基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的制作方法

本发明涉及光学技术领域，特别涉及基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统。

背景技术：

光纤作为一种以光为媒介的传感器，抗电磁干扰，能够适应恶劣的自然环境；损耗低，适用于长距离传感；光纤本身即是信号的传输通道，又是传感器。光纤因其体积小、重量轻、抗电磁干扰、对振动、温度和应变敏感等独特优点而被广泛研究。分布式光纤传感系统利用光纤作为传感媒介，可对光纤长度内的目标进行实时远程监测。基于分布式光纤传感的高速铁路异物入侵安全感知与识别装置，能对非法进入高铁线路的物体进行感知和自动识别。现有的两种先进的分布式光纤传感技术，φ-otdr（相位敏感光时域反射计，phase-sensitiveopticaltime-domainreflectometer）和botda（布里渊光时域分析技术，brillouintimedomainanalysis）。相位敏感光时域反射技术主要用于监测高速铁路沿线异物入侵产生的振动信号。布里渊光时域分析技术主要用于监测高速铁路沿线大型异物入侵产生的栅栏形变信号。

我国高速铁路分布区域广、长距离、地质条件复杂、自然灾害严重，同时高速公路具有昼夜运营、封闭式、只允许火车行驶等特点。由于距离长、分布面积广、昼夜运营、封闭式等特点，当高速铁路沿线发生山体滑坡、地质沉降等自然灾害时，无法及时发布道路交通故障警告，容易引发严重的交通安全事故及连锁反应。为了降低高速铁路交通事故，减小人员伤亡和财产损失，迫切需要解决高速铁路沿线自然灾害预警和特殊交通安全事故报警。

目前针对于高速铁路异物入侵监测系统，主要是采用刚性防护网等措施，没有针对于异物入侵进行感知与识别的系统。本发明创造性地提出基于分布式光纤传感的高速铁路异物入侵安全感知与识别系统。同时运用光纤传感技术和视频联动技术，使各自传感优势互相结合以确保高速铁路的线路沿线周边环境的运营安全。异物入侵安全感知与识别装置具有模块化探测功能、多防区防护、可目标追踪性、可识别事物性以及昼夜连续可用性，且能够在线路沿线外的周界处对非法人员、车辆、施工及移动物体进行识别、区分、跟踪及预警，反恐防暴，针对于大型落石、泥石流等侵入运营线路沿线内和外的情况进行感知和预警，有效地保障旅客生命及国家财产的安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供实现高速铁路异物入侵的预警和识别的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，包括监控模块、探测模块和通信模块，所述监控模块为若干个，所述探测模块包括振动探测系统和形变探测系统，所述通信模块包括网络交换装置、数据中心和控制终端，所述探测模块通过所述网络交换装置连接所述数据中心，所述数据中心信号连接所述控制终端：

所述振动探测系统包括振动传感光缆和振动探测主机，所述振动传感光缆布设于铁路栅栏外处，用于感知振动入侵并产生入侵信号，所述振动探测主机通过光缆信号连接所述振动传感光缆，用于接收所述入侵信号并对其进行分析和识别，给出报警位置、识别报警事件和给出电子地图报警显示；

所述形变探测系统包括形变传感光缆和形变探测主机，所述形变传感光缆布设于铁路栅栏上，用于感知栅栏的形变并产生入侵信号，所述形变探测主机通过光缆信号连接所述形变传感光缆，用于接收所述入侵信号并分析对栅栏造成的应力的大小及入侵位置；

