本實用新型涉及軌道交通監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前中國鐵路建設(shè)正迎來前所未有的發(fā)展高峰，鐵路施工建設(shè)以及日常運營維護工作也對鐵路科技工作者提出更高要求：在鐵路運營中如何對鋼軌的應(yīng)變進行測量防止溫度變化導致無縫線路脫軌系數(shù)增加；如何對鐵路沿線的路基病害、防護邊坡的穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測等。這些都是在既有線路建設(shè)改造和高速鐵路運營中亟待解決的關(guān)鍵問題。

在車流負載巨大的情況下，如果能對軌道系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，在災(zāi)難發(fā)生前發(fā)出預警信息，可以提升整個軌道交通系統(tǒng)的安全性與可靠性。然而軌道系統(tǒng)是一個線狀的分布，就國內(nèi)而言鐵路全長達十萬公里，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段多針對點狀或有限區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)而設(shè)計，而且系統(tǒng)中電源線、變電站等所產(chǎn)生的電磁波干擾對傳統(tǒng)電磁式傳感器也會產(chǎn)生干擾。因此如果要構(gòu)建一套適用于國內(nèi)軌道交通所需的傳感系統(tǒng)，除考慮對軌道本身受溫度、速度、載重效應(yīng)所產(chǎn)生的變形以及軌道沿線結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)等相對變位(橋梁、道基、隧道等)做長距離分布式監(jiān)測外，監(jiān)測信息的質(zhì)量和穩(wěn)定性也必須在考慮范圍之內(nèi)。

基于準分布式光纖光柵傳感的軌道交通監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測鋼軌表面應(yīng)變，其中用于傳感的是光纖光柵，是一種新興的傳感器件，具有抗電磁干擾，精度高，測量范圍大、傳輸損耗小和有效使用壽命長的優(yōu)點。針對軌道交通中多霧多雨少人的地區(qū)，設(shè)備維護困難，而且外置設(shè)備存在易損和易竊的特殊情況，更適合采用先進的光纖光柵傳感技術(shù)對軌道交通系統(tǒng)進行長期實時監(jiān)測，針對軌道交通具有線狀分布、距離遠、測量點多的特點，采用分布式光纖傳感技術(shù)，具有與其他傳感技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，可以探測出長達幾十公里的光纖不同位置的溫度和應(yīng)變等物理量的變化。

本實用新型基于光纖傳感的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中仍有一些不足之處，如傳感器封裝薄弱易損壞，波長解調(diào)設(shè)備解調(diào)速率較低。因此需要參考國外先進技術(shù)方案結(jié)合國內(nèi)工程應(yīng)用中的實際需求，使光纖光柵傳感器滿足軌道監(jiān)測更快速率、更高精度和更長距離的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型需要解決的技術(shù)問題就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，使用光纖光柵作為傳感器件，采用分布式光纖傳感技術(shù)，具有與其他傳感系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢，如抗電磁干擾，精度高，測量范圍大、傳輸損耗小和有效使用壽命長的優(yōu)點，能夠高效、便捷的對軌道系統(tǒng)進行監(jiān)測，具有極佳的監(jiān)測效果。

為解決上述問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)包括光纖傳感器模塊，光源模塊，光復用模塊，光波長解調(diào)模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊和監(jiān)控中心；其中光纖傳感器模塊是由用于多點測量的光纖光柵傳感器陣列組 成，本系統(tǒng)設(shè)置為多根光纖光柵級聯(lián)，根據(jù)光源光譜范圍將每跟光纖光柵設(shè)置為四個柵區(qū)，分別為FBG1、FBG2、FBG3和FBG4，相互間隔可以根據(jù)分布式監(jiān)測要求而定，然后采用膠粘固定式的方法對傳感網(wǎng)絡(luò)進行封裝，固定在軌道系統(tǒng)的側(cè)面，進而形成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對軌道準分布式測量的要求；光源模塊使用寬譜光源作為監(jiān)測系統(tǒng)的光源，由驅(qū)動電源來驅(qū)動；寬譜光通過光隔離器進入光復用模塊，系統(tǒng)的光復用模塊采用耦合器與波分復用和空分復用技術(shù)相結(jié)合的光開關(guān)器相連接；軌道的應(yīng)變量通過傳感光纖裝換為光傳感信號，并通過復用模塊反射回波長解調(diào)模塊，為確保傳感信號解調(diào)的高精度，本監(jiān)測系統(tǒng)的光波長解調(diào)，是采用摻鉺光纖放大器、基于邊沿濾波解調(diào)技術(shù)的多通道陣列波導光柵和光電探測器來完成；通過波長解調(diào)模塊，傳感信號被解調(diào)為模擬被測信號，進一步通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理單元，計算出光柵中心反射波長變化量，并顯示在監(jiān)控計算機上，監(jiān)控計算機與遠程中心監(jiān)控站相連，實現(xiàn)對軌道的實時分布式監(jiān)測。

