一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统

摘要

本发明公开一种基于Φ‑OTDR的轨道车辆定位和测速系统，其包括Φ‑OTDR系统主机和光缆。所述Φ‑OTDR系统主机与光缆连接，用于发出脉冲光信号注入到光缆，并对光缆中反射回的瑞利散射相干光进行处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。本发明具有如下优点：一、Φ‑OTDR全程无源，并且不受电磁场的干扰，可以保证在雷电等恶劣环境下正常工作。二、由于Φ‑OTDR是全分布式的，监控距离可达100km以上，空间分辨率可达到米级，列车指挥调度中心直接通过Φ‑OTDR系统主机获取列车的实时位置信息和速度信息。

权利要求

1.一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统，其特征在于，包括Φ-OTDR系统主机和光缆；

所述Φ-OTDR系统主机与光缆连接，用于发出脉冲光信号注入到光缆，并对光缆中反射回的瑞利散射相干光进行处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息；其中，所述Φ-OTDR系统主机包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、可调谐衰减器、环形器、光电探测器以及处理器；

所述激光器用于发射连续光，输出给声光调制器；其中，激光器为超窄线宽激光器，其线宽小于3KHz；

所述声光调制器用于将所述连续光调制成脉冲光信号；其中，声光调制器为高消光比声光调制器，其消光比大于50dB；

所述掺铒光纤放大器用于对所述脉冲光信号进行放大；

所述带通滤波器用于对掺铒光纤放大器输出的脉冲光信号进行滤波；

所述可调谐衰减器用于调整收到的脉冲光信号的功率；

所述环形器用于将可调谐衰减器输出的脉冲光信号注入到光缆，光在光缆中发生瑞利散射，并接收光缆中反射回的相干光，输出给光电探测器；

所述光电探测器用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，输出给处理器；

所述处理器用于对所述电信号进行信号处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息；其中，所述处理器具体用于：一、根据原始瑞利散射曲线，光缆上每个空间点都有一个随时间变化的信号Xs(t)，其中，Xs(t)表示光缆上离列车指挥调度中心距离为s的振动信号；

二、对每个空间点的信号Xs(t)加宽度为Tw的时间窗，接着对每个时间窗内的信号做小波变换、阈值降噪，并对重构的信号求均方根，得到该时间窗内信号的振动水平，进而得到每个时间点上光缆不同位置的振动信号为YT(s)，其中YT(s)表示T时刻光缆所有位置的振动信号；此时定位周期为T1＝Tp*Tw，其中T1表示定位周期，Tp表示脉冲重复周期，Tw表示时间窗；

三、对YT(s)做峰值检测得到突变沿位置，从而得到该时间点振动列车的位置，其中上升沿和下降沿将分别对应列车的车头位置和车尾位置；对一段时间内的各时间点分析，得到该时段内列车的位置-时间关系；四、对列车的位置-时间关系求斜率，获得到各个时间点列车运行的实时速度。

2.根据权利要求1所述的基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统，其特征在于，所述Φ-OTDR系统主机安装在列车指挥调度中心的监控室中；所述光缆沿着轨道铺设，埋在轨道正下方的土壤中。

3.根据权利要求2所述的基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统，其特征在于，所述光缆选用单模光纤光缆。

说明书

一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统

技术领域

[0001] 本发明涉及轨道列车测速技术领域，尤其涉及一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统。

背景技术

[0002] 在轨道列车交通安全保障体系中，列车运行的实时位置和速度信息是列车调度指挥系统必须准确掌握的信息，调度中心根据已掌握的实时信息，对各路段的运行情况进行控制，以保障列车的安全行驶。目前国内铁路是通过基于轨道电路的列车自动控制系统(Communication Based Train Control System，CBTC)来获取列车运行的实时速度和位置信息。在该系统中，利用轨道电路可以自动检测列车、车辆的位置，控制信号机的显示；通过轨道电路可以将地面信号传递给机车，从而可以控制列车运行。尽管轨道电路已采取了多项保护措施，但是在雷电等恶劣的天气，轨道电路依然存在失效的可能，从而导致严重的交通事故。轨道电路的最大缺点是它的工作是有源的，在维护不利的情况下，将导致重大交通事故。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于通过一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。

[0004] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0005] 一种基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统，其包括Φ-OTDR系统主机和光缆；

[0006] 所述Φ-OTDR系统主机与光缆连接，用于发出脉冲光信号注入到光缆，并对光缆中反射回的瑞利散射相干光进行处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。

[0007] 特别地，所述Φ-OTDR系统主机包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、可调谐衰减器、环形器、光电探测器以及处理器；