所述监控模块，包括摄像装置、存储装置和光纤收发器，用于接收所述探测模块的入侵信号，所述摄像装置通过数据传输光缆，将视频信号传入到所述存储装置上，并在所述控制终端显示。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述振动探测主机包括激光器a11、调制器12、函数发生器a13、掺饵光纤放大器a14、环形器15、探测器a17、采集卡a18和计算器a19，所述激光器a11产生的连续光经过所述函数发生器a13控制下的调制器12调制成脉冲光，再将脉冲光经过所述掺饵光纤放大器a14进行放大，将放大后的脉冲光通过所述环形器15注入到传感光缆中，反射回的瑞利散射光经过所述探测器a17进行光电转化，再通过所述函数发生器a13控制的所述采集卡a18进行数据采集，并将最终数据传入所述计算器a19中。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述激光器a11为半导体外腔激光器或光纤光栅激光器。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述调制器12为声光调制器或电光调制器。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述形变探测主机包括激光器b21、耦合器22、偏振控制器、电光调制器、函数发生器b25、扰偏控制器26、掺铒光纤放大器b27、微波发生器210、光学隔离器211、环形器、光纤光栅滤波器215、探测器b216、采集卡b217和计算器b218，所述形变探测主机中所述激光器b21经过所述耦合器22分成两路，一路光用于产生为泵浦光，一路光用于产生为探测光，所述泵浦光和所述探测光在传感光缆中发生受激布里渊散射现象，产生的斯托克斯光利用所述光纤光栅滤波器215滤出，再经过所述环形器进入所述探测器b216转换成电信号，通过所述采集卡b217对信号进行采集，并传输至所述计算器b218。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述泵浦光经过所述偏振控制器a23进行偏振态调节，再经过所述函数发生器b25控制下电光调制器a24，调制成脉冲光,脉冲光再经过所述扰偏控制器26扰乱其偏振态后，进入所述掺饵光纤放大器b27，再将放大后的脉冲光通过所述环形器a213注入到传感光缆中。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，探测光经过偏振控制器b28进行偏振态调节，进入电光调制器b29，所述电光调制器b29将微波发生器210产生的微波信号加载在探测光上，经过光学隔离器211进入传感光缆，所述传感光缆中产生的背向散射信号，经过所述光纤光栅滤波器215滤出下边频，再经过所述环形器b214，进入所述探测器b216进行光电转化，再通过所述采集卡b217进行数据采集，并将最终数据传入所述计算器b218中

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述激光器b21为分布反馈式半导体激光器dfb或可调谐光纤激光器。

上述的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，所述耦合器22的耦合比为在90:10至50:50之间。

综上所述，本发明具有以下有益效果：这种基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统基于两种分布式光纤传感技术和视频联动技术，分布式光纤传感技术为相位光时域反射技术和布里渊光时域分析技术。利用相位光时域分析技术监测非法人员、车辆、施工入侵高速铁路时，产生的振动入侵信号，并给出入侵信号的位置和事件等信息，其为高速铁路异物入侵的第一层监测系统。利用布里渊光时域分析技术监测大型落石、泥石流入侵高速铁路时，产生的高速铁路栅栏形变信号，并给出入侵信号的位置等信息，其为高速铁路异物入侵的第二层监测系统。当上述两个光纤传感系统中的任意一个系统或者两个系统产生报警时，会联动布设于高速铁路塔杆上的摄像头，调取入侵事件的监控画面，其为高速铁路异物入侵的第三层监测系统。该三层异物入侵监测系统共同保障了高速铁路的安全运营。

附图说明

图1为本发明的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统中振动探测主机的结构示意图；

图2为本发明的基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统中形变探测主机的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

参阅图1、图2，基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统，包括监控模块、探测模块和通信模块，所述监控模块为若干个，所述探测模块包括振动探测系统和形变探测系统，所述通信模块包括网络交换装置、数据中心和控制终端，所述探测模块通过所述网络交换装置连接所述数据中心，所述数据中心信号连接所述控制终端：

所述振动探测系统包括振动传感光缆和振动探测主机，所述振动传感光缆布设于铁路栅栏外处，用于感知振动入侵并产生入侵信号，所述振动探测主机通过光缆信号连接所述振动传感光缆，用于接收所述入侵信号并对其进行分析和识别，给出报警位置、识别报警事件和给出电子地图报警显示，当有异物入侵高速铁路系统时，振动传感光缆会及时感受到入侵产生的振动，并将振动信号通过光缆传输到探测主机1进行信号的分析和识别；

振动探测系统中的振动探测光缆，将其中一根地埋式布设于高速铁路栅栏外2米处，间隔1米环路将另一根光缆平行于第一根光缆地埋布设好，再将振动探测光缆的一端接入振动探测主机的光接口上；

所述形变探测系统包括形变传感光缆和形变探测主机，所述形变传感光缆布设于铁路栅栏上，用于感知栅栏的形变并产生入侵信号，所述形变探测主机通过光缆信号连接所述形变传感光缆，用于接收所述入侵信号并分析对栅栏造成的应力的大小及入侵位置，；

所述监控模块，包括摄像装置、存储装置和光纤收发器，用于接收所述探测模块的入侵信号，所述摄像装置通过数据传输光缆，将视频信号传入到所述存储装置上，并在所述控制终端显示。在高速铁路沿线每间隔一段距离的一个塔杆上放置一台摄像装置，每两台摄像装置之间使用一台交换机，并通过数据传输光缆，将视频信号传入到存储装置上，在显示控制终端进行显示。

