基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列车定位系统研究

王月太 高贤辉 吴文艾

摘 要：本文介绍了FBG的传感原理，并具体的介绍了基于WDM和SDM的FBG高速列车定位系统，采用WDM和SDM相结合的结构大大降低了系统成本。

关键词：光纤光栅传感器；列车定位；WDM；SDM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.127

1 引言

列车定位是列车运行过程中的重要一环，负责提供正确的列车的速度和位置信息[1]。为保证列车的运行安全，必须要保证列车的速度和位置信息的安全性、正确性及可靠性。传统的列车定位系统都需要车载设备和地面设备进行信息的传输，在信息传输的过程中会出现信息错误、信息丢失等通信故障，这样就会导致车载设备无法及时准确的获取列车位置信息，从而造成行车危险。 为此本文提出了基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列车定位系统，该列车定位系统无需车载设备与地面感应设备进行信息传输，这样可以有效的防止了通信故障，从而保证行车安全。同时FBG传感器是光纤结构，具有抗电磁干扰、 耐腐蚀、维护方便等优点，可以使系统的成本大大降低。

2 FBG传感原理

宽带光源的光通过光纤光栅中时，会分为两部分，其中满足条件光纤光栅Bragg條件的光将发生反射， 其余的光透过光纤光栅继续传输。

反射光的波长 （即谐振波长） 由Bragg公式确定[2]：

（1）

其中，λB是光纤光栅的反射波长，neff是光栅模有效折射率，Λ是光线光栅的周期。

由上式可以看出：光纤光栅的反射波长与光栅的周期和有效折射率成正比。当外界因素发生变化时，光栅的周期和光栅模的有效折射率也随之发生改变，而光栅的周期和光栅模的有效折射率的改变就会使得光纤Bragg光栅的中心反射波长产生变化。其中，应变和温度是引起光纤布拉格光栅中心波长的偏移的主要原因。

光纤Bragg光栅中心波长的漂移量与轴向应变的关系表达式为：

（2）

其中，pe为有效弹光系数；KB，ε为光纤Bragg光栅的应变灵敏度；ε为应变。

光纤Bragg光栅中心波长漂移量与温度变化的关系表达式为：

（3）

其中，α为光纤材料的热膨胀系数；ζ为光纤材料的热光系数；KB，T为光纤Bragg光栅的温度灵敏度；ΔT为应变。

由式2、式3可知：要获得应变和温度的变化情况，可以通过测量谐振波长的漂移量。

3 系统结构

采用WDM可以将多不同波长的光纤光栅串联在一根光纤上，采用SDM可以将多个光路并联连接，这样就可以通过WDM+SDM的复用技术来实现分布式测量。系统结构图如图1所示，宽带光源发出的连续宽带光，光信号通过3dB耦合器入射到光开关，通过光开关来选择各个支路的选通，光信号进入到FBG串联阵列中，会产生反射光，其中，第一个FBG的反射光波长为λ1，第二个FBG的反射光波长为λ2，直到最后一个FBG产生波长为λn的反射光。反射光通过3dB耦合器就后会进入到波长检测系统，通过波长检测实现解调，从而实现对外界参量的辨识。并且并联的各个光纤Bragg光栅的波长可以相同，这样就会使系统成本降低。

4 结论

目前光纤光栅传感器已在很多领域得到应用，相信在不久光纤光栅传感技术会在铁路运输中得到广泛的应用，为铁路列车的安全运行提供保障。

参考文献：

[1]朱爱红，李博，杨亮.高速列车定位技术与组合定位系统研究[J].中国铁路报，2013（05）：63-66.

[2]孙丽.光纤光栅传感应用问题解析[M].北京：科学出版社，2011：7-11.

作者简介：王月太（1989-），女，甘肃兰州人，硕士，助教，主要研究方向：交通信息工程及控制。