一种基于分布式光纤的城市轨道监测方法及系统

技术领域

本公开一般涉及轨道检测领域，尤其涉及一种基于分布式光纤的城市轨道监测方法及系统。

背景技术

在城市轨道交通领域，关键的运营维保对象是列车和轨道。轨道事故的发生，将导致很严重的后果。因设备安装工艺问题造成走行轨在冬季低温时被拉断，导致断轨、大轨缝；这些问题都会给列车行驶带来极大的危险。目前，城市轨道交通行业普遍采用人工巡检的方式，以目测、钢板尺和塞尺结合的方式进行离散点测量，因此存在测量数据间隔大、人为误差大、依赖于测量员检测习惯和经验，无法形成有效的数据分析基础。

有鉴于此，亟需研究并提供一种安全、高效、精准的城市轨道监测方法及系统，确保列车安全可靠、提效节能，实现城市轨道智能运维管理，满足我国城市轨道交通运维的实际需求。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于分布式光纤的城市轨道监测方法及系统。

第一方面，提供一种基于分布式光纤的城市轨道监测方法，包括如下步骤：

向感应光纤一端发射探测光，向感应光纤另一端发射泵浦光；

接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号；

由后向布里渊散射信号、探测光频率得到布里渊频谱；

由布里渊频谱得到感应光纤应变量，进而得到轨道位移量；

判断轨道位移量是否超过预设阈值；

若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

根据本申请实施例提供的技术方案，接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号的同时，还接收感应光纤返回的拉曼散射信号；

由拉曼散射信号得到拉曼光谱；

由拉曼光谱得到感应光纤温度应变，进而得到轨道温度；

判断轨道温度是否超过预设阈值；

若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

根据本申请实施例提供的技术方案，接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号和拉曼散射信号前，对接收信号进行降噪处理。

根据本申请实施例提供的技术方案，不间断的对后向布里渊散射信号进行接收，不间断的对泵浦光和探测光的频率差进行连续扫描接收，得到感应光纤不同位置的布里渊频谱，进而得到整根感应光纤应变量。

根据本申请实施例提供的技术方案，持续对拉曼散射信号进行接收，并记录接收时间，得到感应光纤温度应变的位置，进而得到整根感应光纤的温度应变。

第二方面，提供一种采用前文所述的基于分布式光纤的城市轨道监测方法的系统，包括：

感应光纤，敷设在城市轨道走行轨上；

探测模块，其上设有第一激光单元和第二激光单元，所述第一激光单元与感应光纤一端连接，用于向感应光纤发射探测光；所述第二激光单元与感应光纤另一端连接，用于向感应光纤发射泵浦光；所述探测模块上还设有第一探测单元，用于接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号；所述探测模块上还设有数据采集单元，与第一探测单元连接，用于接收并处理布里渊散射信号后得到布里渊频谱；

监控模块，包括数据处理单元和数据分析单元；所述数据处理单元与数据采集单元连接，用于接收数据采集单元发送的布里渊频谱，并对布里渊频谱处理得到感应光纤应变信息，进而得到轨道位移量；所述数据分析单元与数据处理单元连接，所述数据分析单元用于判断轨道位移量是否超过预设阈值；若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号；

终端，与数据分析单元连接，用于接收数据分析单元发送的报警信号。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述探测模块还包括第二探测单元，所述第二探测单元与感应光纤连接，用于接收感应光纤返回的拉曼散射信号；所述数据采集单元与第二探测单元连接，用于接收并对处理拉曼散射信号得到拉曼光谱；所述数据处理单元还用于接收拉曼散射信号并处理得到感应光纤温度应变，进而得到轨道温度；所述数据分析单元还用于判断轨道温度是否超过预设阈值；若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述终端包括大屏幕显示设备、值班人员手机或者客户端显示设备。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一探测单元和第二探测单元对布里渊信号和拉曼信号的接收是实时地、不间断地。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述感应光纤包括内芯、包覆内芯的中层结构以及包覆中层的外层结构；所述内芯为紧包型应力传感光纤，所述中层包覆结构为绞钢丝或FRP加强件，所述外层包覆结构为MDPE护套。

本发明的有益效果：

由于本申请还向感应光纤另一端发射泵浦光，泵浦光可以实现对探测光的功率进行放大。泵浦光和探测光分别从光纤的两端分别注入，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。测得信号更精准，因此能够实现更高精度的测量；同时，感应光纤多长就可以测量多长的轨道，感应光纤的测量手段为分布式，测量精度高的同时，实现实时监测、测量点位多，、测量距离远、本质安全和不受电磁干扰；由于对数据处理并分析，记录保存数据并提供决策和分析依据的同时，实现远程监控。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请所述的城市轨道监测系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