[0008] 所述激光器用于发射连续光，输出给声光调制器；其中，激光器为超窄线宽激光器，其线宽小于3KHz；

[0009] 所述声光调制器用于将所述连续光调制成脉冲光信号；其中，声光调制器为高消光比声光调制器，其消光比大于50dB；

[0010] 所述掺铒光纤放大器用于对所述脉冲光信号进行放大；

[0011] 所述带通滤波器用于对掺铒光纤放大器输出的脉冲光信号进行滤波；

[0012] 所述可调谐衰减器用于调整收到的脉冲光信号的功率；

[0013] 所述环形器用于将可调谐衰减器输出的脉冲光信号注入到光缆，光在光缆中发生瑞利散射，并接收光缆中反射回的相干光，输出给光电探测器；

[0014] 所述光电探测器用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，输出给处理器；

[0015] 所述处理器用于对所述电信号进行信号处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。

[0016] 特别地，所述处理器具体用于：一、根据原始瑞利散射曲线，光缆上每个空间点都有一个随时间变化的信号Xs(t)，其中，Xs(t)表示光缆上离列车指挥调度中心距离为s的振动信号；二、对每个空间点的信号Xs(t)加宽度为Tw的时间窗，接着对每个时间窗内的信号做小波变换、阈值降噪，并对重构的信号求均方根，得到该时间窗内信号的振动水平，进而得到每个时间点上光缆不同位置的振动信号为YT(s)，其中YT(s)表示T时刻光缆所有位置的振动信号；此时定位周期为T1＝Tp*Tw，其中T1表示定位周期，Tp表示脉冲重复周期，Tw表示时间窗。三、对YT(s)做峰值检测得到突变沿位置，从而得到该时间点振动列车的位置，其中上升沿和下降沿将分别对应列车的车头位置和车尾位置；对一段时间内的各时间点分析，得到该时段内列车的位置-时间关系；四、对列车的位置-时间关系求斜率，获得到各个时间点列车运行的实时速度。

[0017] 特别地，所述Φ-OTDR系统主机安装在列车指挥调度中心的监控室中；所述光缆沿着轨道铺设，埋在轨道正下方的土壤中。

[0018] 特别地，所述光缆选用单模光纤光缆。

[0019] 本发明提供的基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统具有如下优点：一、Φ-OTDR(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry，相位敏感型光时域反射仪)全程无源，并且不受电磁场的干扰，可以保证在雷电等恶劣环境下正常工作。二、由于Φ-OTDR是全分布式的，监控距离可达100km以上，空间分辨率可达到米级，列车指挥调度中心直接通过Φ-OTDR系统主机获取列车的实时位置信息和速度信息。本发明不仅解决了轨道列车的测速问题，而且能够为列车提供准确的定位信息，克服现有技术中抗干扰性差、速度数据更新慢和设备维护困难等缺陷。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例提供的基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统安装结构示意图；

[0021] 图2为本发明实施例提供的Φ-OTDR系统主机结构框图；

[0022] 图3为本发明实施例提供的被监测两辆火车的位移-时间曲线图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

[0024] 请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统安装示意图。

[0025] 本实施例中基于Φ-OTDR的轨道车辆定位和测速系统具体包括Φ-OTDR系统主机101和光缆102。在所述Φ-OTDR系统主机101安装在列车指挥调度中心的监控室103中。所述光缆102选用单模光纤光缆，沿着轨道104铺设，埋在轨道104正下方的土壤105中，距离地面的深度H控制在0.5-1m。

[0026] 所述Φ-OTDR系统主机101与光缆102连接，用于发出脉冲光信号注入到光缆102，并对光缆102中反射回的瑞利散射相干光进行处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。

[0027] 光在光缆102中传输时发生瑞利散射，当有列车驶入监控范围时，列车的振动将引起对应位置光缆102的折射率发生改变，进而影响相位的变化，从而使相干光的振幅改变，反射回来的相干光传入Φ-OTDR系统主机101。Φ-OTDR系统主机101对相干光进行处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。其中，Φ-OTDR系统主机101获得列车运行位置信息和速度信息的原理如下：Φ-OTDR系统主机101通过测量输入脉冲光信号和反射回来的脉冲光信号之间的时间差得到对应的光纤的长度信息。由于光缆102是沿着轨道线铺设，光缆102长度与空间地理位置能够一一对应，因此可以根据振动信号对应光缆102的长度信息获得轨道列车的位置信息。通过对一段时间内振动信号的分析，获得列车的位置与时间的关系；由于速度是位移对时间的一阶导函数值，因此列车的位置对于时间的斜率，便是列车的运行速度。

