一种基于COTDR的轨道监测系统的制作方法

一种基于cotdr的轨道监测系统
技术领域
1.本发明属于铁路基础设施技术领域，尤其涉及一种基于cotdr的轨道监测系统。


背景技术：

2.光纤传感器应用于列车实时定位，一般均采用光纤干涉仪是属于功能传感器类型的。光纤干涉仪是基于光干涉技术用于检测的光纤传感器系统，是光纤通信、光纤传感技术领域内的重要光器件之一，其测量精度比普通光纤传感器的测量精度更高，它不仅具有传统的干涉仪功能，而且可以测量压力、应力(应变)、磁场、折射率、微震动、微位移等等，用途非常广泛。但是，目前在轨道交通领域，面向光纤传感轨道结构状态监测全面地、系统地研究比较匮乏。
3.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于cotdr的轨道监测系统，有效监测轨道、管道和轨道等分布式设备，可以有效监测温度和压力参数，对存在的隐患提前处理，保证有稳定的传感器功能外，光纤仍然有正常通信功能，不会浪费资源。
5.为了实现上述目的，本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统，包括依次实现信号传输的光滤波器、光电转换器、信号放大器、模拟数字转换器、处理器和显示模块，以及系统警报模块，所述处理器向系统警报模块单向传输信号；所述光滤波器分别接受测压光纤和测温光纤的光信号。
6.优选地，所述测压光纤和测温光纤的光信号依次经所述光滤波器、光电转换器和信号放大器后得到电信号模拟量，所述模拟数字转换器将电信号模拟量转化为数字信号量，若模拟数字转换器检测到的采样值大于门限，则缓存至缓存区；所述处理器获取缓存区的采样值，所述处理器运用归一化互相关算法和峰值检测算法分别计算互相关曲线和外界应变变化曲线，所述处理器把互相关曲线和测压光纤和测温光纤对应的应变值传输至显示模块上，若应变值大于门限，所述处理器向系统警报模块发送报警信息并将报警信息发送到列车调度中心；优选地，更换不同频率的光，所述处理器重复上采样，得到光功率—频率—距离曲面，当距离确定时，得到光功率—频率谱，当温度\压力发生变化时，光功率—频率谱会发生偏移，通过归一化互相关算法得到的偏移值与温度\压力变化量成正比；优选地，所述归一化互相关算法的具体方法为对光功率二维矩阵pa[v][z]和pb[v][z]先求离散卷积值，再除以标准差，得到互相关曲线r(f,z)，其中，v代表频率，f表示频率偏移量，z表示距离；所述归一化互相关算法的匹配公式为：
其中，，k表示频率点数，vi表示k个光功率二维矩阵的频率，含义是pb偏移f个频率点后与pa重合频率点的个数，f的变量范围为-499到499，相关系数最大值对应的f点代表pb相对于pa频率偏移量；优选地，所述峰值检测算法的匹配公式为：优选地，所述峰值检测算法的匹配公式为：化简得：其中：a，b，c，d和m五点的坐标分别是(，),(，),(，),(,)和(,)；为c和d两点的斜率，为a和b两点的斜率，为峰值点;优选地，所述模拟数字转换器的采样频率大于1ghz，由处理器的1ghz时钟驱动；优选地，所述模拟数字转换器和处理器之间用多路并行接口连接；优选地，所述处理器通过14个io口获取模拟数字转换器的数字信号量。
[0007]
本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统，具有如下有益效果：1.本发明是基于光线的传感装置，通过依次实现信号传输的光滤波器、光电转换器、信号放大器、模拟数字转换器、处理器和显示模块，以及系统警报模块，有效监测轨道、管道和轨道等分布式设备，有效监测温度和压力参数，对存在的隐患提前处理。
[0008]
2.本发明可以保证整条线路传感功能，保留通信功能，特别是偏远地区，相当于搭建了一条通信线，不会浪费资源。如果使用多模光纤，可以同时当传感器和通信信道使用，可以在已有光纤上直接部署。
[0009]
3.采用光滤波器可以同时监测压力和温度参数，发热少，系统寿命长，没有电流通过，保证线路和人员安全，可以达到减低更换设备频率，节省人力物力，保证整条线路传感功能，保留通信功能，特别是偏远地区，相当于搭建了一条通信线。
附图说明
[0010]
图1为本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统的系统框图。
[0011]
图2为本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统的峰值检测算法的曲线图。
[0012]
图3为本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统的原理框图。
[0013]
图4为光功率——频率图谱。
具体实施方式
[0014]
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
