一種基于φ-otdr的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其包括Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)和光纜。所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)與光纜連接，用于發(fā)出脈沖光信號(hào)注入到光纜，并對(duì)光纜中反射回的瑞利散射相干光進(jìn)行處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：一、Φ-OTDR全程無(wú)源，并且不受電磁場(chǎng)的干擾，可以保證在雷電等惡劣環(huán)境下正常工作。二、由于Φ-OTDR是全分布式的，監(jiān)控距離可達(dá)100km以上，空間分辨率可達(dá)到米級(jí)，列車指揮調(diào)度中心直接通過(guò)Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)獲取列車的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。
【專利說(shuō)明】—種基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軌道列車測(cè)速【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在軌道列車交通安全保障體系中，列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置和速度信息是列車調(diào)度指揮系統(tǒng)必須準(zhǔn)確掌握的信息，調(diào)度中心根據(jù)已掌握的實(shí)時(shí)信息，對(duì)各路段的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，以保障列車的安全行駛。目前國(guó)內(nèi)鐵路是通過(guò)基于軌道電路的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System,CBTC)來(lái)獲取列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度和位置信息。在該系統(tǒng)中，利用軌道電路可以自動(dòng)檢測(cè)列車、車輛的位置，控制信號(hào)機(jī)的顯示；通過(guò)軌道電路可以將地面信號(hào)傳遞給機(jī)車，從而可以控制列車運(yùn)行。盡管軌道電路已采取了多項(xiàng)保護(hù)措施，但是在雷電等惡劣的天氣，軌道電路依然存在失效的可能，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。軌道電路的最大缺點(diǎn)是它的工作是有源的，在維護(hù)不利的情況下，將導(dǎo)致重大交通事故。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，來(lái)解決以上【背景技術(shù)】部分提到的問(wèn)題。
[0004]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其包括Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)和光纜;
[0006]所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)與光纜連接，用于發(fā)出脈沖光信號(hào)注入到光纜，并對(duì)光纜中反射回的瑞利散射相干光進(jìn)行處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。
[0007]特別地，所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)包括激光器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、帶通濾波器、可調(diào)諧衰減器、環(huán)形器、光電探測(cè)器以及處理器；
[0008]所述激光器用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給聲光調(diào)制器；其中，激光器為超窄線寬激光器，其線寬小于3KHz ；
[0009]所述聲光調(diào)制器用于將所述連續(xù)光調(diào)制成脈沖光信號(hào)；其中，聲光調(diào)制器為高消光比聲光調(diào)制器，其消光比大于50dB ；
[0010]所述摻鉺光纖放大器用于對(duì)所述脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大；
[0011]所述帶通濾波器用于對(duì)摻鉺光纖放大器輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行濾波；
[0012]所述可調(diào)諧衰減器用于調(diào)整收到的脈沖光信號(hào)的功率；
[0013]所述環(huán)形器用于將可調(diào)諧衰減器輸出入的脈沖光信號(hào)注入到光纜，光在光纜中發(fā)生瑞利散射，并接收光纜中反射回的相干光，輸出給光電探測(cè)器；
[0014]所述光電探測(cè)器用于將所述瑞利散射相干光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出給處理器；
[0015]所述處理器用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度?目息O
