异物侵限监测利用光纤光栅探测技术方案研究

黄 乃 斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



异物侵限监测利用光纤光栅探测技术方案研究

黄 乃 斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

结合光纤光栅的技术特点，提出了基于光纤光栅技术的异物侵限监测系统设置方案及报警判断流程，并分析了光纤光栅异物侵限监测的特点，旨在提高异物侵限监测系统的可靠性。

光纤光栅，灾害监测，异物侵限

0 引言

目前已实施的高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统中，异物侵限监测均采用双电网传感器方式。但这种方式受铁路沿线环境影响，易产生误报，且无法监测异物入侵防护网的积累情况。本文结合光纤光栅的技术特点对光纤光栅探测技术应用到铁路异物侵限监测领域进行了分析。

1 光纤光栅传感技术简介

光纤光栅技术是利用反射光的波长对温度、应力、振动和应变敏感，通过光刻技术在光纤芯中引起折射的周期性变化原理而形成。当环境温度、应力或应变发生变化时，光纤光栅反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移的度量就可以实现对温度、应力和应变的感测。利用光纤光栅对振动和应变这种特性可制成适用于铁路灾害监测异物侵限监测的光纤光栅传感器。

2 系统方案

2.1 系统总体架构

基于光纤光栅传感技术的异物侵限监控系统主要由现场设

备、传输光缆及后台设备部分组成(本方案以设置5个防护网为例)，系统结构如图1所示。

光纤光栅现场设备可借鉴传统的双电网，将防护网里面的监测电缆替换成光纤，并安装光纤光栅破网传感器，并在每片防护网上安装光纤光栅振动传感器。在附近的灾害监测机房内设置光纤光栅解调仪、计算机等后台处理设备，并接入监控单元设备，监控单元至现场设备用光缆连接。

光纤光栅振动传感器含有光纤光栅及惯性体，其工作原理为：外界的振动会引起光纤光栅内惯性体的上下运动，对光纤光栅产生相应的张拉效应，导致光纤光栅的特征反射波长发生变化，后端的光纤光栅解调仪接收到光栅反射波长变换后光谱的变化，再通过计算机后台处理设备进行信号处理，剔除环境噪声等因素，综合判断，并给出入侵报警信息。

2.2 光纤光栅振动传感器设置方案

利用光纤光栅对振动感应的特性，可制成光纤光栅振动传感器，在每个防护网片上均设置一个，如图2所示的Z1～Z5。传感器采用串接熔接方式连接，引线编号以FC1表示。光纤光栅传感器将异物冲撞防护网造成的振动进行采集，通过光纤传送到后台计算机处理设备。

2.3 光纤光栅破网传感器设置方案

比照传统双电网传感器断网报警的特性，在每个防护网内编制光纤网，并设置光纤光栅破网监测传感器，将每个防护网定义为一个防区，在定义的每个防区前后两端各设有一个光纤光栅破网传感器，如图3所示。以一个防区为例，光纤光栅破网传感器S0被定义为传输线路自检传感器，负责监控传输线路故障，S1被定义为防区1破网传感器，负责监控防区内是否有破网发生，同时也是防区2的起点。当异物侵限破网发生时，S1的检测信号将消失(即处于开关量的断路)，系统将作出异物侵限破网发生响应。

2.4 光纤光栅的传输网络

铁路异物侵限监测防护网的设置数量一般在几十个左右，如为每个传感器单独设置光源及解调系统，会极大的增加工程成本及维护成本，不利于光纤光栅技术的推广，故需将多个传感器共用光源和解调系统。根据光纤光栅的特性，结合铁路异物侵限监测的特点，采用波分复用方式可以很好的解决此问题。

光纤光栅传感使用波分复用时，将光源波长划分成许多小的波长，每个传感器占用一个波长区间，相互不重叠，当探测的外界对象发生变化时，每个传感器的波长在各自区间内波动，互不干扰。通过采用波分复用技术，在保证光纤光栅异物侵限监测系统的准确性和可靠性的前提下，使系统实现了分布式监测的功能，每个监测网片都可以独立的进行异物侵限监测，提高了系统的精度。

