CN104627205A - 基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于布拉格光纤光栅铁路防护网异物监测的设计方法。该发明设计包括光源，光开关，环形器，布拉格光栅传感器，光电探测器(PD)以及终端解调系统。布拉格光纤光栅传感器布置在铁路防护网固定支架上，保护传感器以免遭受破坏。PD探测器接收布拉格光栅反射/透射光信号，传至终端解调系统解调出各传感器中心波长的变化。光纤链路紧贴防护网，并固定在防护网上。可用于铁路防护网异物侵限实时监测和报警。
Description
技术领域
本发明涉及的是光纤传感领域，是基于布拉格光纤光栅传感器和光纤光栅解调系统而设计。布拉格光纤光栅传感器对振动的灵敏度很高，且光纤质量轻，价格便宜，十分适用于对铁路防护网的监测。
背景技术
铁路防护网异物监测主要是指通过在铁路沿线设置防护网，并在防护网上安装相应的传感器，以实现对山石或其他异物对铁路入侵的实时监测和有效预警，以降低异物入侵对铁路运输造成的生命和财产损失。
我国铁路部门在公路铁路并行段、公路(桥梁)跨铁路段等地点设置刚性防护网并在网上安装电网式异物侵限传感器，一旦有异物侵限事件发生，撞坏防护网，通过电网感应的方式即可向调度中心告警。但这种传统的电网传感技术存在易受电磁干扰和雷击、电信号远距离传输可靠性差、后期使用维护费用高、传输电缆断裂或停电会产生误报等技术难题。
基于光纤光栅传感的铁路防护网异物监测系统，其传感器采用光纤布拉格光栅传感器。与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、防雷击、光信号传输距离远、可实现准分布式测量、可靠性高等优点。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供基于布拉格光栅传感器的铁路防护网异物监测系统使之具有以下优点：第一，可以精确定位防护网被破坏的位置；第二，在防护网某处被破坏后系统仍然能够正常监测。
实现本发明目的的具体手段是：
基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统，通过光学通路、硬件解调装置和上位机判断防护网是否受到异物侵限，光学通路包括：宽带光源101输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器102，即光耦合器器件联接基于布拉格光栅传感器的光纤传感器闭合测量链路，最后通过光电探测器将测量信号输入光纤光栅解调仪601,光纤光栅解调仪解调出各光栅中心波长的变化后将解调信号输入上位机701，在上位机实现解调信号波形的显示和分析，通过数据处理，对是否发生异物侵限事件做出判断，输出报警信号801。
其具体的光路系统可采用两种方式：
方案一具体光路构成为：输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器102后由光耦合器201将光信号分成两路,一路通过第一环形器401，使光纤中的反射光信号返回到第一环形器401，透射光信号到达第二环形器402；另一路反射信号返回第二环形器402，透射信号到达反射器401；当无异物侵限事件发生时，整个光纤链路900双向导通；第一探测器501和第二探测器502分别将第一环形器401和第二环形器402的测量信号输入光纤光栅解调仪601。
方案二具体光路构成为：输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器102后再通过环形器403、光开关701将整个光纤光栅传感器链路形成闭合环路。
采用如上的设计，本发明的有益之处体现为：
1、在传感器的布置上，所有布拉格光纤光栅传感器的中心波长按照短波长到长波长的顺序(或相反顺序)安装在防护网固定柱上。这种设计方法的好处在于如果防护网有一处发生异物侵限事件而断裂，系统可以准确确定断裂位置附近传感器的位置，从而对防护网断裂处进行快速定位。
2、布拉格光栅传感器在防护网上被很好地保护起来，因而在防护网某处遭到破坏后，仅光纤会发生断裂，而光栅传感器不易发生损坏。此时所有光栅传感器正常工作，系统给出当前异物侵限报警信号及其准确位置，同时还能对其他位置的异物侵限事件进行实时监测。即使该位置的光纤光栅传感器被破坏，其他位置的光栅传感器仍能正常工作，对其他位置的异物侵限事件进行实时监测。
附图说明：
图1(a)为方案一的原理设计图,图1(b)为其测量的光谱示意图。
图2为方案二的原理设计图和测量的光谱示意图。
图3为传感器安装示意图。
图4为防护网上光纤光栅传感器安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1(a)中，宽带光源101输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器102，由光耦合器201将光信号分成两路。一路通过第一环形器401，光纤中的反射光信号返回到第一环形器401，透射光信号到达第二环形器402；另一路反射信号返回第二环形器402，透射信号到达第一环形器401。当无异物侵限事件发生时，整个光纤链路900双向导通。
此时，PD1(501)和PD2(502)检测到反射信号和透射信号的光强的叠加值，即光源的光谱图，如图1(b)所示。光纤光栅传感器(901、901'、902、902'、903…)固定在防护网支架上，该位置与光栅传感器的中心波长相对应。