[0016]特別地，所述處理器具體用于:一、根據(jù)原始瑞利散射曲線，光纜上每個(gè)空間點(diǎn)都有一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)Xs(t)，其中，Xs(t)表示光纜上離列車指揮調(diào)度中心距離為s的振動(dòng)信號(hào)；二、對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)的信號(hào)Xs (t)加寬度為T(mén)w的時(shí)間窗，接著對(duì)每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)做小波變換、閾值降噪，并對(duì)重構(gòu)的信號(hào)求均方根，得到該時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)的振動(dòng)水平，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上光纜不同位置的振動(dòng)信號(hào)為Yt(S)，其中Yt(S)表示T時(shí)刻光纜所有位置的振動(dòng)信號(hào)；此時(shí)定位周期為T(mén)1 = TP*TW，其中T1表示定位周期，Tp表示脈沖重復(fù)周期，Tw表示時(shí)間窗。三、對(duì)Yt(s)做峰值檢測(cè)得到突變沿位置，從而得到該時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)列車的位置，其中上升沿和下降沿將分別對(duì)應(yīng)列車的車頭位置和車尾位置；對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的各時(shí)間點(diǎn)分析，得到該時(shí)段內(nèi)列車的位置-時(shí)間關(guān)系；四、對(duì)列車的位置-時(shí)間關(guān)系求斜率，獲得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度。
[0017]特別地，所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)安裝在列車指揮調(diào)度中心的監(jiān)控室中；所述光纜沿著軌道鋪設(shè)，埋在軌道正下方的土壤中。
[0018]特別地，所述光纜選用單模光纖光纜。
[0019]本發(fā)明提供的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):一、Φ-OTDR (Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry,相位敏感型光時(shí)域反射儀)全程無(wú)源，并且不受電磁場(chǎng)的干擾，可以保證在雷電等惡劣環(huán)境下正常工作。二、由于Φ-OTDR是全分布式的，監(jiān)控距離可達(dá)IOOkm以上，空間分辨率可達(dá)到米級(jí)，列車指揮調(diào)度中心直接通過(guò)Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)獲取列車的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。本發(fā)明不僅解決了軌道列車的測(cè)速問(wèn)題，而且能夠?yàn)榱熊囂峁?zhǔn)確的定位信息，克服現(xiàn)有技術(shù)中抗干擾性差、速度數(shù)據(jù)更新慢和設(shè)備維護(hù)困難等缺陷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的被監(jiān)測(cè)兩輛火車的位移-時(shí)間曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0024]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)安裝示意圖。
[0025]本實(shí)施例中基于Φ -OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)具體包括Φ -OTDR系統(tǒng)主機(jī)101和光纜102。在所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101安裝在列車指揮調(diào)度中心的監(jiān)控室103中。所述光纜102選用單模光纖光纜，沿著軌道104鋪設(shè)，埋在軌道104正下方的土壤105中，距離地面的深度H控制在0.5-lm。
[0026]所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101與光纜102連接，用于發(fā)出脈沖光信號(hào)注入到光纜102，并對(duì)光纜102中反射回的瑞利散射相干光進(jìn)行處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。
[0027]光在光纜102中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利散射，當(dāng)有列車駛?cè)氡O(jiān)控范圍時(shí)，列車的振動(dòng)將引起對(duì)應(yīng)位置光纜102的折射率發(fā)生改變，進(jìn)而影響相位的變化，從而使相干光的振幅改變，反射回來(lái)的相干光傳入Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101。Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101對(duì)相干光進(jìn)行處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。其中，Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101獲得列車運(yùn)行位置信息和速度信息的原理如下:Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101通過(guò)測(cè)量輸入脈沖光信號(hào)和反射回來(lái)的脈沖光信號(hào)之間的時(shí)間差得到對(duì)應(yīng)的光纖的長(zhǎng)度信息。由于光纜102是沿著軌道線鋪設(shè)，光纜102長(zhǎng)度與空間地理位置能夠一一對(duì)應(yīng)，因此可以根據(jù)振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)光纜102的長(zhǎng)度信息獲得軌道列車的位置信息。通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的分析，獲得列車的位置與時(shí)間的關(guān)系；由于速度是位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)函數(shù)值，因此列車的位置對(duì)于時(shí)間的斜率，便是列車的運(yùn)行速度。