在使用多个传感器监测系统中，传感器的组网传输需考虑其波长间隔和线路损耗。目前一般解调仪器的探测频谱宽度在40 nm～60 nm左右，如信号检测系统要求总线程损耗在8 dB以下，光缆的每千米线程损耗以0.3 dB计，单个传感器的线程损耗控制在0.1 dB以内，每个信道按20个传感器计，那就可得到系统允许的最远传输距离为20 km，此范围可以满足铁路工程的实际需要。

3 系统报警判断流程

光纤光栅振动传感器探测异物对防护网的撞击，破网传感器探测异物对防护网的损伤。探测信号通过光缆传输至临近灾害监测机房光纤光栅解调仪，解调仪将信号解调后上传给计算机，计算机分析处理软件对探测的数据进行分析处理，根据系统预先设置的报警策略输出相应级别的报警信息提示。

本方案设计了光纤光栅振动传感器和光纤光栅破网传感器，将两类传感器同时布设于防护网上，仅当两种传感器同时报警时，系统才发出异物侵限报警，通过两种传感器共同探测可制定基于光纤光栅技术的异物侵限报警规则。

1)一级报警处理(有异物侵限无破网)。有异物撞击到防护网,但被防护网有效拦截住,未穿透防护网,不影响行车安全，这时振动传感器探测到防护网有振动情况，但破网传感器未探测到有破网发生，则不联动控制列控系统，通知维护部门去现场检查，清除防护网上的异物。

2)二级报警(有异物侵限同时破网)。如有异物撞击并穿透防护网，异物有可能影响行车安全。这时振动传感器探测到防护网有振动情况，破网传感器探测到有破网发生，计算机后台处理设备比对收到的振动波形信号是否合理，发生振动与破网的防护网是否为同一网片，振动与破网的时间是否一致等因素，经过综合分析排除误报的情况进行异物侵限报警，并联动控制列控系统。

3)系统故障警示。利用光纤光栅可以对每个传感器进行寻址的技术特点，即每个破网、振动传感器对应某一特定网片，如本方案中“Z1”“S1”对应“网1”，在发生异物侵限报警时，通过精确定位可有效区分“Z5，S1”或“Z1，S5”产生的不同报警组合，避免误报。如发生振动与破网报警网片不一致，仅有破网传感器报警，振动传感器未报警等情况，则判定为系统故障。

4 光纤光栅异物侵限监测的特点

1)光纤光栅信号的检测和传输采用光为媒介，实现了现场无电检测，检测信号不受电磁干扰。

2)数字量检测，检测精度高，系统容量大，传输距离远，特别适合铁路恶劣的沿线环境。

3)两种不同原理的传感器组合，异物侵限精确定位，可实现分布式测量，避免无效报警，提高系统可靠性。

4)信号传输线路自检，有效区分线路传输故障和传感器检测信号，避免发生无效报警。

5 结语

本文分析了光纤光栅的技术特点，提出了光纤光栅异物监测系统的设置方案及报警判断流程。铁路工程异物侵限监测采用光纤光栅探测技术可避免传统双电网传感器易受电磁干扰、无法精确定位、无法将异物对防护网造成的振动进行探测等缺点，为异物侵限监测技术的研究提供了一个新的手段。

[1] 刘建斌.基于光纤光栅传感的铁路异物侵限监测系统研究[J].交通科技,2011(3)：126-128.

[2] 林 斌.光纤光栅传感铁路安全监测技术[J].交通科技，2010,8(5)：93-95.

Research of foreign object invasion monitoring system based on optical grating and optical fiber technology

Huang Naibin

(RailwayThirdSurveyandDesignInstituteGroupLimitedCompany,Tianjin300251,China)

The article analyzes the technical characteristics of optical grating and optical fiber, then proposes the construction plan and alarm judge process of foreign object invasion monitoring system based on optical grating and optical fiber technology. The paper analyzes optical grating and optical fiber foreign object invasion monitoring feature, with a view to improve the reliability for foreign object invasion monitoring.

optical grating and optical fiber, disaster monitoring, foreign object invasion monitoring

1009-6825(2016)10-0133-03

2016-01-27

黄乃斌(1983- )，男，工程师

U212.2

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