基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對軌道的分布式和實時監(jiān)測，寬譜光源在驅(qū)動電源的驅(qū)動下，采用波長掃描型分布式光纖傳感技術(shù)，把寬譜光源注入光纖中，以光纖布拉格光柵(FBG)作為傳感器，通過檢測輸出光譜的變化進行參數(shù)測量；本系統(tǒng)將寬譜光源連接到光隔離器上，利用驅(qū)動電源驅(qū)動寬譜光源發(fā)射寬譜光到耦合器；本系統(tǒng)光纖傳感陣列利用單模光纖進行級聯(lián)，然后連接到光開關(guān)器上，光開關(guān)再通過耦合器與波長解調(diào)系統(tǒng)相連，形成波分復用和空分復用相結(jié)合的光復用系統(tǒng)；本系統(tǒng)傳感信號通過耦合器反射到摻鉺光纖放大器中，摻鉺光纖放大器與陣列波導光柵濾波器相連，然后與光電探測器連接，形成波長解調(diào)系統(tǒng)；本系統(tǒng)光電探測器與數(shù)據(jù)采集處理模塊相連，具體為，光電探測器后接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字信號處理單元連接到監(jiān)控計算機上，再通過無線通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行谋O(jiān)控站進行統(tǒng)一監(jiān)測分析。

本實用新型的系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1。

優(yōu)選的，本系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)采用光纖光柵傳感陣列，并對其進行膠粘式保護封裝，進行傳感，不僅能實現(xiàn)多點分布式測量，而且還具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。

優(yōu)選的，波長解調(diào)系統(tǒng)是采用陣列波導光柵濾波器，對傳感信號進行準線性濾波，寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器進入光纖光柵傳感陣列，反射回來的傳感信號再次經(jīng)過光纖耦合器進入陣列波導光柵，不同波長的傳感信號被陣列波導光柵波分，同時在每個信道上被線性濾波，濾出的信號直接由光電探測器進行探測，該解調(diào)系統(tǒng)是基于光強檢測，適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有較好的線性輸出。

優(yōu)選的，光復用模塊，采用波分復用和空分復用相結(jié)合的技術(shù)，利用光開關(guān)將三個或多個光柵串進行并行連接，并且通過光開關(guān)來選擇不同的通道接收反射回來的傳感信號，此種復用技術(shù)可以有效解決光纖光柵在波分復用傳感時光源帶寬的限制和在時分復用傳感時光源能量的限制問題，使得光纖光柵的復用具有更大的靈活性，另外，并行連接的光纖光柵的中心波長可以相同，減少了制作光纖光柵的費用。

本實用新型的光纖光柵封裝結(jié)構(gòu)如圖2。

優(yōu)選的，光纖光柵傳感陣列是由多條傳感光纖并聯(lián)組成，經(jīng)過打磨與清洗，傳感光纖通過502膠固定于軌道側(cè)面監(jiān)測點，并利用環(huán)氧樹脂膠將纖維布包在光纖外側(cè)，形成保護層，此種膠粘式固定方法是最常用的一種封裝方式，具有簡便易行、靈活快捷、適用面廣等優(yōu)勢。

本實用新型的數(shù)字信號處理單元工作過程軟件流程圖如圖3所示，包括步驟：

S1：進行設(shè)備初始化：包括輸入輸出端口初始化、模塊接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)的初始化設(shè)置等。

S2：脈沖信號產(chǎn)生：利用脈沖信號驅(qū)動數(shù)字信號處理單元的運行。

S3：讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果：對模數(shù)轉(zhuǎn)化器的結(jié)果進行讀取。

S4：計算光柵中心反射波長變化量；通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進行分析，計算出傳感信號的中心波長，進一步與光纖光柵的中心波長做差，得到變化量。

S5：檢測測量是否完畢：如果檢測完畢則結(jié)束數(shù)字信號處理單元工作，將處理結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，否則對模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進行重新讀取。

本實用新型的優(yōu)點和有益效果為：

(1)本實用新型采用光纖光柵作為傳感器，這是一種新興的傳感器件，具有抗電磁干擾，精度高，測量范圍大、傳輸損耗小和有效使用壽命長的優(yōu)點。

(2)本實用新型采用分布式光纖傳感技術(shù)，具有與其他傳感系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢，如抗電磁干擾，精度高，測量范圍大、傳輸損耗小和有效使用壽命長的優(yōu)點，能夠高效、便捷的對軌道系統(tǒng)進行監(jiān)測。