[0028]如圖2所示，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。于本實(shí)施例，所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)101包括激光器(Laser)、聲光調(diào)制器(AOM)、驅(qū)動(dòng)器(Driver)、摻鉺光纖放大器(EDFA)、帶通濾波器(BPF)、可調(diào)諧衰減器(Tunable Attenuator)、環(huán)形器(Circulator)、光電探測(cè)器以及處理器(Processor)。
[0029]所述激光器201用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給聲光調(diào)制器202。所述連續(xù)光為滿足相應(yīng)要求的超窄線寬低頻漂的連續(xù)光。本實(shí)施例中激光器201為超窄線寬激光器，其線寬一般小于3KHz。
[0030]所述聲光調(diào)制器202用于將所述連續(xù)光調(diào)制成脈沖光信號(hào)。本實(shí)施例中聲光調(diào)制器202為高消光比聲光調(diào)制器，其消光比大于50dB。
[0031]所述摻鉺光纖放大器204用于對(duì)所述脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大。
[0032]所述帶通濾波器205用于對(duì)摻鉺光纖放大器204輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
[0033]所述可調(diào)諧衰減器206用于調(diào)整收到的脈沖光信號(hào)的功率。
[0034]所述環(huán)形器207用于將可調(diào)諧衰減器206輸出入的脈沖光信號(hào)注入到光纜102，光在光纜102中發(fā)生瑞利散射，并接收光纜102中反射回的相干光，通過(guò)第三端口輸出給光電探測(cè)器208。
[0035]所述光電探測(cè)器208用于將所述瑞利散射相干光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出給處理器209。
[0036]所述處理器209用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。
[0037]處理器209進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的具體過(guò)程如下:一、根據(jù)原始瑞利散射曲線，光纜102上每個(gè)空間點(diǎn)都有一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)Xs(t)，其中，Xs(t)表示光纜102上離列車指揮調(diào)度中心距離為s的振動(dòng)信號(hào)。二、對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)的信號(hào)Xs(t)加寬度為T(mén)w的時(shí)間窗，接著對(duì)每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)做小波變換、閾值降噪，濾除高頻噪聲和慢變的偏振噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比，并對(duì)重構(gòu)的信號(hào)求均方根，得到該時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)的振動(dòng)水平，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上光纜102不同位置的振動(dòng)信號(hào)為Yt(S)，其中Yt(S)表示T時(shí)刻光纜所有位置的振動(dòng)信號(hào)；此時(shí)定位周期為T(mén)1 = TP*TW,其中T1表示定位周期，Tp表示脈沖重復(fù)周期，Tw表示時(shí)間窗。三、對(duì)Yt(S)做峰值檢測(cè)得到突變沿位置，從而得到該時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)列車的位置，其中上升沿和下降沿將分別對(duì)應(yīng)列車的車頭位置和車尾位置；對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的各時(shí)間點(diǎn)分析，得到該時(shí)段內(nèi)列車的位置-時(shí)間關(guān)系；四、對(duì)列車的位置-時(shí)間關(guān)系求斜率，獲得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度。
[0038]本發(fā)明已經(jīng)在武漢某鐵路段成功試用。如圖3所示，301表示a火車的位移-時(shí)間曲線，302表示b火車的位移-時(shí)間曲線。本發(fā)明可以檢測(cè)到監(jiān)控范圍內(nèi)，兩平行軌道上相向行駛的兩列火車由相距一定距離、到相遇、再到背向駛離監(jiān)控區(qū)域的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以及各自的速度信息。經(jīng)計(jì)算，a火車的速度^為115km/h，b火車的速度Vb為105km/h，在K次(快速)火車正常行駛的速度范圍內(nèi)。上述實(shí)施例應(yīng)用中，脈沖重復(fù)頻率Tp為0.1ms,時(shí)間窗Tw為100點(diǎn)，定位周期T1 = 0.lms*100 = IOms0因此在一個(gè)定位周期T1的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，
a、b火車運(yùn)行的距離分別為0.32m和0.29m。在上述實(shí)施例應(yīng)用中數(shù)據(jù)刷新周期為0.1s。
