接触网状态监测装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及接触网状态监测装置及控制方法，具体为一种基于拉曼散射和光纤光栅融合的接触网状态监测装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]电气化铁路在铁路运输中所占的比重逐步增加，重要性越来越突出。作为给电力机车供电的重要设施，接触网由于服役地域分散，工作环境恶劣，无备用等特点而成为电气化铁路的薄弱环节。当前，接触网状态的检测有静态检测和动态检测两种方式，静态检测是人工采用便携式检测设备的日常维护性检测，动态检测是指将检测装置或设备安装于专用的检测车上，对接触网进行实际运行状态下的参数测量。他们都只能获得接触网在检测时刻的瞬时状态，对接触网状态的了解是间断不连续的，无法实现对接触网运行状态的实时在线连续监测。若能在不影响接触网运行的前提下，实时获取接触网的运行数据，实现对接触网状态的分布式在线监测，将可以大幅提高接触网的运营管理水平，降低铁路供电人员的工作强度，提高铁路供电系统安全可靠供电的能力。
[0003]公开号203103754U公开了一种用于分布式光纤振动传感系统的受激拉曼放大器，利用光时域反射技术(OTDR)原理对环境振动等物理参数进行监控时，通过对传输信号以及后向散射信号的双重放大延长光纤探测距离，主要用于铁路两侧落石的监控。
[0004]公开号103913186A公开了一种基于瑞利散射和拉曼散射的多参数分布式光纤传感系统，利用的是瑞利散射和拉曼散射来对温度和振动信息进行综合利用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在针对背景中的技术问题，本发明提供了一种基于拉曼散射与光纤光栅相结合的铁路接触网状态综合监测装置以及对该装置的控制方法。其结构为双光源模块、三端口环形器、光信号接收模块、数据采集卡、控制模块、光纤光栅传感器和长距离传感光纤组成；所述双光源模块的输出端与三端口环形器的输入端间用光纤连接，其控制端口与控制模块相连接；三端口环形器的输出端与光信号接收模块间用光纤连接；光信号接收模块的输出端口与计算机连接，其控制端口与控制模块相连接；计算机与控制模块相连接；光纤光栅传感器与长距离传感光纤铺设在接触网沿线。
[0006]本发明的技术方案为:一种接触网状态监测装置，该装置包括双光源发射模块、光环行器、光信号解调模块、控制模块、计算机终端、光纤光栅传感器；双光源发射模块与光环形器的端口由光纤相连，光环行器与光纤光栅传感器之间由传感光纤连接，光环行器与光信号解调模块间由光纤连接，光信号解调模块输出信号至计算机终端，计算机终端与控制模块连接，且控制模块(4)与光源模块和光信号解调模块相连。
[0007]所述的光源模块包括脉冲激光光源、宽带光源、光开关。
[0008]光信号解调模块包括光开关、拉曼波分复用器、双通道Aro光电探测器模块、F-P腔模块、光电探测器模块、高速数据采集模块。
[0009]所述控制模块包括通信模块、嵌入式处理器、信号发生模块。重点在控制器部分，控制两种原理轮流交替工作。
[0010]一种接触网状态监测控制方法，其控制方法为:通过设计的控制模块控制双光源发射模块交替产生激光光源，在有机车通过的Tl时间内输出脉冲光在传感光纤中激发后向拉曼散射光，经三端口环形器进入拉曼波分复用器，分离后的斯托克斯光与反斯托克斯光进入双路光电探测器；T2时间内输出宽谱光，在传感光纤中遇到光纤光栅传感器产生不同中心波长的反射光，经三端口环形器进入F-P谐振腔及光电探测器；针对温度监测:T1时间内无机车经过，此时接触线温度变化缓慢，温度监测需要的反映速度要求较低，此时通过拉曼散射原理监测温度变化；接触网沿线温度的变化作用在传感光纤上将会引起光脉冲宽度范围内的拉曼散射光强发生变化，进而导致拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强发生变化，此时就能以斯托克斯光作为参考光解调出反斯托克斯光中携带的温度信息，通过光时域反射技术获取位置信息；T2时间内有机车经过，此时温度监测的需要的反映速度要求较高，通过光纤光栅温度传感器来监测温度的变化；针对振动监测:当外界振动作用在光纤光栅振动传感器上时，使光纤光栅的中心波长发生变化，宽谱光经光纤光栅后反射回对应中心波长的光，利用F-P谐振腔解调中心波长值携带的振动信息。
[0011]本发明的优点在于:通过光纤与光纤光栅传感特性，能同时实现对接触网温度、振动等量的实时监测，更加符合接触网状态监测的实际需求，系统搭建成本低，光纤传感器结构轻巧便于应用于接触网状态监测。
【附图说明】
[0012]图1为本发明接触网状态监测装置结构示意图；
图2为本发明光信号解调模块示意图；
图3为本发明控制模块示意图。
【具体实施方式】
[0013]本发明只需在光纤光栅传感检测的基础上增加激光光源、光纤解调模块和控制模块即可实现。
