一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统与流程

本发明涉及轨道质量检测，更具体的说是涉及一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统。

背景技术：

1、随着光通信产业的持续发展，光纤传感技术的应用领域也越来越广泛。与传统传感技术不同的是，光纤传感技术是通过接收并处理光纤中传回的光信号，以及解析光纤感应到的信息，比如温度、压力、流量、位移、振动等的新型传感器技术。光纤传感系统有着不受电磁干扰、适应环境能力强、安全性高、能耗低等优点。近年来，基于瑞利散射的相位敏感光时域反射分布式光纤振动监测系统，在安防、铁路、隧道、管道监控等领域有着良好应用，其通过解析光纤中返回的后向瑞利散射光的干涉结果变化，来实现对干扰事件的具体位置进行定位与报警。

2、然而，在分布式光纤传感系统中，受激光相位噪声、偏振噪声、环境噪声等随机噪声波动的影响，对传感光纤沿线各个位置的信息进行解析时，所得到的解析结果中会包含多个异常信息。同时，由于解析结果是从带噪信息中获得的，解析结果的时域波形和幅值波动也较大，从而带来测量误差。因此，现有分布式光纤传感系统普遍存在干扰事件定位精度低、误报率高及灵敏度差等问题。

3、因此，如何提出一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统，减少分布式光纤传感器具有的较大测量误差，提高高铁轨道质量检测精度是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统，实现高铁轨道质量的精确检测，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，包括：

3、基于光纤传感技术连续采集高铁轨道沿线中的后向瑞利散射信号；

4、对所述后向瑞利散射信号进行滤波和差分处理；

5、对处理后的信号进行小波分解、重构以及将所述处理后的信号转化为矩阵形式，使用小波变换对信号进行时频分析，得到反映信号频率信息和时间尺度的频谱图；

6、对重构结果中每个信号值与设定值进行比较，所述信号值大于设定值且耦合频谱图峰值点的位置为高铁轨道质量发生异常的位置。

7、可选的，所述使用小波变换对信号进行时频分析包括：对信号进行局部频谱分析，得到具备峰值点的局部频谱图，对矩阵进行小波变换得到反映时间尺度和频率信息的频谱图，高铁轨道质量发生异常位置在频谱图中产生峰值点，峰值点在频谱图中的横坐标反映时间信息，峰值点在频谱图中的纵坐标反映振动频率。

8、可选的，所述频率信息的大小由小波变换得到的频谱图中峰值点的纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射信号组数共同决定。

9、可选的，所述基于光纤传感技术连续采集高铁轨道沿线中的后向瑞利散射信号包括：通过光纤传感系统采集外界振动产生的振动信号，通过相位解调光信号，使光信号携带外界振动信息，通过光电探测器得到振动信号，所述后向瑞利散射信号包括振动信号在所述光纤传感系统产生的信号。

10、可选的，对所述后向瑞利散射信号进行滤波和差分处理包括对后向瑞利散射信号进行巴特沃斯滤波，对经过巴特沃斯滤波器滤波后的信号进行时间信号差分和空间信号差分处理。

11、可选的，所述对处理后的信号进行小波分解、重构包括利用每个小波基对经过差分处理后的信号进行相应层数的分解，对分解后信号的低频部分进行小波重构，通过噪声幅值进行小波重构约束。

12、可选的，将所述处理后的信号转化为矩阵形式包括：将采集到的连续后向瑞利散射信号转化为矩阵形式，所述矩阵的行方向表示单个脉冲在传播时产生的后向瑞利散射信号，所述矩阵的列方向表示采集到的后向瑞利散射信号组数。

13、可选的，得到所述高铁轨道质量发生异常的位置包括：

14、对矩阵进行小波变换得到反映时间尺度和频率信息的频谱图，高铁轨道质量发生异常位置在频谱图中产生峰值点；通过噪声幅值进行小波重构约束，对重构结果中每个信号值与设定值进行比较，输出信号值大于设定值所对应的位置，该位置为异常事件发生位置，其中，设定值为最小噪声幅值和预设阈值的乘积。

