光电技术在轨道交通测量中的应用研究

田 波，祁艳艳，魏 琳，饶晓红

(重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121)

0 引言

随着铁路与城市轨道交通“十三五”行动计划的进行，城市轨道发展十分迅速。自动化控制和测量技术在各个领域中所占比重也在不断增加。计算机技术与微电子技术的快速发展，促进了测量仪器与技术的进一步发展，测量仪器精确度与应用效果不断提高。而光电技术在轨道交通测量中的应用更为广泛，实现了对各项参数的自动化测量，能够降低工作人员工作程度，以及测量误差，对提高测量结果具有重要意义。

1 光电技术的应用原理分析

更多的新型技术被应用到自动化测量中，同时各个工件在生产加工时，参数具有一定的丰富性与差异性，因此最终测量仪器的工作原理与工作结构也会有一定的差异性[1]。根据轨道交通测量特点，可以将其结构划分为三个部分，即检测环节、传送放大环节以及显示环节。其中，检测环节能够完成被测量参数的科学转换，确保测量结果的精确性与合理性。同时，将测量参数传送到放大环节，被测参数信号在显示环节即可完成仪表指示与记录。由此可见，被测参数将会经过一次或者多次信号的转换处理，然后通过最后的显示环节，利用表盘刻度、指针位移或者数字符号等形式表达测量结果，得出最终的测量结果。

而光电技术在轨道交通测量过程中，主要应用于测量检测仪器，即：利用光信号等将测量信号传送到接收电路，利用光电转换装置将光线传来的光信号还原为电信号，然后再利用信号调节器预处理装置恢复成最初要测量的电信号。其中，光电传输系统最后利用光电二极管与发光二极管组合的光电转换装置。

2 光电传输系统组成原理分析

按照信号调制与解调方式的区别，一般可以将光电传输系统划分为模数转换方式、调幅方式以及压频转换方式。光电传输系统一般由光源、发射电路、以及光检测器接受电路组成。光电传输系统组成如图1所示。其中，发射电路包括信号处理、光电(electro、optical,E/O)转换以及调制结构，主要作用是将测量的轨距、高低或障碍物等信号转换成便于调制的信号，然后利用被调制好的信号来促进发光二极管工作，最终将电信号转换为光信号。而接收电路主要由光电转换、信号调解以及处理三部分组成，起到将光信号转换为电信号的作用，并利用信号调解以及处理装置将其恢复为最初被测量的电信号。对于光电传输系统来说，一般是选择用光电二极管或发光二极管来组成光电与光电转化装置，并且传输系统一般会选择用光纤或者多模光纤。

图1 光电传输系统组成图

3 光电技术的应用分析

3.1 软件控制系统

从VC语言和数字图像两部分对系统软件的控制系统进行探讨。

第一部分，将VC语言作为操作平台，并与数据库的管理系统相结合，形成完整控制系统的软件。该软件控制方式主要利用计算机，对指针表测试点进行设置。一般来说，测试点数量为5个。设置后，借助计算机具备的网络功能发射信号。经电流运动，待指针和表盘20°刻度相互重合后，计算机可重新发出信息，读取数据，并对测量结果进行储存。依据此方法分别测量5点，测量后打印证书。

第二部分，先对系统软件指针和表盘刻度的信号进行处理，后经制定滤波器对噪声信号予以处理，提取图像，对噪声干燥起到抵抗作用，使数据提取准确性大大增加。除此之外，还可在拟合工序中运用最小二乘法，提高拟合度的精密性。采用该方式，精确度至少可提高5倍。

3.2 光电技术成像系统

现在所应用的光电系统主要是利用远心光学系统将被测仪表表盘与指针图像摄入到CCD表面，然后受到驱动器影响，将载有表盘与指针信息的视频信号传送给A/D数据采集系统来完成模数转换。转换成功后，数据将会以矩阵的形式被保存在存储器中，利于计算机完成成像数据的识别。一般情况下，选择10 m×10 m作为单位尺寸，而元数面阵CCD则是1 024×1 024。这种同轴照明方式可以通过自动可调节光源亮度来实现[2-4]。

