光纤光栅在铁路自然灾害及异物侵限监测系统中的应用

2018-04-15中铁电气化局集团有限公司李耀东

电子世界 2018年9期

中铁电气化局集团有限公司李耀东

0 引言

随着科学技术的发展，国内与高速铁路相关的项目越来越多，在以日本为代表的、高速铁路较为发达的国家，普遍采用了能够监测异物侵限并进行报警的系统，但是在实践过程中人们发现，选择光缆作为传输和监测系统信号部位的主要构成，会增大传输段发生故障的几率，基于此，研究人员将光纤光栅和负责监测异物侵限的系统进行了结合，这样做不仅降低了分区监测和传感需要的成本，还提高了监测的准确性。

1 应用光纤光栅的异物侵限监测技术的概述

首先对光纤光栅技术的定义进行简明扼要的概括：光纤光栅主要是在光纤芯中对紫外曝光技术加以利用，使折射率出现周期性变化所形成的。基于此，光纤光栅所对应折射率在分布方面具有的周期性结构，不仅会导致特定波长出现光的反射，还会形成相应的反射谱。对反射光波长而言，无论是应变、温度还是应力发生变化，都会导致光的峰值波长出现漂移情况，也就是说，工作人员通过度量波长漂移量的方式，就能够完成感测应变、温度和应力的相关工作[1]。

将光纤光栅与异物侵限监测进行相结合的优势，主要体现在以下几个方面：其一，具备较高的可靠性，漏报、误报等情况出现的几率大大降低。将波长信息作为监测量，能够保证针对异物侵限事件探测工作的准确性，漏报情况自然不会出现，将光波长信号用于传感及传输，不会被传输距离所影响，误报的可能性也随之降低；其二，通过简化系统结构的方式降低成本。将光纤光栅与滤波片进行结合，完成后续的解调工作，能够在满足铁路系统对技术具有需求的基础上降低成本，另外，光纤传输的距离较长，工作人员可以将位于信号中继站或车站管辖范围之内的监测点通过监测得到的数据信息，向自然灾害及异物侵限监测系统进行接入，与双电网监测系统相比较而言，该监控系统不仅具有较多的监测点，集成度也更高，监控单元数量自然能够随之减少；其三，使分区、故障自检成为了现实。在过去很长一段时间内，用于异物侵限监测的电类技术和光类技术，不仅无法对传输段信号和传感段信号进行分辨，还无法实现线路故障的自检，基于光纤光栅所构建的、对异物侵限加以监控的系统，能够将传输故障信号与报警信号进行分离，无论是分区还是故障自检都成为了现实；其四，非电监测，对电磁具有较强的抗干扰能力。该系统负责监测和传输的部分均由光纤组成，光纤具有抗干扰和防雷击的特性。

2 应用光纤光栅的铁路自然灾害及异物侵限监测系统方案

2.1 方案概述

铁路自然灾害及异物侵限监测系统的构成，主要分为光纤光栅监测网，监控单元，监控数据处理设备以及终端设备。光纤的作用是对光纤光栅监测网收集到的数据信息向监控单元进行传递，为后续分析处理工作的开展提供便利。一旦在开展系统工作的过程中，发现在监测现场有异物侵限的情况存在，监控单元会将报警信息通过监控单元继电器组合联动触发信号系统控制列车停车，同时将报警信息上传至监控数据处理设备，监控数据处理设备在收到报警信息后，分发至工务段、调度等终端显示。

2.2 现场监测

首先是双区双光路监测并判别状态。双区双光路的光纤光栅监控系统，与其他系统相比具有更加良好的可靠性，该系统的特点如下：任意监测点均采用两套独立存在的光线光栅监测网以及传输网。如果这两套装置监测到的信号状态均为正常，则说明监测点没有异物侵限的情况存在，如果这两套装置监测到的信号状态为均断线，此时，自然灾害及异物侵限监测系统就需要向外传递出报警的相关信息，如果这两套装置监测到了不同于上述情况的状态组合，那么，就需发出故障报警信号，之所以会出现这样的情况，是因为两套分别独立于对方而存在的光纤光栅监测网以及传输网，对应的系统不仅可以根据所接受信号数据，对故障现行加以判断，还能够完成报警等级的设定、选择应对措施等工作，误报警的可能性自然也会随之减少[2]。

