CN106452567B - 铁路安全监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路安全监测系统和监测方法，该系统包括铁路沿线设置的一个及以上的相位敏感光时域反射计、相应的数据处理单元、同轴电缆、第一网络光电收发器、沿铁路线的通信光缆、第二网络光电收发器和一个服务器，本发明采用现有的通信光缆监测铁路安全，具有成本低廉、无源分布式探测、防电磁干扰等优势。本发明不仅将极大推动铁路光电缆安全监测系统领域的发展，也为铁路行车、基础设施安全、非法授权施工监测提供了很好的保障。

Description

铁路安全监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及铁路安全，特别是一种铁路安全监测系统和监测方法。

背景技术

随着我国铁路事业的发展，铁路行车安全及通信的重要性越来越显著。铁路通信光电缆的安全状况关系到整个铁路运输的正常运营。然而，铁路沿线的非法或违规施工等常会引起铁路通信光电缆的断裂。传统上，多采用人工巡视的方式，效率低，且受到巡视人员的责任意识等多方面的因素影响，巡视效果有限。

现有技术一【闵永智，党建武，张雁鹏.铁路信号电缆断线故障在线监测与定位方法研究.计算机测量与控制,20(4):910-913,2012.】通过测量阻抗的原理实现对备用电缆的在线监测，能够及时、准确的发现信号电缆的断线等故障，但该方式只能对铁路通信电缆进行故障定位，却无法检测通信光缆的状态。

现有技术二【赵庶旭，孙守川，党建武，基于改进的二次相关的铁路信号区间电缆故障检测，数据采集与处理，Vol.29,No.5:815-820,2014】通过建立序列时序反射法/扩展频域时域反射法(STDR/SSTDR)的检测模型，实现铁路信号电缆开路、短路等故障的检测，解决了长距离下的精度问题。但是依然只能对铁路通信电缆进行故障检测，无法检测通信光缆的状态。

现有技术三【Zhengqing Pan,Kezhen Liang,Qing Ye,Haiwen Cai,Ronghui Qu,Zujie Fang.Phase-sensitive OTDR system based on digital coherentdetection.SPIE-OSA-IEEE/Vol.8311】提出了数字解调的相位敏感光时域反射计及幅度、相位信息的解调公式，但并未将相位敏感光时域反射计应用于铁路安全监测。

此外，光时域反射计(OTDR)常用于通信光缆故障的定位。现有检测技术大多只能对通信光缆或者电缆单独进行故障检测和定位。同时，这些技术均在故障发生后发挥作用，而无法为光电缆故障的预防提供信息。

发明内容

为了克服上述在先技术的缺点，本发明的目的在于，提出一种铁路安全监测系统和监测方法，该监测系统采用现有的通信光缆监测铁路安全，具有成本低廉、无源分布式探测、防电磁干扰等优势。本发明不仅将极大推动铁路光电缆安全监测系统领域的发展，也为铁路行车、基础设施安全、非法授权施工监测提供了很好的保障。

本发明的技术解决方案如下：

一种铁路安全监测系统，其特点在于，该系统包括铁路沿线设置的一个及以上的相位敏感光时域反射计、相应的数据处理单元、同轴电缆、第一网络光电收发器、沿铁路线的通信光缆、第二网络光电收发器和一个服务器，所述的相位敏感光时域反射计的光学端口与沿铁路线的传感光纤相连；所述的相位敏感光时域反射计的输出端口通过同轴电缆与所述的数据处理单元的数据采集端口相连，所述的数据处理单元的输出端通过第一网络光电收发器、沿铁路线的通信光缆、第二网络光电收发器与所述的服务器的网络端口相连，所述的服务器通过所述的通信光缆与铁路沿线的各车站相通。

所述的相位敏感光时域反射计是双光学端口相干探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第五光纤耦合器、脉冲调制器、第一光纤环行器、第二光纤环行器、第一双平衡光电探测器和第二双平衡光电探测器，其连接关系如下：

所述的激光器输出的激光经第一光纤耦合器分别连接到第四光纤耦合器的一输入端和第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的两输出端分别连接到第五光纤耦合器的一个输入端和脉冲调制器，该脉冲调制器的输出端经第三光纤耦合器分别连接到第一光纤环行器的a端口和第二光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口、第二光纤环行器的b端口分别为第一光学端口、第二光学端口，所述的第一光纤环行器的c端口连接到第四光纤耦合器的另一个输入端，第二光纤环行器的c端口连接第五光纤耦合器的另一输入端口；第四光纤耦合器的输出连接第一双平衡光电探测器，第五光纤耦合器的输出连接第二双平衡光电探测器，第一双平衡光电探测器电学输出端口连接第一同轴电缆，第二双平衡光电探测器的电学输出端口连接第二同轴电缆。

