光纤光栅传感技术在轨道交通轨道占用检查中应用研究

陈立华，靖 林，赵 泽

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

目前轨道交通领域普遍采用轨道电路或计轴设备检测列车占用情况，但上述设备需在轨旁设置大量电子设备，造价偏高且易遭受电磁干扰等外部环境影响。光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感技术，是近年来国际上发展最快的高科技检测技术之一，利用光纤来感知和传输外界信息，具有抗电磁干扰、远距离传输、易组网、高灵敏、高可靠等优越性。为轨道交通领域轨道的占用检查提供一种新可能。

2000 年北京交通大学的裴丽等人提出了一种FBG 压力传感器在列车实时追踪中的应用[1]。2008年北京交通大学的王燕花等人又提出了一种基于WDM 和TDM 串联FBG 的高速列车定位系统[2]。上述文献对FBG 传感技术应用于轨道占用检查领域进行了理论研究，但未进行现场试验，缺乏工程化方案。

2009 年武汉理工大学潘建军和汕头大学的Chu-liang Wei 相继提出了一种基于光纤光栅应变传感器的列车计轴，并进行了现场测试[3—4]。该研究采用光纤光栅传感器取代传统计轴设备，并取得了一定的现场测试效果，但仍无法实现连续式轨道占用检查。

国外也有些利用光纤光栅传感器测量列车速度、重量的相关研究[5—6]，但均未实现轨道占用检查功能。

本文从轨道交通工程实际应用出发，提出一种基于FBG 传感技术的轨道连续占用检查方案，介绍现场实验情况，并对工程化应用前景进行研究。

2 FBG应变传感原理

FBG 能够很好地感知外界应力应变的变化，由FBG 模式耦合理论及相位匹配条件可推导出FBG 满足公式（1）：

FBG 的中心波长λB取决于光栅周期Λ 和有效折射率neff，当FBG 受到轴向应力时，介电常数与相对介电抗渗张量有以下关系：

FBG 受均匀轴向应力时，公式（1）可以进一步改写为：

其中εz为纵向伸缩应变，当存在外界应力时，相对介电抗渗张量βij应为应力的函数，对βij进行泰勒展开，并且删除级数中的高次项，引入材料的弹光系数Pij，可得公式（6）：

结合公式（4），（6）可得公式（7）：

可以看出：FBG 波长变化与其所受应变有着良好的线性关系。通过检测待测物理量变化前后FBG反射光波长的变化，即可推算待测物理量。

3 基于FBG传感技术的轨道占用检查方案

实现连续占用检查，需减小FBG 传感器间的距离，确保不会出现列车占用检查的死区。为实现上述要求，需要较多的FBG 传感器。因此本方案采用多根单纤的光缆，每根光纤中均刻录了多个不同中心反射波长的FBG 传感器，各光缆的传感器之间交错布置。如图1 所示，不同光缆的FBG 传感器监测范围不重叠，延长了整个传感传输装置的监测长度。

图1 传感传输装置中FBG传感器分布示意图Fig.1 Schematic diagram of FBG sensor distribution in sensing transmission device

通过光纤光栅解调仪监测FBG 传感器的应变量，进而判断轨道区段占用情况。解调仪采用并行光谱同步探测技术，产生波长连续变化的扫描窄带光，经多路光纤分路器阵列的输出端同步发射到各个传感器通道，再由多路光纤分路器阵列的接受端将各路光纤传感通道原路反射回的光谱信号送到光电转换阵列，最后由嵌入式多通道数据采集和处理系统对各个传感通道的光谱信号进行实时采集和运算。

4 现场试验

4.1 试验方案及环境

本次实验采用N16 平车作为试验用车辆，自重21.6 T 包含前组轮、后组轮共计4 个轮对，单轮承重约为2.5 T，其中前组轮轴间距为1.75 m，后组轮轴间距也为1.75 m，前、后组轮之间的轴距为7.55 m，如图2 所示，采用人力推行的方式进行单节车厢的模拟试验。

图2 现场实验环境示意图Fig.2 Schematic diagram of on-site test environment

试验线路钢轨类型为43 kg/m，轨枕间距约为0.6 m。共安装66 个传感器，安装传感器的实验区域长度约为50 m。

4.2 试验数据及分析

当线路空闲时，将各FBG 传感器的反射中心波长置为零点，记为λ0。无车辆经过实验区域时，FBG传感器实时的反射中心波长在λ0上下0 ～3 pm 左右震荡，峰值为5 pm。

实验车辆以5 km/h 的速度通过实验区域，将FBG 传感器的反射中心波长偏离λ0的最大值记为λ1，并将此时λ0与λ1的差的绝对值记为Δλ。实验数据如表1 所示。

表1 现场实验数据Tab.1 On-site test data nm

续表

将以上各传感器感知有车、无车时的波长变化值与传感器安装的实际物理位置进行对应，绘制出的传感器灵敏度曲线，如图3 所示。

从本次实验数据分析中，Δλ 的最大值为76 pm，最小值为10 p m，平均值为27 p m。Δ λ 的最小值要大于空闲状态时反射中心波长变化峰值，系统可以有效的区分轨道占用和轨道空闲状态。

5 结论与展望

现场试验证明本文提出的基于FBG 传感技术的轨道占用检查方案具有可行性，可以实现连续式的占用检查，并兼具抗电磁干扰等优势，为铁路轨道的占用检查装置的发展提供了一种新的方向。

由于单个光纤中可刻录的FBG 传感器数量一般为十几个到几十个，即使多根光纤复用，依然难以满足长距离的轨道占用检查。目前，随着弱光纤光栅的发展，通过时分复用和波分复用相结合的方式[7]，已经可以在单根光纤中刻录上千个光栅，为基于光纤光栅传感技术的轨道占用检查方案提供了新的方向。

图3 光栅传感器灵敏度分布曲线Fig.3 Sensitivity distribution curve of grating sensor