[0028] 如图2所示，图2为本发明实施例提供的Φ-OTDR系统主机结构框图。于本实施例，所述Φ-OTDR系统主机101包括激光器(Laser)、声光调制器(AOM)、驱动器(Driver)、掺铒光纤放大器(EDFA)、带通滤波器(BPF)、可调谐衰减器(Tunable Attenuator)、环形器(Circulator)、光电探测器以及处理器(Processor)。

[0029] 所述激光器201用于发射连续光，输出给声光调制器202。所述连续光为满足相应要求的超窄线宽低频漂的连续光。本实施例中激光器201为超窄线宽激光器，其线宽一般小于3KHz。

[0030] 所述声光调制器202用于将所述连续光调制成脉冲光信号。本实施例中声光调制器202为高消光比声光调制器，其消光比大于50dB。

[0031] 所述掺铒光纤放大器204用于对所述脉冲光信号进行放大。

[0032] 所述带通滤波器205用于对掺铒光纤放大器204输出的脉冲光信号进行滤波处理。

[0033] 所述可调谐衰减器206用于调整收到的脉冲光信号的功率。

[0034] 所述环形器207用于将可调谐衰减器206输出的脉冲光信号注入到光缆102，光在光缆102中发生瑞利散射，并接收光缆102中反射回的相干光，通过第三端口输出给光电探测器208。

[0035] 所述光电探测器208用于将所述瑞利散射相干光转化为电信号，输出给处理器209。

[0036] 所述处理器209用于对所述电信号进行信号处理，获得列车运行的实时位置信息和速度信息。

[0037] 处理器209进行数据处理的具体过程如下：一、根据原始瑞利散射曲线，光缆102上每个空间点都有一个随时间变化的信号Xs(t)，其中，Xs(t)表示光缆102上离列车指挥调度中心距离为s的振动信号。二、对每个空间点的信号Xs(t)加宽度为Tw的时间窗，接着对每个时间窗内的信号做小波变换、阈值降噪，滤除高频噪声和慢变的偏振噪声，提高系统的信噪比，并对重构的信号求均方根，得到该时间窗内信号的振动水平，进而得到每个时间点上光缆102不同位置的振动信号为YT(s)，其中YT(s)表示T时刻光缆所有位置的振动信号；此时定位周期为T1＝Tp*Tw，其中T1表示定位周期，Tp表示脉冲重复周期，Tw表示时间窗。三、对YT(s)做峰值检测得到突变沿位置，从而得到该时间点振动列车的位置，其中上升沿和下降沿将分别对应列车的车头位置和车尾位置；对一段时间内的各时间点分析，得到该时段内列车的位置-时间关系；四、对列车的位置-时间关系求斜率，获得到各个时间点列车运行的实时速度。

[0038] 本发明已经在武汉某铁路段成功试用。如图3所示，301表示a火车的位移-时间曲线，302表示b火车的位移-时间曲线。本发明可以检测到监控范围内，两平行轨道上相向行驶的两列火车由相距一定距离、到相遇、再到背向驶离监控区域的整个运动过程，以及各自的速度信息。经计算，a火车的速度Va为115km/h，b火车的速度Vb为105km/h，在K次(快速)火车正常行驶的速度范围内。上述实施例应用中，脉冲重复频率Tp为0.1ms，时间窗Tw为100点，定位周期T1＝0.1ms*100＝10ms。因此在一个定位周期T1的时间长度内，a、b火车运行的距离分别为0.32m和0.29m。在上述实施例应用中数据刷新周期为0.1s。

[0039] 上述实施例表明所有具有实时定位功能的分布式振动传感器都可应用于轨道列车的测速和定位，Φ-OTDR系统主机只是其中的一种。在不脱离本发明的精神或者本质特征的情况下，本发明可以通过基于其它原理的、具有实时定位功能的分布式振动传感器来实现。

[0040] 本发明的技术方案具有如下优点：一、Φ-OTDR全程无源，并且不受电磁场的干扰，可以保证在雷电等恶劣环境下正常工作。二、由于Φ-OTDR是全分布式的，监控距离可达100km以上，空间分辨率可达到米级，列车指挥调度中心直接通过Φ-OTDR系统主机获取列车的实时位置信息和速度信息，无需通过其它方式将实时数据传输到列车指挥调度中心。
本发明解决了轨道列车的测速问题，而且能够为列车提供准确的定位信息，克服现有技术中抗干扰性差、速度数据更新慢和设备维护困难等缺陷，不仅可以用于常规的火车测速和定位，而且还可以用于其它轨道式交通方式，以及沿固定线路轨道运动的其他物体的速度测量和定位。

[0041] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。