一种基于分布式光纤的城市轨道监测方法，包括如下步骤：

向感应光纤一端发射探测光，向感应光纤另一端发射泵浦光；

接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号；

由后向布里渊散射信号、探测光频率得到布里渊频谱；

由布里渊频谱得到感应光纤应变量，进而得到轨道位移量；

判断轨道位移量是否超过预设阈值；

若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

请参考附图1所示，感应光纤一般为一整根，敷设在城市轨道走行轨上。

向感应光纤一端发射探测光，主要用于探测；接收布里渊散射信号，进而得到布里渊频谱，通过布里渊频谱得到感应光纤应变量，由于感应光纤敷设在城市轨道上，进而可以得到轨道的位移量。轨道位移量为轨道某一位置不同方向与健康轨道位置的距离，具体包括微位移、变形、倾斜、沉降、上拱等。通过判断位移量是否超过预设阈值，进而可以判断轨道是否健康；如果不健康，则会发送报警信号，工作人员从不同终端接收到报警信号，及时介入处理，减少事故发生。所述预设阈值为轨道列车正常行驶可接受的某一位置偏移健康轨道的最大距离。

感应光纤紧密贴附在城市轨道外侧，当轨道某处发生形变时，光缆中光的频移会发生变化，通光信号的解调，能够解算出轨道所对应的位移量，同时判断位移量是否超过阈值，超过阈值，则发送报警信息。实现远程监控轨道位移量，并作为数据研判和决策的依据。

由于本申请还向感应光纤另一端发射泵浦光，泵浦光可以实现对探测光的功率进行放大。泵浦光和探测光分别从光纤的两端分别注入，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。测得信号更精准，因此能够实现更高精度的测量；同时，感应光纤的测量手段为分布式，感应光纤多长就可以测量多长的轨道，本方法具有实时监测、测量点位多、测量距离远、本质安全和不受电磁干扰的特点；由于对数据处理并分析，记录保存数据并提供决策和分析依据的同时，实现远程监控。

在本申请一实施方式中，接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号的同时，还接收感应光纤返回的拉曼散射信号；

由拉曼散射信号得到拉曼光谱；

由拉曼光谱得到感应光纤温度应变，进而得到轨道温度；

判断轨道温度是否超过预设阈值；

若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

请参考附图1所示，接收拉曼散射信号。因为光在感应光纤中传播会发生拉曼散射现象，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，根据反斯托克斯光和斯托克斯光频率比得到光能力损失比，进而得到感应光纤的感应温度，即为轨道温度。进一步保存并分析轨道温度，超过预设阈值报警，工作人员及时介入处理，实现轨道远程监控。在传感末端50公里处仍可实现±1℃测量误差的测温性能，避免误报率。同时监测轨道位移即形变以及轨道温度，监测更加全面。

在本申请一实施方式中，接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号和拉曼散射信号前，对接收信号进行降噪处理。

具体地，降噪处理包括如下步骤：

对采集到的接收信号进行网格划分，把每网格的角点当做节点；

选取接收信号的特征点并对前后帧之间的特征点进行追踪；

对追踪到的特征点求取前后帧的全局单应矩阵，将前一帧节点的位置投影到当前帧；

将当前帧上距离节点小于一定阈值的特征点的运动向量存储该到节点的运动向量Buffer；

对运动向量Buffer进行中值滤波，将中值滤波后的结果当做节点的运动向量；

遍历所有网格，利用网格的四个节点的运动向量求解该网格运动的单应矩阵，然后利用该单应矩阵构建网格内有像素的映射图；

根据映射图对齐像素位置，将映射图叠加，构建不同帧之间的累加运动的映射图；

对齐后不同帧之间像素灰度值差小于一定阈值的像素进行平均作为当前帧的灰度值；

通过非局部均值图像滤波得到最佳信噪比。

通过预处理、特征点追踪、运动求解、运动滤波、构建映射、像素对齐、融合等图像降噪算法步骤对原始信号进行降噪处理，同时通过非局部均值图像滤波得到最佳信噪比。由于对接收信号进行了降噪，则可以使得接收信号更精准，从而解调出的应变量和应变温度更精准，实现更高精度的测量和监控。

