基于光纤传感技术的铁路监测系统设计

王东峥

摘要：由于光纤传感技术具有抗电磁干扰和抗射频干扰能力强、环境适应能力强、精度高等特点，可以作为铁路现场监测的一种重要技术手段，降低了人力物力成本。正是由于光线传感器能做到其它传感器所不能做到的工作，能达到更大的精度而具有较大的应用价值。本文对铁路中存在的振动采用光纤传感网络进行监测，提出了一种基于1550nm激光波段的光纤振动传感系统。针对铁路周围环境较复杂、干扰较多的情况，采用海明窗分帧加小波阈值去噪的方法进行信号滤波，提高了振动信号的信噪比。从时域上提取信号功率作为特征，完成了对铁路振动信号的监测。

关键词：光纤传感技术;铁路监测;光散射;滤波处理

引 言

光纤传感技术是近些年伴随着光纤和光纤通信技术的深入研究而兴起的一种新型传感技术。光纤本身所固有的种种优点：长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、耐腐蚀、抗电磁干扰等等，促使人们在各个领域对光纤传感器进行研究。光纤传感技术在航天，航海，石油化工，电力工业、核工业、医疗器械等技术领域都取得了可喜的研究成果。1980年后光纤传感器受到世界各国的重视，成为光纤领域中一个受人注目的发展动向。

本文将传感器技术应用于铁路监测系统中。分布式高速光纤振动传感器可以实现对振动信号的连续、实时测量，对振动信号进行监测和识别。通过对振动信号的分析，可以判断铁路周围有无侵入行为。在有入侵行为发生的情况下，可以实时给出入侵行为的位置。

1.1光纤传感器的内部结构

光纖传感系统基本由光发生器、信号解调、光探测器、信号处理等部分构成。光源主要是指LED、白炽灯、激光器等。信号调制是指待测参量引起光信号强度、波长、频率、相位或者偏振态的变化。光探测器能够检测出入射到其面上的光功率的大小，并把光功率的的该变量转化为相应的电流，常见的光探测器有光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。

1.2光纤传感技术的基本原理

光发生器产生的光进入光信号解调区，被测量的物理量与进入解调区的光之间发生作用，光纤发生弯曲或者外界施加压力或者温度改变等因素都会使光纤里的光信号的模态和相位改变，从而体现在光学特性的改变，成为被解调的信号光，在经过光探测器，并经过解调而转变成使之发生改变的被测参数。

1.3分布式光纤振动传感器

分布式光纤传感系统按其监测的范围大小可以分为两种：准分布式和全分布式。准分布式是通过将许多单独的光纤传感器通过耦合器以串联、并联或是其他的网络拓扑模式耦合到同一根光纤上，通过光电探测器及相关的电子计算机技术来接收解调信号从而获取被监测区域的空间状态信息分布，在该系统中，光纤只负责传光而不具备传感效果。全分布式光纤传感器相比准分布式而言，其最主要的不同点在于其光纤不仅能够传光，而且还能够传感。

2.1窗函数选择

窗函数的选择原则：主瓣宽度应尽可能窄，提高频域分辨率和减少泄露，以获得较大的阻带衰减。具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度。旁瓣幅度随频率尽快衰减。如这两条不能同时满足，往往是增加主瓣宽度以换取对旁瓣的抑制。

本文在选择窗函数时，根据所分析光纤振动信号的特性，对矩形窗、三角窗、汉宁窗和海明窗这4 种常用的窗函数进行筛选。其中，矩形窗的主瓣比较集中，频率识别精度最高，但是旁瓣较高导致对信号幅值的估计较差，影响对光纤信号能量的计算;三角窗降低了旁瓣，但主瓣宽度是矩形窗的两倍，频率分辨率差，在分析光纤振动信号的频带分布时容易产生畸变;汉宁窗和海明窗都属于余弦窗，只是加权系数不同，余弦窗在处理主瓣和旁瓣大小时较均衡，既减少了频谱泄露，保证了信号幅值的准确度，又有一定的频率分辨能力。由于海明窗的旁瓣更小，所以考虑减少频谱泄露，从而增强对光纤振动信号幅值的估计精度，本文选取海明窗进行加窗处理。

3.1光纤振动信号采集

分布式光纤探测定位仪的主要工作过程如下：激光源发射采用窄线宽激光器，输出1550nm 激光波段的连续单频发射激光。主要激光源的传感输出主要可以分为两路，即本地传感输出支路和本地传感光输出支路。主要由激光器支路输出的连续光经过耦合器，一部分直接进入激光传感器的支路，另一部分直接进入本地连续光传感支路。进入声光传感器和支路冲频率与系统的各种指标性能要求密切相关。

调制后的脉冲峰值功率较弱，不能实现长距离传感，所以需要对脉冲光进行放大。之后将脉冲经过环形器注入传感光纤，在环形器的另一个端口可以得到后向散射信号，散射信号的返回时间和光纤传感长度对应。将传感支路中的后向散射信号与本地光支路中的光信号进行拍频，可以得到包含一系列频率的拍频信号，用双平衡探测器对信号进行接收，将拍频信号转化为电信号并去除其中的直流分量。然后利用高速数据采集卡将电信号转化为数字信号，并进行记录。

3.2信号处理

3.2.1加窗分帧

在第二章中，我们已经大致了解基本的窗函数及其特性、优缺点，也详细说明了窗函数的选择原则，并且从光纤振动信号特性的角度对各类窗函数进行筛选，最终确定使用海明窗进行加窗处理。

3.2.2小波阈值去噪

受周围环境和人为因素的影响，采集的信号一般包含一定的噪声。由于噪声对于信号的分析存在干扰，因此，在分析前需要对每一帧信号进行去噪。小波阈值去噪可以去除信号中混有的大部分白噪声，同时可以保留原始信号的特征尖峰。目前，小波阈值去噪在信号去噪领域得到了广泛应用，在很多场景下取得了较好效果。

结 论

本文从实际应用角度出发，研究了分布式光纤振动传感器在轨道交通安全上的应用，提出了一种基于光纤传感技术的铁路监测系统。实时采集处理信号，对所有采样点进行归一化处理，使得监测振动带的过程更便利。本文通过比较各类窗函数的优缺点来选择合适的处理方法，通过小波阈值去噪方法去噪，并将去噪前后数据进行对比，结果证明了该方法的可行性。

参考文献：

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[2] 徐高魁，王晓艳. 基于光纤传感的铁路监测算法研究[J]. 中国设备工程，2021（2）：140-141.

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