3.3 交流标准远控制系统

二相交流标准源输出标准电压、频率、电流以及相位，并且带动20 W以上负载，可以利用波形存储器与A/D转换器共同构成高精度数字合成三相信号源。整个工程可以利用脉冲调宽技术直流基准源设计进行调幅，以及通过锁相环技术与脉冲移相技术设计频率综合完成调相与调频处理。对于系统来说，原来的电流、电压放大器只可以带动20 W负载，而利用前馈控制技术，并不会对跟踪信号的基准造成影响，可以通过放大器来保证输出与输入信号的一致性[5-6]。另外，在对全信息进行取样处理时，除了要保证信号中幅值信息的有效性，还应确保其具有相位信息与谐波信息。系统经过矢量采样处理后，将会全部反馈到控制回路中。与其他技术相比，矢量采集技术具有更大的优势，在自动化测量中将会取得良好的应用效果。

3.4 计算机技术控制系统

光电技术在轨道交通测量中，引入了计算机控制技术。其目的是实现测量的智能化，加强自动化的控制力度。计算机控制是光电技术中的关键部分，其在轨道交通测量中的应用具有实践性的优势。利用基于C语言的操作平台，连接数据库，构成独特的管理方式。此方式可以通过计算机实现软件的控制，进而为轨道交通测量提供智能化的控制途径。在轨道交通测量中，测量人员可利用计算机通过操作界面设置需要测量的相关参数，主要是各测试点的参数。当轨道交通向标准源发送信号后，仪表的电流呈现平稳上升的区域，仪表指针与刻度重合，第二次发送信号，可以重新获取刻度的测量数据。按照此项方法类推，得出不同信号发送时的测量数据。计算机可以直接计算出与测量相关的参数信息，如值波率、高斯波率等，用于检测噪声信息，检测到信息参数后并存储到计算机的数据库内；然后通过Caany算子，处理噪声信息，保障噪声处理的准确性，排除影响因素的干扰。计算机控制利用最小二乘法，确保轨道交通测量的信息，达到规范的精确度，再将最终的测量数据在仪表终端显示。计算机控制在轨道交通测量中的应用，表明光电技术的重要性，在计算机控制的作用下，光电技术有效应用在轨道交通的测量中，促使其向智能化方向发展。

4 光电技术应用注意要点

在轨道交通测量实施工作中，均需要配置相应的有源设备，这就决定了高压端口供电电压的稳定性会对最终的测试结果精确性造成影响。目前，我国光电系统高压侧供电方式主要包括3种，即利用高压母线进行传输供电、利用高压电池供电以及低压侧电能转换为光能并利用光线传送到高压端口。在面对不同的供电方式时，必须要采取相应的措施进行维护，确保供电效果不会对最终测量精确性造成影响。对于高压母线传输供电方式来说，如果流经母线内部的电流过小，会对传输电流的供电效果造成影响；而供电电流过大，则会对整个电路的运行稳定性造成影响，出现电路损坏的问题[7]。针对此类问题，在对系统进行设计时，即需要在母线端口与光电系统前端部位设置变压器，来完成供电线路中电流强度的控制，以提高系统供电的稳定性、降低其对轨道交通测量结果的影响。

5 结束语

光电技术在轨道交通测量中的应用，对提高测量结果的精确性具有重要意义。但是在应用工程中也会受到各项因素的影响。想要提高其应用效果，必须要了解其所具有的特点，以及光电传输系统运行的原理，并在此基础上对各方面的应用进行分析。从不同的控制系统着手，采取合理的措施进行研究，同时还应做好源供电电流的控制，提高其运行稳定性，以免对测量结果的精确性造成影响。