基于光纖傳感技術的鐵路監測系統設計

王東崢

摘要：由于光纖傳感技術具有抗電磁干擾和抗射頻干擾能力強、環境適應能力強、精度高等特點，可以作為鐵路現場監測的一種重要技術手段，降低了人力物力成本。正是由于光線傳感器能做到其它傳感器所不能做到的工作，能達到更大的精度而具有較大的應用價值。本文對鐵路中存在的振動采用光纖傳感網絡進行監測，提出了一種基于1550nm激光波段的光纖振動傳感系統。針對鐵路周圍環境較復雜、干擾較多的情況，采用海明窗分幀加小波閾值去噪的方法進行信號濾波，提高了振動信號的信噪比。從時域上提取信號功率作為特征，完成了對鐵路振動信號的監測。

關鍵詞：光纖傳感技術;鐵路監測;光散射;濾波處理

引?言

光纖傳感技術是近些年伴隨著光纖和光纖通信技術的深入研究而興起的一種新型傳感技術。光纖本身所固有的種種優點：長距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、耐腐蝕、抗電磁干擾等等，促使人們在各個領域對光纖傳感器進行研究。光纖傳感技術在航天，航海，石油化工，電力工業、核工業、醫療器械等技術領域都取得了可喜的研究成果。1980年后光纖傳感器受到世界各國的重視，成為光纖領域中一個受人注目的發展動向。

本文將傳感器技術應用于鐵路監測系統中。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。

1.1光纖傳感器的內部結構

光纖傳感系統基本由光發生器、信號解調、光探測器、信號處理等部分構成。光源主要是指LED、白熾燈、激光器等。信號調制是指待測參量引起光信號強度、波長、頻率、相位或者偏振態的變化。光探測器能夠檢測出入射到其面上的光功率的大小，并把光功率的的該變量轉化為相應的電流，常見的光探測器有光電倍增管、熱電探測器、半導體光探測器等。

1.2光纖傳感技術的基本原理

光發生器產生的光進入光信號解調區，被測量的物理量與進入解調區的光之間發生作用，光纖發生彎曲或者外界施加壓力或者溫度改變等因素都會使光纖里的光信號的模態和相位改變，從而體現在光學特性的改變，成為被解調的信號光，在經過光探測器，并經過解調而轉變成使之發生改變的被測參數。

1.3分布式光纖振動傳感器

分布式光纖傳感系統按其監測的范圍大小可以分為兩種：準分布式和全分布式。準分布式是通過將許多單獨的光纖傳感器通過耦合器以串聯、并聯或是其他的網絡拓撲模式耦合到同一根光纖上，通過光電探測器及相關的電子計算機技術來接收解調信號從而獲取被監測區域的空間狀態信息分布，在該系統中，光纖只負責傳光而不具備傳感效果。全分布式光纖傳感器相比準分布式而言，其最主要的不同點在于其光纖不僅能夠傳光，而且還能夠傳感。

2.1窗函數選擇

窗函數的選擇原則：主瓣寬度應盡可能窄，提高頻域分辨率和減少泄露，以獲得較大的阻帶衰減。具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。旁瓣幅度隨頻率盡快衰減。如這兩條不能同時滿足，往往是增加主瓣寬度以換取對旁瓣的抑制。

本文在選擇窗函數時，根據所分析光纖振動信號的特性，對矩形窗、三角窗、漢寧窗和海明窗這4?種常用的窗函數進行篩選。其中，矩形窗的主瓣比較集中，頻率識別精度最高，但是旁瓣較高導致對信號幅值的估計較差，影響對光纖信號能量的計算;三角窗降低了旁瓣，但主瓣寬度是矩形窗的兩倍，頻率分辨率差，在分析光纖振動信號的頻帶分布時容易產生畸變;漢寧窗和海明窗都屬于余弦窗，只是加權系數不同，余弦窗在處理主瓣和旁瓣大小時較均衡，既減少了頻譜泄露，保證了信號幅值的準確度，又有一定的頻率分辨能力。由于海明窗的旁瓣更小，所以考慮減少頻譜泄露，從而增強對光纖振動信號幅值的估計精度，本文選取海明窗進行加窗處理。

3.1光纖振動信號采集

分布式光纖探測定位儀的主要工作過程如下：激光源發射采用窄線寬激光器，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沖頻率與系統的各種指標性能要求密切相關。

調制后的脈沖峰值功率較弱，不能實現長距離傳感，所以需要對脈沖光進行放大。之后將脈沖經過環形器注入傳感光纖，在環形器的另一個端口可以得到后向散射信號，散射信號的返回時間和光纖傳感長度對應。將傳感支路中的后向散射信號與本地光支路中的光信號進行拍頻，可以得到包含一系列頻率的拍頻信號，用雙平衡探測器對信號進行接收，將拍頻信號轉化為電信號并去除其中的直流分量。然后利用高速數據采集卡將電信號轉化為數字信號，并進行記錄。

3.2信號處理

3.2.1加窗分幀

在第二章中，我們已經大致了解基本的窗函數及其特性、優缺點，也詳細說明了窗函數的選擇原則，并且從光纖振動信號特性的角度對各類窗函數進行篩選，最終確定使用海明窗進行加窗處理。

3.2.2小波閾值去噪

受周圍環境和人為因素的影響，采集的信號一般包含一定的噪聲。由于噪聲對于信號的分析存在干擾，因此，在分析前需要對每一幀信號進行去噪。小波閾值去噪可以去除信號中混有的大部分白噪聲，同時可以保留原始信號的特征尖峰。目前，小波閾值去噪在信號去噪領域得到了廣泛應用，在很多場景下取得了較好效果。

結?論

本文從實際應用角度出發，研究了分布式光纖振動傳感器在軌道交通安全上的應用，提出了一種基于光纖傳感技術的鐵路監測系統。實時采集處理信號，對所有采樣點進行歸一化處理，使得監測振動帶的過程更便利。本文通過比較各類窗函數的優缺點來選擇合適的處理方法，通過小波閾值去噪方法去噪，并將去噪前后數據進行對比，結果證明了該方法的可行性。

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