km 的位置，附近沒有大型施工場地，光纜監(jiān)測零點選擇為通信機房。圖4 為列車信號振動監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過尾纖與車軌旁鋪設(shè)光纜連接，以接收從光纜傳來的光信號。當(dāng)列車經(jīng)過測試點時，2 節(jié)車廂連接處碰撞產(chǎn)生振動信號，該信號以機械波形式通過鐵軌傳入大地再傳到通訊光纜上，使光纖發(fā)生細(xì)微振動，產(chǎn)生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光電探測器接收，最后數(shù)據(jù)采集卡采集光強信號交由上位機處理。通過對處理得到的能量譜圖進(jìn)行分析，確定該信號的頻率、強度等因素，對車速和位置等進(jìn)行判斷。

圖4 列車振動信號監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 Train vibration signal monitoring system

3.2 列車類型識別

途經(jīng)客貨車輛分為2 類，客運列車和貨運列車，2 類列車經(jīng)過時震感都比較明顯，其中，貨車震感最強，其次是客車。圖5 展示了距離首站4.5 km處的一輛16 節(jié)的客車經(jīng)過時分布式光纖聲波振動系統(tǒng)采集到的列車振動信號和經(jīng)過差分處理后的信號波形圖。

圖5 客車經(jīng)過的原始信號圖和差分信號圖Fig.5 Diagram of original signal and differential signal of passing train

經(jīng)過差分處理后，從圖中可以看出客車的車廂振動信息。由于每節(jié)車廂有2 個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架在碰撞鐵軌連接處會形成一定的振動。列車振動通過鐵軌傳遞到光纜上需要經(jīng)過土壤等傳輸介質(zhì)，導(dǎo)致采集得到的振動波信噪比降低，但不影響對車廂數(shù)的識別計算。圖5 中周期性的包絡(luò)信號代表車廂和鐵軌的碰撞，通過計算包絡(luò)的個數(shù)可以得出這列客車的車廂總數(shù)是16 節(jié)，和拍攝列車經(jīng)過的視頻計算的車廂數(shù)一致，進(jìn)一步分析了分布式光纖微振動系統(tǒng)采集到的這列客車產(chǎn)生振動信號的頻譜分布情況。數(shù)據(jù)顯示，客車車廂長度大約為25 m，16 節(jié)車廂總長度約為400 m。

從圖6 可以看出列車振動的影響范圍遠(yuǎn)大于400 m 的車廂總長。這是由于列車本身以一定速度行駛，產(chǎn)生的振動波通過土壤會傳遞到更遠(yuǎn)的區(qū)域，與振動的影響區(qū)域和列車速度、車重都有關(guān)系。對于客車來講，發(fā)現(xiàn)整個列車產(chǎn)生的振動波頻率集中在低頻段，多數(shù)集中在小于50 Hz 的頻率區(qū)間。在列車位置中心點附近，有一些相對高的頻段出現(xiàn)，可延伸到250 Hz，這些頻率的產(chǎn)生可能和輪軌之間的碰撞產(chǎn)生的高頻分量有關(guān)。隨著振動波向更遠(yuǎn)的地方傳播，高頻信息逐漸衰減。同理，圖7 展示了分布式光纖微振動系統(tǒng)采集到的一列貨運列車的時域信號。由于貨運車載物后的質(zhì)量大于客車，圖中可看出振動信號的強度普遍高于客車。客車振動強度集中于35 dB～45 dB 中。

圖6 客車經(jīng)過的頻譜空間瀑布圖Fig.6 Frequency spectrum space waterfall of passing train

圖7 貨車經(jīng)過的原始信號圖和差分信號圖Fig.7 Diagram of original signal and differential signal of passing freight train

影響振動強度因素有車速、土壤性質(zhì)、光纖距鐵路中心線距離和車載重等。隨著光纖距列車距離越大，地面垂向振動加速度越??；在振動傳播的途徑上，土壤性質(zhì)也對振動傳播有很大影響，一般來說硬土比軟土的振動加速度峰值小得多；另外列車的車速越快，所產(chǎn)生的振動越大，車速變化對靠近振源處地面振動影響較大；車載重越大,產(chǎn)生的振動也越大。以上特征可以作為判斷客車、貨車和機車的主要特征。