[0039]上述實(shí)施例表明所有具有實(shí)時(shí)定位功能的分布式振動(dòng)傳感器都可應(yīng)用于軌道列車的測(cè)速和定位，Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)只是其中的一種。在不脫離本發(fā)明的精神或者本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以通過(guò)基于其它原理的、具有實(shí)時(shí)定位功能的分布式振動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0040]本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn):一、Φ-OTDR全程無(wú)源，并且不受電磁場(chǎng)的干擾，可以保證在雷電等惡劣環(huán)境下正常工作。二、由于Φ-OTDR是全分布式的，監(jiān)控距離可達(dá)IOOkm以上，空間分辨率可達(dá)到米級(jí)，列車指揮調(diào)度中心直接通過(guò)Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)獲取列車的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息，無(wú)需通過(guò)其它方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅熊囍笓]調(diào)度中心。本發(fā)明解決了軌 道列車的測(cè)速問(wèn)題，而且能夠?yàn)榱熊囂峁?zhǔn)確的定位信息，克服現(xiàn)有技術(shù)中抗干擾性差、速度數(shù)據(jù)更新慢和設(shè)備維護(hù)困難等缺陷，不僅可以用于常規(guī)的火車測(cè)速和定位，而且還可以用于其它軌道式交通方式，以及沿固定線路軌道運(yùn)動(dòng)的其他物體的速度測(cè)量和定位。
[0041]注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于，包括Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)和光纜； 所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)與光纜連接，用于發(fā)出脈沖光信號(hào)注入到光纜，并對(duì)光纜中反射回的瑞利散射相干光進(jìn)行處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于，所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)包括激光器、聲光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、帶通濾波器、可調(diào)諧衰減器、環(huán)形器、光電探測(cè)器以及處理器； 所述激光器用于發(fā)射連續(xù)光，輸出給聲光調(diào)制器；其中，激光器為超窄線寬激光器，其線寬小于3KHz ； 所述聲光調(diào)制器用于將所述連續(xù)光調(diào)制成脈沖光信號(hào)；其中，聲光調(diào)制器為高消光比聲光調(diào)制器，其消光比大于50dB ； 所述摻鉺光纖放大器用于對(duì)所述脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大； 所述帶通濾波器用于對(duì)摻鉺光纖放大器輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行濾波； 所述可調(diào)諧衰減器用于調(diào)整收到的脈沖光信號(hào)的功率； 所述環(huán)形器用于將可調(diào)諧衰減器輸出入的脈沖光信號(hào)注入到光纜，光在光纜中發(fā)生瑞利散射，并接收光纜中反射回的相干光，輸出給光電探測(cè)器； 所述光電探測(cè)器用于將所述瑞利散射相干光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出給處理器； 所述處理器用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，獲得列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置信息和速度信肩、O
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器具體用于:一、根據(jù)原始瑞利散射曲線，光纜上每個(gè)空間點(diǎn)都有一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)Xs(t)，其中，Xs(t)表示光纜上離列車指揮調(diào)度中心距離為S的振動(dòng)信號(hào)；二、對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)的信號(hào)Xs(t)加寬度為T(mén)w的時(shí)間窗，接著對(duì)每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)做小波變換、閾值降噪，并對(duì)重構(gòu)的信號(hào)求均方根，得到該時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)的振動(dòng)水平，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上光纜不同位置的振動(dòng)信號(hào)為Yt(S)，其中Yt(S)表示T時(shí)刻光纜所有位置的振動(dòng)信號(hào)；此時(shí)定位周期為T(mén)1 = TP*TW,其中T1表示定位周期，Tp表示脈沖重復(fù)周期，Tw表示時(shí)間窗。三、對(duì)YT(s)做峰值檢測(cè)得到突變沿位置，從而得到該時(shí)間點(diǎn)振動(dòng)列車的位置，其中上升沿和下降沿將分別對(duì)應(yīng)列車的車頭位置和車尾位置；對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的各時(shí)間點(diǎn)分析，得到該時(shí)段內(nèi)列車的位置-時(shí)間關(guān)系；四、對(duì)列車的位置-時(shí)間關(guān)系求斜率，獲得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于，所述Φ-OTDR系統(tǒng)主機(jī)安裝在列車指揮調(diào)度中心的監(jiān)控室中；所述光纜沿著軌道鋪設(shè)，埋在軌道正下方的土壤中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于Φ-OTDR的軌道車輛定位和測(cè)速系統(tǒng)，其特征在于，所述光纜選用單模光纖光纜。
【文檔編號(hào)】G01P3/68GK103926588SQ201410176070
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】彭飛, 饒?jiān)平? 段寧 申請(qǐng)人:無(wú)錫成電光纖傳感科技有限公司