[發(fā)明專利]一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的鐵軌異物入侵監(jiān)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710003630.8
• 申請(qǐng)日: 2017-01-05
• 公開（公告）號(hào): CN106741009A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁寧;費(fèi)樹岷;陳夕松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): B61L23/04
• 分類號(hào): B61L23/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明為一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)技術(shù)的鐵軌異物入侵監(jiān)測(cè)方法，具體涉及光時(shí)域光纖傳感技術(shù)和鐵軌沿線安全監(jiān)控領(lǐng)域，尤其是一種監(jiān)測(cè)鐵軌沿線任意位置點(diǎn)發(fā)生異物入侵事件的方法。

背景技術(shù)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路沿線各個(gè)位置點(diǎn)所發(fā)生的某些異物入侵事件，對(duì)于鐵路運(yùn)行和防災(zāi)安全至關(guān)重要。我國(guó)高速鐵路的防災(zāi)安全通過防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)來保證，系統(tǒng)主要包括：地震、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及安裝在公跨鐵橋梁上方、部分公鐵并行路段、部分隧道口和高路塹地段的異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。顯然，針對(duì)特定的異物入侵事件，需要設(shè)置特定的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這使得鐵路系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)復(fù)雜度和成本很高，且只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)的鐵軌異物入侵監(jiān)測(cè)方法。該方法僅使用現(xiàn)有軌旁光纜，無需額外的施工工作量，具有安裝簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大范圍分布式檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能為當(dāng)前列車行駛和防災(zāi)安全監(jiān)測(cè)提供一種可靠的輔助判斷手段，對(duì)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行安全和防災(zāi)安全監(jiān)測(cè)具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)的鐵軌異物入侵監(jiān)測(cè)方法，該方法僅使用現(xiàn)有軌旁光纜，無需額外的施工工作量，具有安裝簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大范圍分布式檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能為當(dāng)前列車行駛和防災(zāi)安全監(jiān)測(cè)提供一種可靠的輔助判斷手段。

技術(shù)方案:相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)是近年來發(fā)展很快的一種檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)OTDR一樣，光脈沖從光纖的一端注入，用光探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光。不同的是注入光纖中的光是強(qiáng)相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是后向瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。

Φ-OTDR通過測(cè)量注入脈沖與接收到信號(hào)之間的時(shí)間延遲來得到擾動(dòng)的位置s＝c*t/2n來確定反射散射光的具體位置，其中其中t為時(shí)間延遲；c是激光在真空中傳輸時(shí)的速度，n為光纖的固有折射率；其折射率在1.50左右，實(shí)際測(cè)量中根據(jù)采用的光纖來決定。

鋪設(shè)在鐵軌旁的光纖，由于列車行駛而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)位置光纖的折射率及長(zhǎng)度等參數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致該位置光相位的改變。因?yàn)槿肭治恢玫纳⑸涔鈧鬏數(shù)教綔y(cè)器經(jīng)歷的是周期性的相位變化，因此，最終相位的變化由于干涉作用將導(dǎo)致光強(qiáng)發(fā)生變化，并與入侵的位置相對(duì)應(yīng)。

本發(fā)明以Φ-OTDR為基礎(chǔ)，首先對(duì)一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)路段上任意位置點(diǎn)的原始散射光信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理，然后對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換和自回歸模型功率譜能量估計(jì)處理，最后根據(jù)信號(hào)的頻率特征來判定任意位置點(diǎn)是否有異物入侵事件發(fā)生，主要包括以下步驟：

1)通過相位敏感光時(shí)域反射計(jì)系統(tǒng)獲得一段時(shí)間內(nèi)鐵軌沿線原始散射光信號(hào)；

2)對(duì)原始散射光信號(hào)進(jìn)行抽取，獲得任意位置點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)原始散射光信號(hào)；

3)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的原始散射光信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理；

4)對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換；

5)對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行自回歸模型的功率譜估計(jì)；

6)重復(fù)上述1)-5)步驟，通過發(fā)射探測(cè)脈沖光到接收到散射光的時(shí)間延遲和公式：s＝c*t/2n來確定反射散射光的具體位置，其中s為相應(yīng)位置點(diǎn)的距離，t為時(shí)間延遲；c是激光在真空中傳輸時(shí)的速度，n為光纖的固有折射率；通過一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)采集，獲得任意位置點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的原始散射光信號(hào)；然后對(duì)任意位置點(diǎn)及其前后位置點(diǎn)原始信號(hào)的低通濾波、短時(shí)傅里葉變換和現(xiàn)代譜估計(jì)中的自回歸模型(AR)方法處理，通過分析處理后信號(hào)的頻率特征，來判斷一段時(shí)間內(nèi)該位置點(diǎn)是否有異物入侵事件發(fā)生。

其中：

所述通過一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)采集，獲得任意位置點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的原始散射光信號(hào)，是通過一段時(shí)間內(nèi)對(duì)監(jiān)測(cè)路段原始后向散射光信號(hào)的連續(xù)采集、抽取，獲得監(jiān)測(cè)路段任意位置點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的原始散射光信號(hào)。

所述濾波去噪處理，采用基于db12小波變換的低通濾波算法。

所述短時(shí)傅里葉變換，是對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行加漢明窗的短時(shí)傅里葉變換。

所述現(xiàn)代譜估計(jì)中的自回歸模型(AR)方法，是對(duì)濾波后信號(hào)采用基于現(xiàn)代譜估計(jì)中自回歸模型(AR)方法的功率譜估計(jì)。