(3)本實用新型采用波分復用和空分復用相結(jié)合的光復用技術(shù)，利用光開關(guān)實現(xiàn)多路傳感信號的選擇，此種復用技術(shù)可以有效解決光纖光柵在波分復用傳感時光源帶寬的限制和在時分復用傳感時光源能量的限制問題，使得光纖光柵的復用具有更大的靈活性，并且，并行連接的光纖光柵的中心波長可以相同，減少了制作光纖光柵的費用。

(4)本實用新型采用陣列波導光柵濾波器作為解調(diào)系統(tǒng)的核心器件，其基于光強檢測，適用于動態(tài)、靜態(tài)測量，具有較好的線性輸出。

(5)本實用新型采用中心監(jiān)控站統(tǒng)一監(jiān)測與管理，針對軌道交通中多霧多雨少人的地區(qū)，設(shè)備維護困難，利用中心監(jiān)控站可以很方便地對軌道交通系統(tǒng)進行長期實時監(jiān)測，并且實現(xiàn)了對長達幾十公里的軌道不同位置的應(yīng)變量監(jiān)測的智能化處理。

附圖說明

圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型中的傳感光纖的封裝截面圖。

圖3為本實用新型中數(shù)字信號處理單元的工作軟件流程圖。

圖中：1、軌道；2、光纖布拉格光柵；3、單模光纖；4、光纖光柵傳感器陣列；5、驅(qū)動電源；6、寬譜光源；7、光隔離器；8、光耦合器；9、光開關(guān)器；10、摻鉺光纖放大器；11、陣列波導光柵濾波器； 12、光電探測器；13、模數(shù)轉(zhuǎn)換器；14、數(shù)字信號處理單元；15、監(jiān)控計算機；16、中心監(jiān)控站；17、光纖包層；18、纖維布；19、環(huán)氧樹脂膠；20、502膠。

具體實施方式

一種基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，實施例1

如圖1和圖2所示，本實用新型為一種基于準分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，光纖布拉格光柵2通過單模光纖3連接成為光柵串，多個光柵串級聯(lián)形成光纖光柵傳感器陣列4，并將光纖光柵傳感器陣列4膠粘與軌道1上，單模光纖1將光纖光柵傳感器陣列4與光開關(guān)9相連接；驅(qū)動電源5連接到寬帶光源6上，寬帶光源6與光隔離器7連接，光隔離器7后接光耦合器8，并且連接到光開關(guān)器9上；光耦合器8通過反射回路與摻鉺光纖放大器10連接，而摻鉺光纖放大器10連接到陣列波導光柵濾波器11，并通過輸出信道與光電探測器12連接；光電探測器12后接模數(shù)轉(zhuǎn)換器13，并連接到數(shù)字信號處理單元14，然后通過監(jiān)控計算機15將處理數(shù)據(jù)以無線通信的方式傳輸給中心監(jiān)控站；傳感光纖4外包光纖包層17，通過502膠20固定在軌道1上，并且利用環(huán)氧樹脂膠19將纖維布18膠粘于光纖傳感4外側(cè)。

由所述光纖傳感網(wǎng)絡(luò)組成的軌道檢測系統(tǒng)，寬譜光源在驅(qū)動電源的驅(qū)動下，發(fā)出寬譜光到光隔離器，通過光隔離器高隔離度，實現(xiàn)寬譜光高效率的傳輸；經(jīng)過光隔離器，寬譜光進入與光隔離器相連的耦合器，進而將寬譜光傳輸?shù)侥z粘式封裝的光纖光柵傳感陣列，光纖傳感陣列與光復用模塊相連，發(fā)生應(yīng)變的軌道驅(qū)動光纖傳感器發(fā)出傳感信號，通過光復用模塊將光傳感信號反射到波長解調(diào)模塊，而波長解調(diào)模塊是由摻鉺光纖放大器和波導光柵陣列解調(diào)裝置以及光電探測器相連接組成，傳感信號通過波長解調(diào)，被傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器中，進而進入數(shù)字信號處理單元進行數(shù)字信號處理，將處理結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機中，然后再通過無線通信，進入中心監(jiān)控站進行統(tǒng)一分析與處理。

本實用新型采用的光纖傳感模塊、光復用模塊和光解調(diào)模塊均為現(xiàn)有成熟技術(shù)，本實用新型中的寬譜光源、光隔離器、光耦合器、光電探測器、摻鉺光纖放大器等硬件均為現(xiàn)有的成熟技術(shù)，在本實用新型中不在敘述；本實用新型采用的數(shù)字信號處理單元的軟件工作流程如圖3所示，但是該軟件部分不作為本實用新型的保護范圍。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。