從圖8 中可以看出，客運列車從5 590 m 行駛到5 695 m 時，運動方向是開出車站的方向，速度逐漸增加。客運列車隨著車速的增加，逐漸出現(xiàn)較高的頻率。系統(tǒng)采樣頻率是300 Hz，在5 590 m處，振動主頻集中在1 Hz～2 Hz,有25 dB 的動態(tài)范圍。當(dāng)列車到達(dá)5 695 m 處，30 Hz 內(nèi)的頻率能量有了明顯的增強，可以推斷隨著列車的提速，車廂和軌道間撞擊產(chǎn)生的振動加快，該振動能量通過軌道傳遞給土壤被傳感光纜接收。

圖8 客運列車在5 590 m（灰）和5 695 m（黑）處的振動時域信號和對應(yīng)的頻譜波形Fig.8 Vibration time-domain signals and corresponding frequency spectrum waveform of trains at 5 590 m and 5 695 m

由圖9 可以看出，在分布式光纖微振動傳感系統(tǒng)同一空間分辨率內(nèi)，假定列車的速度基本保持不變，振動信號頻率分布基本一致。主振頻率在1 Hz～2 Hz,對應(yīng)相應(yīng)的車廂周期性撞擊鐵軌產(chǎn)生的振動。通過上述論述，可以看出不同種類的列車由于長度不同，導(dǎo)致作用的振動區(qū)間長度不同；同時，不同類型列車車軸數(shù)不同，造成在時域波形上包絡(luò)數(shù)不同。以上2 個特征可以作為判斷客車、貨車和機車的主要特征。

圖9 列車在同一空間分辨率內(nèi)的兩點5 590 m（黑）和5 588 m（灰）處的振動時域信號和對應(yīng)的頻譜波形圖Fig.9 Vibration time-domain signals and corresponding frequency spectrum waveform of passenger trains at 5 590 m and 5 588 m in same spatial resolution

3.3 列車定位

通過分布式光纖微振動傳感系統(tǒng)可以實現(xiàn)對列車行駛軌跡的實時監(jiān)測。圖10 表現(xiàn)出距離控制中心站4.5 km 處，有16 節(jié)客車經(jīng)過時，振動明顯。從圖中可以看出，客車產(chǎn)生的振動覆蓋范圍約450 m，根據(jù)鐵路局提供的貨車信息，每節(jié)車廂長度為25 m，加上機車的長度20 m，客車的總長度約為420 m，覆蓋的振動區(qū)間略大于車輛的總長度。這是由于列車在運動過程中，引起的振動區(qū)域大于列車本身的長度，振動波通過土壤傳播到傳感光纜上被檢測。

圖10 貨車經(jīng)過的時域瀑布圖，時域瀑布圖Fig.10 Diagram of time-domain waterfall and frequencydomain waterfall of passing freight train

圖11 為分布式光纖微振動傳感系統(tǒng)采集到機車（列車頭）通過距離控制室2 760 m～3 100 m 的軌跡。

圖11 機車時域瀑布圖Fig.11 Time-domain waterfall diagram of locomotive

從圖11 可以看出，在這段區(qū)間內(nèi)，計算得到機車的平均速度9 m/s，行駛方向為從西開往東。對比機車和貨車的情況可以看出，機車引起的振動范圍較小，大致為25 m，作用長度比機車本身的長度20 m 稍長一些。在有些點位上振動較強，另一些點位則振動較弱，因為振動具有傳播性，因此在列車行進(jìn)過程中，列車所產(chǎn)生的振動范圍是要略大于列車的長度的。

4 結(jié)論

本文提出的分布式光纖振動的鐵路預(yù)警系統(tǒng)是利用基于通信光纖中背向瑞利散射光波干涉效應(yīng)，探測列車振動引起的光波相位變化。利用鐵路沿線敷設(shè)的通信光纜作為傳感器，可實現(xiàn)列車類型的識別，能夠區(qū)分客車、貨車及電力機車。同時，實現(xiàn)了對列車車速和車輛位置信息進(jìn)行連續(xù)實時監(jiān)控。作為軌道信號系統(tǒng)的一種有效補充手段，分布式光纖微振動鐵路預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)了25 km運行區(qū)段內(nèi)列車運行軌跡的實時跟蹤。該系統(tǒng)對列車位置的定位誤差在±10 m。該技術(shù)本質(zhì)安全，長距離監(jiān)測成本低，時效性好，有望配合現(xiàn)有軌道信號系統(tǒng)，實現(xiàn)列車位置的實時跟蹤，對于提高列車移動閉塞系統(tǒng)效率具有積極意義。