一种基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统的制作方法

本实用新型涉及轨道交通监测领域，具体涉及一种基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统。

背景技术：

目前中国铁路建设正迎来前所未有的发展高峰，铁路施工建设以及日常运营维护工作也对铁路科技工作者提出更高要求：在铁路运营中如何对钢轨的应变进行测量防止温度变化导致无缝线路脱轨系数增加；如何对铁路沿线的路基病害、防护边坡的稳定性进行实时监测等。这些都是在既有线路建设改造和高速铁路运营中亟待解决的关键问题。

在车流负载巨大的情况下，如果能对轨道系统进行实时监测，在灾难发生前发出预警信息，可以提升整个轨道交通系统的安全性与可靠性。然而轨道系统是一个线状的分布，就国内而言铁路全长达十万公里，传统的监测手段多针对点状或有限区域内的系统而设计，而且系统中电源线、变电站等所产生的电磁波干扰对传统电磁式传感器也会产生干扰。因此如果要构建一套适用于国内轨道交通所需的传感系统，除考虑对轨道本身受温度、速度、载重效应所产生的变形以及轨道沿线结构、基础等相对变位(桥梁、道基、隧道等)做长距离分布式监测外，监测信息的质量和稳定性也必须在考虑范围之内。

基于准分布式光纤光栅传感的轨道交通监测系统主要用于监测钢轨表面应变，其中用于传感的是光纤光栅，是一种新兴的传感器件，具有抗电磁干扰，精度高，测量范围大、传输损耗小和有效使用寿命长的优点。针对轨道交通中多雾多雨少人的地区，设备维护困难，而且外置设备存在易损和易窃的特殊情况，更适合采用先进的光纤光栅传感技术对轨道交通系统进行长期实时监测，针对轨道交通具有线状分布、距离远、测量点多的特点，采用分布式光纤传感技术，具有与其他传感技术无可比拟的优势，可以探测出长达几十公里的光纤不同位置的温度和应变等物理量的变化。

本实用新型基于光纤传感的轨道监测系统，在实际应用中仍有一些不足之处，如传感器封装薄弱易损坏，波长解调设备解调速率较低。因此需要参考国外先进技术方案结合国内工程应用中的实际需求，使光纤光栅传感器满足轨道监测更快速率、更高精度和更长距离的要求。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统，使用光纤光栅作为传感器件，采用分布式光纤传感技术，具有与其他传感系统无可比拟的优势，如抗电磁干扰，精度高，测量范围大、传输损耗小和有效使用寿命长的优点，能够高效、便捷的对轨道系统进行监测，具有极佳的监测效果。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：

基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统包括光纤传感器模块，光源模块，光复用模块，光波长解调模块，数据采集处理模块和监控中心；其中光纤传感器模块是由用于多点测量的光纤光栅传感器阵列组 成，本系统设置为多根光纤光栅级联，根据光源光谱范围将每跟光纤光栅设置为四个栅区，分别为FBG1、FBG2、FBG3和FBG4，相互间隔可以根据分布式监测要求而定，然后采用胶粘固定式的方法对传感网络进行封装，固定在轨道系统的侧面，进而形成一个传感器网络，实现对轨道准分布式测量的要求；光源模块使用宽谱光源作为监测系统的光源，由驱动电源来驱动；宽谱光通过光隔离器进入光复用模块，系统的光复用模块采用耦合器与波分复用和空分复用技术相结合的光开关器相连接；轨道的应变量通过传感光纤装换为光传感信号，并通过复用模块反射回波长解调模块，为确保传感信号解调的高精度，本监测系统的光波长解调，是采用掺铒光纤放大器、基于边沿滤波解调技术的多通道阵列波导光栅和光电探测器来完成；通过波长解调模块，传感信号被解调为模拟被测信号，进一步通过模数转换器和数据处理单元，计算出光栅中心反射波长变化量，并显示在监控计算机上，监控计算机与远程中心监控站相连，实现对轨道的实时分布式监测。

基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统，用于实现对轨道的分布式和实时监测，宽谱光源在驱动电源的驱动下，采用波长扫描型分布式光纤传感技术，把宽谱光源注入光纤中，以光纤布拉格光栅(FBG)作为传感器，通过检测输出光谱的变化进行参数测量；本系统将宽谱光源连接到光隔离器上，利用驱动电源驱动宽谱光源发射宽谱光到耦合器；本系统光纤传感阵列利用单模光纤进行级联，然后连接到光开关器上，光开关再通过耦合器与波长解调系统相连，形成波分复用和空分复用相结合的光复用系统；本系统传感信号通过耦合器反射到掺铒光纤放大器中，掺铒光纤放大器与阵列波导光栅滤波器相连，然后与光电探测器连接，形成波长解调系统；本系统光电探测器与数据采集处理模块相连，具体为，光电探测器后接一个模数转换器，然后将模数转换器通过数字信号处理单元连接到监控计算机上，再通过无线通信，将数据传输到中心监控站进行统一监测分析。

本实用新型的系统设计结构如图1。

优选的，本系统传感网络采用光纤光栅传感阵列，并对其进行胶粘式保护封装，进行传感，不仅能实现多点分布式测量，而且还具有精度高、稳定性好的优势。

优选的，波长解调系统是采用阵列波导光栅滤波器，对传感信号进行准线性滤波，宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入光纤光栅传感阵列，反射回来的传感信号再次经过光纤耦合器进入阵列波导光栅，不同波长的传感信号被阵列波导光栅波分，同时在每个信道上被线性滤波，滤出的信号直接由光电探测器进行探测，该解调系统是基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出。