[0015]
如图1所示，为本发明提供的一种基于cotdr的轨道监测系统，包括依次实现信号传输的光滤波器、光电转换器、信号放大器、模拟数字转换器、处理器和显示模块，以及系统警报模块，处理器向系统警报模块单向传输信号；光滤波器分别接受测压光纤和测温光纤
的光信号。测压光纤和测温光纤的光信号依次经光滤波器、光电转换器和信号放大器后得到电信号模拟量，模拟数字转换器将电信号模拟量转化为数字信号量，若模拟数字转换器检测到的采样值大于门限，则缓存至缓存区，处理器获取缓存区的采样值，更换不同频率的光，所述处理器重复上采样，得到光功率—频率—距离曲面，当距离确定时，得到光功率—频率谱，当该位置的温度\压力发生变化时，光功率—频率谱会发生偏移，通过归一化互相关算法得到的偏移值与温度\压力变化量成正比，然后，处理器运用归一化互相关算法和峰值检测算法分别计算互相关曲线和外界应变变化曲线，处理器把互相关曲线和外界应变变化曲线上的测压光纤和测温光纤对应的应变值传输至显示模块上，若应变值大于门限，处理器向系统警报模块发送报警信息并将报警信息发送到列车调度中心。
[0016]
cotdr表示相干光时域反射技术，基于光纤中后向瑞利散射，通过在接收端分析接收到的不同频率与不同距离的光信号，进而对温度进行定位与定量解析。
[0017]
模拟数字转换器的采样频率大于1ghz，可保证测量精度再30cm以内，由处理器的1ghz时钟驱动。模拟数字转换器和处理器之间用多路并行接口连接，保证模拟数字转换器的数字信号量更新时能及时被处理器接收，缓存到ram中，供程序处理。优选，处理器通过14个io口获取模拟数字转换器的数字信号量，处理器14个io口采样频率也应为1ghz以上，与模拟数字转换器采样频率相同。
[0018]
本发明的工作流程为：（1）光信号依次经过光滤波器和光电转换器，将光信号转化为电信号，再经过信号放大器，得到电信号的模拟量；（2）模拟数字转换器采样，模拟数字转换器将信号放大器输出的电信号模拟量转化为数字信号量，若采样值小于门限则不做处理，当采样值大于门限，缓存到缓存区中；（3）处理器从缓存区中读取模拟数字转换器的采样值，运用归一化互相关算法和峰值检测算法，计算互相关曲线和外界应变变化曲线；1)运用归一化互相关算法计算互相关曲线，归一化互相关算法的具体方法为对光功率二维矩阵pa[v][z]和pb[v][z]先求离散卷积值，再除以标准差，得到互相关曲线r(f,z)，其中，v代表频率，f表示频率偏移量，z表示距离；所述归一化互相关算法的匹配公式为：其中，，k表示频率点数，vi表示光功率二维矩阵的频率（共k个），含义是pb偏移f个频率点后与pa重合频率点的个数，f的变量范围为-499到499，r(f,z)取值范围是0~1，其值越接近1，代表两者相关性越高。相关系数最大值对应的f点代表pb相对于pa频率偏移量，即pb在频域上平移f与pa重合;2）峰值检测，得到互相关曲线r(f,z)后，需要计算峰值对应的x值，如图2所示，峰值检测算法的匹配公式为：所述峰值检测算法的匹配公式为：
化简得：其中：a，b，c，d和m五点的坐标分别是(，),(，),(，),(,)和(,)；为c和d两点的斜率，为a和b两点的斜率，为所求曲线的峰值点；例如，0.1 ℃对应的频移为133.9mhz，由此可计算实际温度；1με(应变单位：δl/l)对应的频移为150.9mhz，由此可计算实际压力。
[0019]
或者，采用峰值两边的点分别用最小二乘法拟合出一条直线，这样计算出的峰值更加准确；（4）刷新显示模块，即刷新屏幕，处理器将互相关曲线r(f,z)和测压光纤和测温光纤对应的应变值刷新到屏幕上，若应变值大于门限，通过前述数据对比，得出故障地点的具体状况，处理器向系统警报模块发送报警信息并将报警信息发送到列车调度中心；若应变值小于门限，则模拟数字转换器继续采样工作。
[0020]
如图3所示，本发明的原理是光纤的折射率和长度随外界温度和压力变化而变化，因而光的散射图谱也会随温度和压力变化而改变，变化反映在频谱上：频谱会发生频率偏移，偏移量与温度和压力成正比。
[0021]
（1）经过调制的窄线宽强相干性的频率可调的光源在光纤的一端泵入，光在光纤传播过程中，会产生后向瑞利散射。
[0022]
（2）瑞利散射信号经过环形器提取出来，进行光电转换，就可以得到有诸多瑞利散射信号干涉形成的干涉图谱，呈不规则的锯齿形状，如图4所示。
[0023]
（3）当光纤上某个位置的温度或应变发生变化时，会导致光在光纤中传播的光程发生变化，其变化大小会反映在后向瑞利散射的相位上，使得在接收端的瑞利散射信号发生改变，造成干涉图谱发生变化。
[0024]
（4）外界温度或应变的变化反映在了干涉图谱的改变上，通过分析干涉图谱变化就可以分析温度或应变的改变情况。
[0025]
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。