在本申请一实施方式中，不间断的对后向布里渊散射信号进行接收，不间断的对泵浦光和探测光的频率差进行连续扫描接收，得到感应光纤不同位置的布里渊频谱，进而得到整根感应光纤应变量。

具体地，通过扫描探测光频率，可获得光纤任一点的布里渊频谱，从而得到分布式应变量，进而得到整根感应光纤应变量。实现城市轨道全面、长距离监控，监控范围更广。

在本申请一实施方式中，持续对拉曼散射信号进行接收，并记录接收时间，得到感应光纤温度应变的位置，进而得到整根感应光纤的温度应变。

具体地，根据光传播的速度和时间可以得知传播的距离，因此可以获得应变温度的位置，进而得到轨道温度的位置，在轨道形变监测基础上，实现城市轨道全面、长距离温度监控，监控范围更广。

实施例二

基于分布式光纤的城市轨道监测方法的系统，包括：感应光纤，敷设在城市轨道走行轨上；探测模块，其上设有第一激光单元和第二激光单元，所述第一激光单元与感应光纤一端连接，用于向感应光纤发射探测光；所述第二激光单元与感应光纤另一端连接，用于向感应光纤发射泵浦光；所述探测模块上还设有第一探测单元，用于接收感应光纤返回的后向布里渊散射信号；所述探测模块上还设有数据采集单元，与第一探测单元连接，用于接收并处理布里渊散射信号后得到布里渊频谱；监控模块，包括数据处理单元和数据分析单元；所述数据处理单元与数据采集单元连接，用于接收数据采集单元发送的布里渊频谱，并对布里渊频谱处理得到感应光纤应变信息，进而得到轨道位移量；所述数据分析单元与数据处理单元连接，所述数据分析单元用于判断轨道位移量是否超过预设阈值；若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号；终端，与数据分析单元连接，用于接收数据分析单元发送的报警信号。

请具体参考附图1所示，探测模块一般为探测主机。第一激光单元或者第二激光单元为超窄线宽半导体激光光源用于发送探测光或者泵浦光。所述第一探测单元为微弱信号探测，数据采集单元为超高速数据采集，因此监测更精准可靠。

本系统向感应光纤两端注入探测光和泵浦光，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。测量精度更高的同时，感应光纤多长就可以测量多长的轨道，感应光纤的测量手段为分布式，监测具有实时监测、测量点位多、测量距离远、本质安全和不受电磁干扰的特点；同时对数据处理并分析，记录保存数据并提供决策和分析依据的同时，实现远程监控。

在本申请一实施方式中，所述探测模块还包括第二探测单元，所述第二探测单元与感应光纤连接，用于接收感应光纤返回的拉曼散射信号；所述数据采集单元与第二探测单元连接，用于接收并对处理拉曼散射信号得到拉曼光谱；所述数据处理单元还用于接收拉曼散射信号并处理得到感应光纤温度应变，进而得到轨道温度；所述数据分析单元还用于判断轨道温度是否超过预设阈值；若未超过，则判断轨道为健康状态；若超过，则判断轨道为不健康状态，并发送报警信号。

本系统实现轨道位移量和轨道温度双重监测和监控，精度高误差小，可以有效的数据分析基础。

在本申请一实施方式中，所述终端包括大屏幕显示设备、值班人员手机或者客户端显示设备。

具体地，报警信息可以是以短信的方式发送至终端，终端可以是大屏幕显示设备、值班人员手机或者客户端显示设备等，确保列车安全可靠、提效节能，实现地铁智能运维管理。

在本申请一实施方式中，所述第一探测单元和第二探测单元对布里渊信号和拉曼信号的接收是实时地、不间断地。

具体地，通过实时地、不间断地接收信号并扫描探测光频率，可获得光纤任一点的布里渊频谱，从而得到分布式应变和温度测量。

在本申请一实施方式中，所述感应光纤包括内芯、包覆内芯的中层结构以及包覆中层的外层结构；所述内芯为紧包型应力传感光纤，所述中层包覆结构为绞钢丝或FRP加强件，所述外层包覆结构为MDPE护套。

具体地，FRP加强件为纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polyme)的加强件；MDPE护套为中密度聚乙烯(Medium density polyethylene)材质护套。

感应光纤由中芯的紧包型应力传感光纤，外层绞钢丝或FRP加强件和MDPE护套组成，使得感应光纤使用寿命可以达到30年。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。