15、可选的，一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测系统，包括：

16、采集模块：用于基于光纤传感技术连续采集高铁轨道沿线中的后向瑞利散射信号；

17、信号预处理模块：用于对所述后向瑞利散射信号进行滤波和差分处理；

18、信号分析模块：用于对处理后的信号进行小波分解、重构；

19、时频分析模块：用于将所述处理后的信号转化为矩阵形式，使用小波变换对信号进行时频分析，得到反映信号频率信息和时间尺度的频谱图；

20、检测模块：用于对重构结果中每个信号值与设定值进行比较，所述信号值大于设定值且耦合频谱图峰值点的位置为高铁轨道质量发生异常的位置。

21、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统，具有如下有益效果：

22、本发明公开了一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统，包括：基于光纤传感技术连续采集高铁轨道沿线中的后向瑞利散射信号；对所述后向瑞利散射信号进行滤波和差分处理；对处理后的信号进行小波分解、重构以及将所述处理后的信号转化为矩阵形式，使用小波变换对信号进行时频分析，得到反映信号频率信息和时间尺度的频谱图；对重构结果中每个信号值与设定值进行比较，所述信号值大于设定值且耦合频谱图峰值点的位置为高铁轨道质量发生异常的位置。本发明对振动信号的时间尺度和频率同时提取，对信号进行滤波处理，可滤除部分白噪声，提高系统信噪比；对滤波完的数据进行两次信号差分处理，消除了白噪声，进一步地提高系统信噪比；对信号进行小波分解，对低频部分进行小波重构，优化系统精确定位特性，可精准确定异常事件发生具体位置；最后进行阈值选择并耦合频谱图峰值点的位置为高铁轨道发生异常的位置并输出结果。提高了振动信号的时间尺度和频率的提取质量和精准度，提高了信号处理的信噪比。

技术特征：

1.一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，所述使用小波变换对信号进行时频分析包括：对信号进行局部频谱分析，得到具备峰值点的局部频谱图，对矩阵进行小波变换得到反映时间尺度和频率信息的频谱图，高铁轨道质量发生异常位置在频谱图中产生峰值点，峰值点在频谱图中的横坐标反映时间信息，峰值点在频谱图中的纵坐标反映振动频率。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，所述频率信息的大小由小波变换得到的频谱图中峰值点的纵坐标位置、脉冲重复频率及采集到的后向瑞利散射信号组数共同决定。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，所述基于光纤传感技术连续采集高铁轨道沿线中的后向瑞利散射信号包括：通过光纤传感系统采集外界振动产生的振动信号，通过相位解调光信号，使光信号携带外界振动信息，通过光电探测器得到振动信号，所述后向瑞利散射信号包括振动信号在所述光纤传感系统产生的信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，对所述后向瑞利散射信号进行滤波和差分处理包括对后向瑞利散射信号进行巴特沃斯滤波，对经过巴特沃斯滤波器滤波后的信号进行时间信号差分和空间信号差分处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，所述对处理后的信号进行小波分解、重构包括利用每个小波基对经过差分处理后的信号进行相应层数的分解，对分解后信号的低频部分进行小波重构，通过噪声幅值进行小波重构约束。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，将所述处理后的信号转化为矩阵形式包括：将采集到的连续后向瑞利散射信号转化为矩阵形式，所述矩阵的行方向表示单个脉冲在传播时产生的后向瑞利散射信号，所述矩阵的列方向表示采集到的后向瑞利散射信号组数。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法，其特征在于，得到所述高铁轨道质量发生异常的位置包括：

9.一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于光纤传感技术的高铁轨道质量检测方法及系统，涉及轨道质量检测技术领域，包括：对振动信号的时间尺度和频率同时提取，对信号进行滤波处理，可滤除部分白噪声，提高系统信噪比；对滤波完的数据进行两次信号差分处理，消除了白噪声，进一步地提高系统信噪比；对信号进行小波分解，对低频部分进行小波重构，优化系统精确定位特性，可精准确定异常事件发生具体位置；最后进行阈值选择并耦合频谱图峰值点的位置为高铁轨道发生异常的位置并输出结果。提高了信号处理的信噪比，提高了振动信号的时间尺度和频率的提取质量和精准度。

技术研发人员：杨怀志,刘峰,侯日根,张杰,黄永辉,管曙刚,王舒伦,朱星盛,李辉,肖翔,邓健,田惠文,张春,武建新,梁荣余,蔡重元,罗琼,耿明
受保护的技术使用者：京沪高速铁路股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29