优选的，振动探测系统中的振动探测光缆采用s型地埋式布设的方式。

优选的，形变探测系统中的形变探测光缆采用一根双芯的光缆进行布设，采用s型布设方式。

优选的，监控模块中的摄像装置为球型激光摄像机，采用红外摄像机或者热成像摄像机。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述振动探测主机包括激光器a11、调制器12、函数发生器a13、掺饵光纤放大器a14、环形器15、探测器a17、采集卡a18和计算器a19，所述激光器a11产生的连续光经过所述函数发生器a13控制下的调制器12调制成脉冲光，再将脉冲光经过所述掺饵光纤放大器a14进行放大，将放大后的脉冲光通过所述环形器15注入到传感光缆中，反射回的瑞利散射光经过所述探测器a17进行光电转化，再通过所述函数发生器a13控制的所述采集卡a18进行数据采集，并将最终数据传入所述计算器a19中。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述激光器a11为半导体外腔激光器或光纤光栅激光器。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述调制器12为声光调制器或电光调制器。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述形变探测主机包括激光器b21、耦合器22、偏振控制器、电光调制器、函数发生器b25、扰偏控制器26、掺铒光纤放大器b27、微波发生器210、光学隔离器211、环形器、光纤光栅滤波器215、探测器b216、采集卡b217和计算器b218，所述形变探测主机中所述激光器b21经过所述耦合器22分成两路，一路光用于产生为泵浦光，一路光用于产生为探测光，所述泵浦光和所述探测光在传感光缆中发生受激布里渊散射现象，产生的斯托克斯光利用所述光纤光栅滤波器215滤出，再经过所述环形器进入所述探测器b216转换成电信号，通过所述采集卡b217对信号进行采集，并传输至所述计算器b218。

优选的，使用单边带调制器产生边频光作为探测光。

优选的，使用可调谐滤波器滤出斯托克斯光。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述泵浦光经过所述偏振控制器a23进行偏振态调节，再经过所述函数发生器b25控制下电光调制器a24，调制成脉冲光,脉冲光再经过所述扰偏控制器26扰乱其偏振态后，进入所述掺饵光纤放大器b27，再将放大后的脉冲光通过所述环形器a213注入到传感光缆中。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，探测光经过偏振控制器b28进行偏振态调节，进入电光调制器b29，所述电光调制器b29将微波发生器210产生的微波信号加载在探测光上，经过光学隔离器211进入传感光缆，所述传感光缆中产生的背向散射信号，经过所述光纤光栅滤波器215滤出下边频，再经过所述环形器b214，进入所述探测器b216进行光电转化，再通过所述采集卡b217进行数据采集，并将最终数据传入所述计算器b218中。

所述激光器b21输出频率为的连续激光，经过耦合器22分成两路光分别提供泵浦光与探测光，耦合器分光比为50：50。上路连续光先经过偏振控制器a23调制偏振态，进入电光调制器a24。在函数发生器b25控制下，电光调制器a24输出脉冲波形经过扰偏控制器26扰乱偏振态后，被掺铒光纤放大器b27放大，经过环形器a213进入传感光缆。

下支路提供探测光，经过偏振控制器b28调节偏振态后进入电光调制器b29，电光调制器b29的作用是将微波发生器210产生的微波信号加载到探测光上，在原载波光基础上产生频差为布里渊频移的上下边频光，其频率分别为，其中为原激光器频率。经过光学隔离器211后，进入传感光缆。

泵浦光和探测光在传感光缆中发生受激布里渊散射现象，产生的斯托克斯光经过环形器a213进入环形器b214，利用光纤光栅滤波器215滤出下边频频率为，再经过环形器b214，进入探测器b216转换成电信号，在通过采集卡b217对信号进行采集，并传输与计算器b218上进行处理。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述激光器b21为分布反馈式半导体激光器dfb或可调谐光纤激光器。

进一步地，本发明基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统的较佳的实施例中，所述耦合器22的耦合比为在90:10至50:50之间。

综上所述，这种基于分布式光纤传感的铁路异物入侵安全感知与识别系统基于两种分布式光纤传感技术和视频联动技术，分布式光纤传感技术为相位光时域反射技术和布里渊光时域分析技术。利用相位光时域分析技术监测非法人员、车辆、施工入侵高速铁路时，产生的振动入侵信号，并给出入侵信号的位置和事件等信息，其为高速铁路异物入侵的第一层监测系统。利用布里渊光时域分析技术监测大型落石、泥石流入侵高速铁路时，产生的高速铁路栅栏形变信号，并给出入侵信号的位置等信息，其为高速铁路异物入侵的第二层监测系统。当上述两个光纤传感系统中的任意一个系统或者两个系统产生报警时，会联动布设于高速铁路塔杆上的摄像头，调取入侵事件的监控画面，其为高速铁路异物入侵的第三层监测系统。该三层异物入侵监测系统共同保障了高速铁路的安全运营。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。