基于光纖傳感的鐵路監測算法研究

徐高魁，王曉艷

（1.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650224；2.西南林業大學，云南 昆明 650224）

隨著我國鐵路軌道交通的健康發展，鐵路行車里程逐漸逐年增加，鐵路對世界的安全生產問題也變得很重要。為了有效保證城市鐵路軌道運行的暢通和通行人員的安全，鐵軌旁通常會設鋪柵欄網對其進行安全隔離，但由于人員私自進行攀爬，進入鐵路軌道而由此造成的交通慘案還時有發生。因此，對攀爬鐵路車站周邊環境情況進行深度監測并及時對工作人員的異常攀爬鐵路行為情況做出準確識別和應急處理尤為重要。現有的新型分布式無線光纖鐵軌振動強度傳感器產品具有振動靈敏度高、抗電磁微波干擾能力強、耐化學腐蝕等幾大特點，可以在公路鐵路周圍的復雜振動環境中進行準確工作。在測量信號范圍控制方面，分布式高速光纖鐵軌振動狀態傳感器系統可以將其看作由無數個相對分立的振動傳感控制單元連接構成，每個單元承擔監測環境的任務并且還作為信號的傳輸通道，可以連續地測量，進而更好地反映鐵軌周圍的情況。

本文將傳感器技術應用于軌道交通監控系統中。分布式高速光纖振動傳感器可以實現對振動信號的連續、實時測量，對振動信號進行監測和識別。通過對振動信號的分析，可以判斷鐵路周圍有無侵入行為。在有入侵行為發生的情況下，可以實時給出入侵行為的位置。區分入侵行為有兩個關鍵問題。一方面，光纖鋪設條件復雜，存在外界干擾，如列車運行的干擾和自然環境因素等。因此，采集獲取的振動信號干擾較多，給后續的信號分析帶來困難；另一方面，單一特征不容易識別，因此，有必要找到適當的聯合特征識別。

1 系統設計

分布式小型光纖發射探測器和定位儀的主要工作原理如下：第一主要激光源發射采用小型窄線寬發射激光器，輸出1550nm激光波段的連續單頻發射激光。主要激光源的傳感輸出主要可以分為兩路，即本地傳感輸出支路和本地傳感光輸出支路。主要由激光器支路輸出的連續光經過耦合器，一部分直接進入激光傳感器的支路，另一部分直接進入本地連續光傳感支路。進入聲光傳感器和支路的連續光被通過聲光信號調制器自動調制為高頻脈沖式聲光，脈沖的聲波寬度及脈沖頻率與系統的各種指標性能要求密切相關。整個系統如圖1所示。

圖1 鐵路監測系統原理框圖

在帶有傳感器的光纖中需要打入傳感光纖的脈沖，光纖的脈沖散射會在傳感光纖上的各個點之間發生快速散射。散射光原理中的瑞利激光散射比直接散射在激光中其他光的散射光強更強，所以在激光監測技術應用方面較容易實現。目前，大部分新型分布式通用光纖環境質量傳感器可以利用瑞利散射光對光纖環境質量進行振動監測。當瑞利一束散射光再次返回時，接收端系統會自動記錄具體發射時間并且自動保存該中間時刻的激光振動狀態信息。

2 信號預處理

光纖傳感器信號是受外部環境影響的非穩定時變信號。因為光信號的傳播速度遠快于外部環境的變化，因此，平滑過程處理方法和理論可以通過使用光纖傳感信號作為短期平穩信號來引入光纖傳感信號的處理。本文將光纖傳感器信號分為多個短時間信號段，稱為信號幀，并對信號進行幀處理。該幀可以是連續的或重疊的。將窗函數W(n)與原始信號S(n)相乘，加窗得到幀信號，得到如式（1）所示的幀信號。

本文在分析選擇窗設計函數時，根據所需要分析到的光纖載波振動發射信號的各種特性，對現有矩形窗、三角窗、漢寧窗和海明窗這4種常用的窗設計函數類型進行綜合篩選。其中，矩形窗的應用主瓣比較集中，頻率信號識別器的精度最高，但是，光纖旁瓣較高時會導致對射頻信號幅值的精確估計能力較差，影響對整個光纖射頻發射信號發射能量的精確計算；三角窗雖然降低了旁瓣，但是，其主瓣窗的寬度仍然是矩形窗的兩倍，頻率差和分辨率差，在進行分析無線光纖載波振動發射信號的余波頻帶分布時容易因此產生畸變；漢寧窗和海明窗都同樣屬于余波正弦窗，只是采用加權頻率系數不同，余弦窗在精確處理信號主瓣和旁瓣信號大小時較均衡，既有效減少了部分頻譜信號泄露，保證了頻譜信號頻率幅值的處理準確度，又能有一定的提高頻率信號分辨率和能力。

由于海明窗的射頻旁瓣更小，所以我們考慮到了減少其在頻譜上的泄露，從而大大增強對不同光纖射頻振動響應信號射頻幅值的數學估計計算精度，本文通過選取海明窗射頻進行加窗口的處理，海明窗的射頻數學幅值表達式定義如式（2）所示。

式中，n為每個采樣點的序號，N為每個采樣點的總個數。

3 系統調試

受儀器周圍環境和其他人為因素的不同影響，采集的音頻信號一般都會包含一定的振動噪聲。由于高頻噪聲對于每幀信號的串行分析過程存在很大干擾，因此，在進行分析前，我們需要對每一幀的信號依次進行噪聲去噪。小波閾值去噪可以有效去除去噪信號中混有的大或小部分的白噪聲，同時，它可以盡量保留原始去噪信號的特征尖峰。目前，小波閾值去噪在數字信號處理去噪技術領域已經得到了廣泛應用，在很多應用場景中已經取得了較好的去噪效果。

如圖2所示，在小波閾值去噪前，信號波動較大，噪聲信息較多。經過小波閾值去噪后，信號的波形更加穩定，通過小波閾值去噪，產生了抑制噪聲的效果。結果表明，小波閾值去噪方法對光纖振動信號有較好的去噪效果。

4 結語

本文從工程實用方面出發，利用光纖傳感技術完成了鐵路振動的監測。對全部采樣點歸一化處理，使振動有效地被測量。最終，完成了對鐵路振動信號的監測，實驗對比了存在噪聲與降噪后的數據分布，驗證了該系統的可行性。