光信号传输可以使用铠装光缆或将光纤安放在特制的保护管道中。光纤沿防护网网孔布设，当防护网某处发生异物侵限事件，该点防护网遭到破坏，固定在该位置防护网上的传感光纤900发生断裂。
探测器501和502的测量信号输入光纤光栅解调仪601解调出各光栅中心波长的变化。解调信号输入上位机602，通过数据处理，对是否发生异物侵限事件做出判断，输出报警信号603。
光栅传感器可以其按布拉格波长由小到大(或由大到小)的顺序固定在铁路防护网上，也可以按任意顺序固定。系统根据光纤断裂后接收信号光谱图的变化来定位断裂处的位置。
如果发生异物侵限事件，PD1和PD2只能分别检测到对应数量光纤光栅传感器反射的回光信号。假设异物侵限事件发生，第4、5个光纤光栅传感器之间的防护网发生破损，该位置上安装的光纤将发 生断裂。假设共有8个光纤光栅传感器，则两个探测器分别只接收到4个光纤光栅传感器返回信号，上位机602通过数据分析给出报警信号及异物侵限的准确位置。接收信号光谱如图1(b)所示。
此时，若在另一处防护网也被破坏，系统也能够检测出其位置，并给出报警信号。
图2是方案二的结构示意图。宽带光源101输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器102，再通过环形器403。该方案利用光开关701将整个光纤光栅传感器链路形成一个闭合环路，该环路对应一个测量区域。光开关交替选通正反、向测量通道。光纤中的反射光信号返回到环形器403，并由探测器503将光信号转换为电信号。光纤光栅解调仪601解调出各光栅中心波长的变化。解调信号输入上位机602，通过数据处理，对是否发生异物侵限事件做出判断，输出报警信号603。
701可以选用多路光开关，假设701是8路光开关，则该系统可以测量4个区域。
当无异物侵限事件发生时，假设整个测量环路中放置8个传感光栅传感器，则两通道分别检测到信号的光谱如图3所示，所有光栅的反射光谱都能测量到。
当异物侵限事件发生时，防护网遭到破坏，固定在防护网上的光纤随之断裂，光纤光栅传感器闭合环路断开。此时，通道一和通道二只能检测相应数量传感器的反射信号。如图3所示，假设第3、4个光栅之间的防护网被破坏，连接这两个光栅传感器之间的光纤发生断裂，则正向测量通道仅接收到3个光栅返回光信号，而反向测量通道 能够接收到其他5个。由于传感器的中心波长按照一定的顺序布置在铁路防护网上，因此根据接收信号光谱的变化能快速确定光纤断裂的位置。
图4所示为防护网上光纤光栅传感器安装示意图，图中301表示的是防护网的固定支架，用于粘贴封装好的传感器，302表示防护网，303表示布拉格光纤传感器，304表示防护网底部固定结构。两个支架上安装的光纤光栅传感器之间用光纤900连接，光纤沿防护网的网孔固定在防护网302上。
Claims (5)
1.基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统,通过光学通路、硬件解调装置和上位机判断防护网是否受到异物侵限，光学通路包括：宽带光源(101)输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器(102)，即光耦合器器件联接基于布拉格光栅传感器的光纤传感器闭合测量链路，最后通过光电探测器将测量信号输入光纤光栅解调仪(601),光纤光栅解调仪解调出各光栅中心波长的变化后将解调信号输入上位机(701)，在上位机实现解调信号波形的显示和分析，通过数据处理，对是否发生异物侵限事件做出判断，输出报警信号(801)。
2.根据权利要求1所述之基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统，其特征在于，具体光路构成为：输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器(102)后由光耦合器(201)将光信号分成两路,一路通过第一环形器(401)，使光纤中的反射光信号返回到第一环形器(401)，透射光信号到达第二环形器(402)；另一路反射信号返回第二环形器(402)，透射信号到达第一环形器(401)；当无异物侵限事件发生时，整个光纤链路(900)双向导通；第一探测器(501)和第二探测器(502)分别将第一环形器(401)和第二环形器(402)的测量信号输入光纤光栅解调仪(601)。
3.根据权利要求1所述之基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统，其特征在于，具体光路构成为：输出光信号经过F-P腔可调谐滤波器(102)后再通过环形器(403)、光开关(701)将整个光纤光栅传感器链路形成闭合环路。
4.根据权利要求3所述之基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统，其特征在于，所述光开关为多路光开关，多路光开关联接相应多条路闭合环路。
5.根据权利要求1所述之基于光纤光栅传感器闭环回路的铁路异物侵限监测系统，其特征在于，光纤光栅传感器按布拉格波长由小到大或由大到小的顺序固定在铁路防护网上；也可以按任意顺序固定；系统根据光纤断裂后接收信号的光谱图来定位断裂处的位置。
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