优选的，光复用模块，采用波分复用和空分复用相结合的技术，利用光开关将三个或多个光栅串进行并行连接，并且通过光开关来选择不同的通道接收反射回来的传感信号，此种复用技术可以有效解决光纤光栅在波分复用传感时光源带宽的限制和在时分复用传感时光源能量的限制问题，使得光纤光栅的复用具有更大的灵活性，另外，并行连接的光纤光栅的中心波长可以相同，减少了制作光纤光栅的费用。

本实用新型的光纤光栅封装结构如图2。

优选的，光纤光栅传感阵列是由多条传感光纤并联组成，经过打磨与清洗，传感光纤通过502胶固定于轨道侧面监测点，并利用环氧树脂胶将纤维布包在光纤外侧，形成保护层，此种胶粘式固定方法是最常用的一种封装方式，具有简便易行、灵活快捷、适用面广等优势。

本实用新型的数字信号处理单元工作过程软件流程图如图3所示，包括步骤：

S1：进行设备初始化：包括输入输出端口初始化、模块接收状态和发送状态的初始化设置等。

S2：脉冲信号产生：利用脉冲信号驱动数字信号处理单元的运行。

S3：读取模数转换结果：对模数转化器的结果进行读取。

S4：计算光栅中心反射波长变化量；通过对模数转换结果进行分析，计算出传感信号的中心波长，进一步与光纤光栅的中心波长做差，得到变化量。

S5：检测测量是否完毕：如果检测完毕则结束数字信号处理单元工作，将处理结果传输到监控计算机，否则对模数转换结果进行重新读取。

本实用新型的优点和有益效果为：

(1)本实用新型采用光纤光栅作为传感器，这是一种新兴的传感器件，具有抗电磁干扰，精度高，测量范围大、传输损耗小和有效使用寿命长的优点。

(2)本实用新型采用分布式光纤传感技术，具有与其他传感系统无可比拟的优势，如抗电磁干扰，精度高，测量范围大、传输损耗小和有效使用寿命长的优点，能够高效、便捷的对轨道系统进行监测。

(3)本实用新型采用波分复用和空分复用相结合的光复用技术，利用光开关实现多路传感信号的选择，此种复用技术可以有效解决光纤光栅在波分复用传感时光源带宽的限制和在时分复用传感时光源能量的限制问题，使得光纤光栅的复用具有更大的灵活性，并且，并行连接的光纤光栅的中心波长可以相同，减少了制作光纤光栅的费用。

(4)本实用新型采用阵列波导光栅滤波器作为解调系统的核心器件，其基于光强检测，适用于动态、静态测量，具有较好的线性输出。

(5)本实用新型采用中心监控站统一监测与管理，针对轨道交通中多雾多雨少人的地区，设备维护困难，利用中心监控站可以很方便地对轨道交通系统进行长期实时监测，并且实现了对长达几十公里的轨道不同位置的应变量监测的智能化处理。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图2为本实用新型中的传感光纤的封装截面图。

图3为本实用新型中数字信号处理单元的工作软件流程图。

图中：1、轨道；2、光纤布拉格光栅；3、单模光纤；4、光纤光栅传感器阵列；5、驱动电源；6、宽谱光源；7、光隔离器；8、光耦合器；9、光开关器；10、掺铒光纤放大器；11、阵列波导光栅滤波器； 12、光电探测器；13、模数转换器；14、数字信号处理单元；15、监控计算机；16、中心监控站；17、光纤包层；18、纤维布；19、环氧树脂胶；20、502胶。

具体实施方式

一种基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统，实施例1

如图1和图2所示，本实用新型为一种基于准分布式光纤传感网络的轨道监测系统，光纤布拉格光栅2通过单模光纤3连接成为光栅串，多个光栅串级联形成光纤光栅传感器阵列4，并将光纤光栅传感器阵列4胶粘与轨道1上，单模光纤1将光纤光栅传感器阵列4与光开关9相连接；驱动电源5连接到宽带光源6上，宽带光源6与光隔离器7连接，光隔离器7后接光耦合器8，并且连接到光开关器9上；光耦合器8通过反射回路与掺铒光纤放大器10连接，而掺铒光纤放大器10连接到阵列波导光栅滤波器11，并通过输出信道与光电探测器12连接；光电探测器12后接模数转换器13，并连接到数字信号处理单元14，然后通过监控计算机15将处理数据以无线通信的方式传输给中心监控站；传感光纤4外包光纤包层17，通过502胶20固定在轨道1上，并且利用环氧树脂胶19将纤维布18胶粘于光纤传感4外侧。

由所述光纤传感网络组成的轨道检测系统，宽谱光源在驱动电源的驱动下，发出宽谱光到光隔离器，通过光隔离器高隔离度，实现宽谱光高效率的传输；经过光隔离器，宽谱光进入与光隔离器相连的耦合器，进而将宽谱光传输到胶粘式封装的光纤光栅传感阵列，光纤传感阵列与光复用模块相连，发生应变的轨道驱动光纤传感器发出传感信号，通过光复用模块将光传感信号反射到波长解调模块，而波长解调模块是由掺铒光纤放大器和波导光栅阵列解调装置以及光电探测器相连接组成，传感信号通过波长解调，被传输到模数转换器中，进而进入数字信号处理单元进行数字信号处理，将处理结果传输到监控计算机中，然后再通过无线通信，进入中心监控站进行统一分析与处理。

本实用新型采用的光纤传感模块、光复用模块和光解调模块均为现有成熟技术，本实用新型中的宽谱光源、光隔离器、光耦合器、光电探测器、掺铒光纤放大器等硬件均为现有的成熟技术，在本实用新型中不在叙述；本实用新型采用的数字信号处理单元的软件工作流程如图3所示，但是该软件部分不作为本实用新型的保护范围。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。