[发明专利]一种基于相位敏感光时域反射计的铁轨异物入侵监测方法

说明书

技术领域

本发明为一种基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)技术的铁轨异物入侵监测方法，具体涉及光时域光纤传感技术和铁轨沿线安全监控领域，尤其是一种监测铁轨沿线任意位置点发生异物入侵事件的方法。

背景技术

实时监测铁路沿线各个位置点所发生的某些异物入侵事件，对于铁路运行和防灾安全至关重要。我国高速铁路的防灾安全通过防灾安全监控系统来保证，系统主要包括：地震、滑坡和泥石流等地质灾害监测系统，以及安装在公跨铁桥梁上方、部分公铁并行路段、部分隧道口和高路堑地段的异物侵限监测系统。显然，针对特定的异物入侵事件，需要设置特定的监测系统，这使得铁路系统运营复杂度和成本很高，且只能实现单点监测。

为解决上述问题，本发明提出一种基于相位敏感光时域反射计技术的铁轨异物入侵监测方法。该方法仅使用现有轨旁光缆，无需额外的施工工作量，具有安装简单、使用寿命长、维护成本低、抗干扰能力强，可实现大范围分布式检测等诸多优点，能为当前列车行驶和防灾安全监测提供一种可靠的辅助判断手段，对铁路系统的运行安全和防灾安全监测具有重要的潜在应用价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于相位敏感光时域反射计的铁轨异物入侵监测方法，该方法仅使用现有轨旁光缆，无需额外的施工工作量，具有安装简单、使用寿命长、维护成本低、抗干扰能力强，可实现大范围分布式检测等诸多优点，能为当前列车行驶和防灾安全监测提供一种可靠的辅助判断手段。

技术方案:相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是近年来发展很快的一种检测技术，与常规OTDR一样，光脉冲从光纤的一端注入，用光探测器探测后向瑞利散射光。不同的是注入光纤中的光是强相干的，因此该传感系统的输出就是后向瑞利散射光相干干涉的结果。

Φ-OTDR通过测量注入脉冲与接收到信号之间的时间延迟来得到扰动的位置s＝c*t/2n来确定反射散射光的具体位置，其中其中t为时间延迟；c是激光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率；其折射率在1.50左右，实际测量中根据采用的光纤来决定。

铺设在铁轨旁的光纤，由于列车行驶而发生扰动时，相应位置光纤的折射率及长度等参数将会发生变化，这将导致该位置光相位的改变。因为入侵位置的散射光传输到探测器经历的是周期性的相位变化，因此，最终相位的变化由于干涉作用将导致光强发生变化，并与入侵的位置相对应。

本发明以Φ-OTDR为基础，首先对一段时间内监测路段上任意位置点的原始散射光信号进行小波去噪处理，然后对滤波后信号进行短时傅里叶变换和自回归模型功率谱能量估计处理，最后根据信号的频率特征来判定任意位置点是否有异物入侵事件发生，主要包括以下步骤：

1)通过相位敏感光时域反射计系统获得一段时间内铁轨沿线原始散射光信号；

2)对原始散射光信号进行抽取，获得任意位置点在一段时间内原始散射光信号；

3)对一段时间内的原始散射光信号进行滤波去噪处理；

4)对滤波后信号进行短时傅里叶变换；

5)对滤波后信号进行自回归模型的功率谱估计；

6)重复上述1)-5)步骤，通过发射探测脉冲光到接收到散射光的时间延迟和公式：s＝c*t/2n来确定反射散射光的具体位置，其中s为相应位置点的距离，t为时间延迟；c是激光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率；通过一段时间内的连续采集，获得任意位置点一段时间内连续的原始散射光信号；然后对任意位置点及其前后位置点原始信号的低通滤波、短时傅里叶变换和现代谱估计中的自回归模型(AR)方法处理，通过分析处理后信号的频率特征，来判断一段时间内该位置点是否有异物入侵事件发生。

其中：

所述通过一段时间内的连续采集，获得任意位置点一段时间内连续的原始散射光信号，是通过一段时间内对监测路段原始后向散射光信号的连续采集、抽取，获得监测路段任意位置点一段时间内连续的原始散射光信号。

所述滤波去噪处理，采用基于db12小波变换的低通滤波算法。

所述短时傅里叶变换，是对滤波后信号进行加汉明窗的短时傅里叶变换。

所述现代谱估计中的自回归模型(AR)方法，是对滤波后信号采用基于现代谱估计中自回归模型(AR)方法的功率谱估计。