一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法与流程

本发明为一种基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)技术的列车行驶轨迹检测方法，具体涉及光时域光纤传感技术和列车行驶轨迹检测领域，尤其是一种对列车行驶轨迹的在线实时检测的方法。

背景技术：

实时准确掌握列车当前的行驶位置，对铁路运行安全至关重要。铁路轨道交通系统中的列车运行自动控制系统(ATC)，或高铁列车运行控制系统(CTCS)，其轨道电路在遭遇恶劣气象条件、雷电高压冲击或泥石流等地质灾害时，易造成电路系统故障，给行车安全带来隐患。而目前列车车载控制设备仅能依靠轨道电路、地面应答器或地面无线通信基站等地面设施提供的信号获取当前线路的信息，存在施工量大、维护成本高、抗电磁干扰能力差等缺点。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中存在的问题，提出一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法。

相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是近年来发展很快的一种检测技术，与常规OTDR一样，光脉冲从光纤的一端注入，用光探测器探测后向瑞利散射光。不同的是注入光纤中的光是强相干的，因此该传感系统的输出就是后向瑞利散射光相干干涉的结果。

Φ-OTDR通过测量注入脉冲与接收到的信号之间的时间延迟来得到扰动的位置s＝v*t/2，其中t为系统从发射探测脉冲到接收所经历的时间；v为激光在光纤中传输的速度v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，约为3.0×10⁸m/s，n为光纤的固有折射率，其折射率在1.50左右，实际测量中根据采用的光纤来决定。

铺设在铁轨旁的光纤，由于列车行驶而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度等参数将会发生变化，这将导致该位置光相位的改变。因为入侵位置的散射光传输到探测器经历的是周期性的相位变化，因此，最终相位的变化由于干涉作用将导致光强发生变化，并与入侵的位置相对应。

本发明以Φ-OTDR为基础，首先对采集到的原始信号进行小波去噪处理，然后对紧邻的两个时刻记录的信号进行差值运算，并采用动态阈值和基于小波变换的低通滤波处理，最后根据识别出的有效信号确定列车行驶轨迹，具体包括以下步骤：

(1)通过相位敏感光时域反射计系统获得铁轨沿线后向散射光原始信号；

(2)对每条采集的原始信号进行去噪处理；

(3)计算两个紧邻时刻原始信号的差值；

(4)计算差值信号的动态阈值，并对差值信号进行阈值处理；

(5)对经过阈值处理后的差值信号进行滤波；

(6)对滤波处理后的信号进行幅值特征判断，大于等于阈值则判定为有效信号，并计算有效信号的持续长度；

(7)重复上述(1)-(6)步骤，通过发射探测脉冲光到接收到散射光所经过的时间来确定列车当前位置；通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度。

有益效果：

本发明提出了一种基于相位敏感光时域反射计技术的列车行驶轨迹检测方法，该方法仅使用现有的轨旁光缆，无需额外的施工工作量，具有安装简单、使用寿命长、维护成本低、抗干扰能力强，可实现大范围分布式检测等诸多优点，能为当前列车行驶提供一种可靠的辅助判断手段，对于列车安全行驶具有重要的潜在应用价值。

为解决Φ-OTDR在使用时基准变化的问题，本发明采用紧邻的两条信号进行相减，因时间间隔极短，所以作为系统基准在这两个时刻的变化非常小，使得这段时间基准的变化可忽略不计。

另外，对差值信号进行阈值处理，可以消除部分噪声，并进行基于db12小波变换的低通滤波处理，可以进一步提高去噪效果。

附图说明

图1 基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法流程图

图2 1570ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图

图3 3750ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图

图4 5905ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的说明。

根据附图1的方法实施流程图所示，本发明首先利用Φ-OTDR系统在某南方高铁站采集一段时间内某段高铁动车线路的原始信号，即铁轨沿线后向散射光信号，如附图2中的原始信号所示。该信号反映出铁轨沿线的振动信号，附图3和附图4中的原始信号类似，仅是时间上有差别。

本发明首先对采集到的原始信号进行小波去噪，采用的是基于sym8小波分解，采用MATLAB软件中已有的小波库函数实现。

为解决Φ-OTDR在使用时基准变化的问题，本发明采用紧邻的两条信号进行相减。具体做法如下：对同一检测路段进行连续信号采集，本发明中Φ-OTDR系统的探测脉冲重复发射频率为500Hz，即系统在发射一个很窄的探测脉冲以后，在距离下一个脉冲发射的周期内，会去接收整个检测路段上光纤的后向散射光。每个记录之间的时间相隔为t＝1/f＝2ms，在附图2中，就是利用当前时刻的记录减去2ms时刻之前的记录来获得差值信号。当然也可以根据实际需要取相隔2个或其它多个周期的时间间隔的记录做差值。本发明所取时间间隔为1个周期的记录做差值。采用短时间间隔的记录相减方法，可以克服铁路周围环境复杂、干扰多，以及Φ-OTDR光学仪器本身不稳定性带来的基准变化问题。

接下来进行差值阈值处理。对于阈值的确定，本发明采用动态确定方法，即首先取差值后的极值，然后对极值取绝对值，并从小到大进行排序，取排序后的极值数组中95％位置处的值作为阈值，这样可排除部分干扰。如附图2所示，对用一维离散数组表示的差值信号求极值，x(i+1)-x(i)，然后判断该数组中相邻两个数的符号：如果相邻符号不同且先正后负则该点为极大值，先负后正则为极小值。然后对求出的极值求绝对值|x(i)|并从小到大排序，取排序后95％位置处的值作为阈值。

将经过阈值处理后的差值信号进行进一步的基于db12小波变换的滤波处理。阈值处理以后的信号很不规整，也会有很多毛刺，会对观察和识别造成干扰，采用基于小波变换的低通滤波算法，可使得差值信号更易分类和识别。

db小波是一种具有阶层性质的小波，本发明采用db12小波的消失动量值为6，滤波器长度为12。上述过程可采用MATLAB软件实现。

再对滤波处理以后的信号进行幅值特征判断，采用幅值与计算出的阈值进行比较，大于等于阈值的就是一段有效信号，并观察和记录有效信号的持续长度。如附图3中所示的经过处理以后获得的有效信号。现有动车和高铁的列车长度以400m为主，所以持续长度为300米以上的有效信号判定为是列车行驶的有效信号，并且该有效信号所处的位置就是此刻列车的位置，否则认定是异常或者外界环境的干扰信号。

通过发射出探测脉冲光到接收到散射光所经历的时间可以确定列车当前的位置，如附图中图2所示在1570ms时刻，检测路段上在距离检测位置1800m和6000m的距离处有列车在行驶；通过列车这两个时刻位置的不同，就可以判断出列车的行驶方向，观察附图2-附图4共计4张图中有效信号的变化，可以看出距离检测位置1800m的列车的行驶方向是驶近检测位置，而距离检测位置6000m的列车的行驶方向是驶离检测位置。

距离通过列车计算前后两个时刻位置和时间的差值可得出列车的速度，如附图2所示，1570ms时刻驶离检测位置的列车距离检测位置6000m，附图3中，3750ms时刻驶离检测位置的列车距离检测位置6060m。由速度vc＝Δs/Δt可得：

Δs＝6060m-6000m＝60m；

Δt＝(3750-1570)ms＝2.18s；

从而计算出速度vc＝60m/2.18s＝99.08km/h。