其次是对异物侵限进行分区监测。自然灾害及异物侵限监测系统内光源所发出的往往是宽带光，宽带光需要经过光分路器，才能分别传输光纤、异物侵限对应的传感器内部。这里需要注意一点，异物侵限所对应传感器，负责连接传输光缆的两端，所安装光纤光栅的规格往往有所区别，这样能够实现反射波长不同的光信号的目标。将反射波长信号分别设为λ1、λ2，那么，位于λ1、λ2间的区域为传感区域，作用主要是对异物侵限情况进行监测，位于自然灾害及异物侵限监测系统和光纤光栅间的区域为信号传输区，λ1、λ2所对应的波长信号，在正常情况下，都需要经由传输光缆，向光分路器返回，从而成功地进入到光信号处理器的内部，完成后续的监控工作。针对后一种情况，选择两台光信号处理器的目的，是对传输光缆所返回的信号进行分别接收，如果两台处理器同时收到两个波长不同的光信号，则表明系统处于正常的运行状态，没有异物侵限的情况发生，如果两台处理器只接收到了其中的某个光信号，而没有接收到从另一个传输光缆返回的信号，则代表有光信号返回的传输光缆、光纤光栅监测网并没有发生断线的情况，无光信号返回的传输光缆断线，如果处理器只有通过传输光缆1，才能收到λ1对应的波长信号，通过传输光缆2收到λ2对应的波长信号，说明传输光缆未断线，但光纤光栅监测网出现了断线的问题。另外，虽然监测网以及传输网同时出现断线问题的可能性较小，但工作人员仍旧可以根据传输线路返回的信号，完成对故障区域进行判断的工作，具体来说，就是两台光信号处理器无法接受信号、两条传输线路同时断线，当出现上述情况时，工作人员就可以默认为监测网出现断线问题，并根据实际情况对其进行处理。而将传输区和监测区分开，使二者分别独立于对方而存在，主要目的是使对异物侵限现场进行监控、对线路自身状态进行监测，这两项工作的同时开展成为现实，基于此所产生的传输故障和异物侵限报警信号，具有良好的可靠性，误报的几率明显的下降。

最后，对光纤光栅的异物侵限对应的监测信号进行解调。经由光纤光栅所反射的信号作为系统传感信号而存在，在很长一段时间内，负责对其进行解调的主体均为MOI公司（美），价格昂贵的情况无法被避免，由此而引发的问题就是该项技术无法大规模的在工程中加以应用，基于此，以降低成本为主要目的，工作人员成功研发出了一种全新的解调方法，即将光纤光栅和滤波片进行结合。光纤光栅的异物侵限对应的传感器所反射回的波长信号有两个，分别是λ1、λ2，部分光路用作对λ1所对应光纤光栅的滤波片进行匹配，完成报警监测信号的捕捉工作，所捕捉信号经模块转换，与报警接口电路相连。如果波长光信号能够正常返回，表明该信号对应的光电模块，输出高电平；如果波长光信号无法正常范围，则表明该型号对应的光电模块，输出低电平。与此同时，光路中还存在用作对λ2所对应光纤光栅的滤波片进行匹配，完成报警监测信号的捕捉工作的部分。如果在监测过程中发现有异物侵限的报警信息，自然灾害及异物侵限监测系统包含的继电器组合，需要在第一时间将报警信息传递至列控中心和监控数据处理设备；如果在监测过程中发现有异物侵限的预警信息，则需要及时将预警信息传递至数据信息处理设备，为后续工作的开展提供便利[3]。但是由于异物侵限监测对应的使用环境往往十分复杂，利用通断信号无法完成对现场状态进行有效判断及预警的工作，例如，在铁路边坡的被动防护网上，对应用光纤光栅的监测网进行设置，虽然被动防护网属于柔性网，即使承受了大量石块的堆积，也不会出现断裂的问题，但是铁路上方堆积大量石块，给列车运行安全性带来的威胁往往难以预估，想要避免上述问题的出现，工作人员可以针对光纤光栅对应的监测网，从应力和通断两个方面进行双重监测。负责解调波长和信号分析的模块，还能够对光纤网应力的变化情况进行监测，因此，可以根据实际需求将其加入到监控单元中，并将输出信号作为预警信号向数据信息处理设备进行传递，应用波长解调模块中的滤波器通常以角调式为主，这一类型的滤波器具有监测监测网受力情况的功能。