[0014]本发明通过设计的控制模块控制双光源模块Tl时间内输出电压为零的信号，光源模块输出脉冲光经三端口环形器进入拉曼波分复用器，分离后的斯托克斯光与反斯托克斯光进入双路光电探测器；Τ2时间内输出光开关工作电压，切换为光纤光栅通路，光源输出宽谱光，在传感光纤中遇到光纤光栅传感器产生不同中心波长的反射光，经三端口环形器进入F-P谐振腔及光电探测器；针对温度监测:T1时间内控制模块输出电压为零，通过拉曼散射原理监测温度变化；接触网沿线温度的变化引起光脉冲宽度范围内的拉曼散射光强发生变化，进而导致拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强发生变化，此时就能以斯托克斯光作为参考光解调出反斯托克斯光中携带的温度信息，通过光时域反射技术获取位置信息；针对振动监测:T2时间内控制模块输出光开关工作电压，通过光纤光栅传感器获取接触网的振动信息，当外界振动作用在光纤光栅振动传感器上时，使光纤光栅的中心波长发生变化，宽谱光经光纤光栅后反射回对应中心波长的光，利用F-P谐振腔解调中心波长值携带的振动信息，通过光时域反射技术获取位置信息。
[0015]本发明的创新的为:本发明的核心创新点在于通过设计的控制模块将两种测量原理的监测系统合二为一，并提供相应的控制策略。光纤与光纤光栅结构轻巧，沿接触网铺设不会对机车运行造成影响，光源及接收终端安置在地面，不会对接触网造成负担，本发明的监测系统所需费用低于目前接触网检测设备，且可同时进行多量监测。
[0016]优选地，所述双光源模块由脉冲激光器光源、宽带光源和光开关构成，并由控制模块进行切换检测光。连接次序为:脉冲激光器光源与宽带光源并行连接至光开关(两光源的光谱范围不重合)，控制模块控制光开关选择检测光。
[0017]优选地，所述光信号解调模块由光开关、拉曼波分复用器、光电探测器、F-P谐振腔模块和高速数据采集卡组成，并由控制模块控制光通路的切换。连接次序为:光开关同时连接拉曼波分复用器与F-P谐振腔模块，拉曼波分复用器与双路光电探测器相连接，F-P谐振腔模块与光电探测器相连接，两光电探测器并行连接高速数据采集卡。
[0018]优选地，控制模块包括与计算机终端通讯模块、信号发生模块、嵌入式处理器；
优选地，Tl与T2不是定值。
[0019]进一步地，所述脉冲激光光源的脉宽应在5ns以内，重复频率可调的激光器，宽普光源具高稳定性和高平坦性，同时激光器的中心波长不在宽普光源的光谱范围内。
[0020]进一步地，光电探测器应优先选用具有增益的APD光电二极管。
[0021]进一步地，高速数据采集器的采样速率不得低于300MHz。
【主权项】
1.一种接触网状态监测装置，其特征在于:该装置包括双光源发射模块(I)、光环行器(2)、光信号解调模块(3)、控制模块(4)、计算机终端(5)、光纤光栅传感器(6);双光源发射模块(I)与光环形器(2)的端口由光纤相连，光环行器(2)与光纤光栅传感器(6)之间由传感光纤连接，光环行器(2)与光信号解调模块(3)间由光纤连接，光信号解调模块(3)输出信号至计算机终端(5)，计算机终端(5)与控制模块(4)连接，且控制模块(4)与光源模块(I)和光信号解调模块(3)相连。2.一种接触网状态监测控制方法，其控制方法为:通过设计的控制模块控制双光源发射模块交替产生激光光源，在无机车经过的Tl时间内输出的脉冲光在传感光纤中激发后向拉曼散射光，经三端口环形器进入拉曼波分复用器，分离后的斯托克斯光与反斯托克斯光进入双路光电探测器；在有机车经过的T2时间内输出的宽谱光在传感光纤中遇到光纤光栅传感器产生不同中心波长的反射光，经三端口环形器进入F-P谐振腔及光电探测器；针对温度监测:T1时间内无机车经过，此时接触线温度变化缓慢，温度监测需要的反映速度要求较低，此时通过拉曼散射原理监测温度变化；接触网沿线温度的变化作用在传感光纤上将会引起光脉冲宽度范围内的拉曼散射光强发生变化，进而导致拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强发生变化，此时就能以斯托克斯光作为参考光解调出反斯托克斯光中携带的温度信息，通过光时域反射技术获取位置信息；T2时间内有机车经过，此时温度监测的需要的反映速度要求较高，通过光纤光栅温度传感器来监测温度的变化；针对振动监测:当外界振动作用在光纤光栅振动传感器上时，使光纤光栅的中心波长发生变化，宽谱光经光纤光栅后反射回对应中心波长的光，利用F-P谐振腔解调中心波长值携带的振动信息。3.根据权利要求1所述的接触网状态监测装置，其特征在于:所述的光源模块(I)包括脉冲激光光源(11)、宽带光源(12)、光开关(13)。4.根据权利要求1所述的接触网状态监测装置，其特征在于:光信号解调模块(3)包括光开关(31)、拉曼波分复用器(32)、双通道AH)光电探测器模块(33)、F-P腔模块(34)、光电探测器模块(35 )、高速数据采集模块(36 )。5.根据权利要求1所述的接触网状态监测装置，其特征在于:所述控制模块(4)包括通信模块(41)、嵌入式处理器(42 )、信号发生模块(43 )。
【专利摘要】本发明公开一种接触网状态监测装置及其控制方法，该装置包括双光源发射模块、光环行器、光信号解调模块、控制模块、计算机终端、光纤光栅传感器；双光源发射模块与光环形器的端口由光纤相连，光环行器与光纤光栅传感器之间由传感光纤连接，光环行器的与光信号解调模块间由光纤连接，光信号解调模块输出信号至计算机终端，计算机终端与控制模块连接，且控制模块与光源模块和光信号解调模块相连。本发明的优点在于：通过光纤与光纤光栅传感特性，能同时实现对接触网温度、振动等量的实时监测，系统搭建成本低，光纤传感器结构轻巧便于应用于接触网状态监测。
【IPC分类】G01D21/02
【公开号】CN105067041
【申请号】CN201510510170
【发明人】程宏波, 刘仕兵, 张明瀚, 王勋
【申请人】华东交通大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月19日