所述的相位敏感光时域反射计是单光学端口相干探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器、第一光纤耦合器、第四光纤耦合器、脉冲调制器、第一光纤环行器和第一双平衡光电探测器，所述的激光器输出的激光经第一光纤耦合器分别连接到第四光纤耦合器的一输入端和脉冲调制器，该脉冲调制器的输出端连接到第一光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口为光学端口，第一光纤环行器的c端口连接第四光纤耦合器的另一输入端，第四光纤耦合器的输出端连接第一双平衡光电探测器，第一双平衡光电探测器的电学输出端口通过第一同轴电缆与所述的与所述的数据处理单元的数据采集端口相连。

所述的相位敏感光时域反射计采用双光学端口直接探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器、脉冲调制器、第三光纤耦合器、第一光纤环行器、第二光纤环行器、第一普通光电探测器和第二普通光电探测器，所述的激光器输出的激光经脉冲调制器连接到第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端分别连接到第一光纤环行器的a端口和第二光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口和第二光纤环行器的b端口分别连接第一光学端口、第二光学端口，第一光纤环行器的c端口和第二光纤环行器的c端口分别连接第一普通光电探测器和第二普通光电探测器，第一普通光电探测器的电学输出端口和第二普通光电探测器的电学输出端口分别连接第一同轴电缆、第二同轴电缆。

所述的相位敏感光时域反射计采用双光学端口相干探测与直接探测并用结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器、第一光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、脉冲调制器、第一光纤环行器、第二光纤环行器、第一双平衡光电探测器和第二普通光电探测器，所述的激光器输出的激光经第一光纤耦合器分别连接到第四光纤耦合器的一个输入端和脉冲调制器的输入端，所述的脉冲调制器的输出端经第三光纤耦合器分别连接到第一光纤环行器的a端口、第二光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口、第二光纤环行器的b端口分别连接第一光学端口、第二光学端口，第一光纤环行器的c端口和第二光纤环行器的c端口分别连接到第四光纤耦合器的另一输入端和第二普通光电探测器的输入端，第四光纤耦合器的输出端连接第一双平衡光电探测器，第一双平衡光电探测器的电学输出端口和第二普通光电探测器的电学输出端口分别连接第一同轴电缆、第二同轴电缆。

利用上述的铁路安全系统进行铁路安全的监测方法，该方法主要包括4个步骤：

1)所述的相位敏感光时域反射计通过光学端口向所述的传感光纤发射探测光脉冲，发射时刻记作τ₀，记录从传感光纤沿线返回的瑞利散射光；根据散射光的返回时间τ计算出对应的散射点位置z＝(τ-τ₀)c/(2n₀)，其中c/n₀为光波在光纤中的传输速度；

所述的相位敏感光时域反射计通过重复发送探测光脉冲，记录所述的传感光纤的瑞利散射光的时间变化，对应的电信号为I(z,t)，t为探测光脉冲的发送时刻，相邻脉冲的时间间隔Δt与传感距离L有如下关系：Δt＜2n₀L/c；

2)所述的数据处理单元对采集到的电信号I(z,t)进行解调，按下列方程重建振动信号：其中等于拍频信号的载波频率；

3)所述的数据处理单元对解调的信号进行分析：

首先，所述的数据处理单元需要提前根据待监测的大型机械作业、小型机械作业、人工作业的扰动信号设定相关参数阈值：

①针对振动信号V(z,t)的幅度信息，设定幅度阈值V_th用于初步检测扰动的中心位置，定义大于预设阈值V_th的部分的振动信号V(z,t)称为扰动信号V(z₀,t₀)；

②针对扰动信号的空间波及范围，设定比值阈值r_th1、r_th2：

振动信号V(z,t)在以z₀为中心的较小空间范围S₁、较大空间范围S₂内的空间平均值分别定义为较小空间范围S₁接近扰动信号的最小空间范围，较大空间范围S₂不小于扰动信号的最大空间范围；比值阈值r_th1、r_th2根据扰动信号的空间分布特征进行设定，具体数值通过试验和经验进行优化，以获得最佳效果

③针对扰动信号的幅度信息，设定空间平均阈值E_Rth；

④定义振动的持续时间T为振动信号维持大于幅度阈值V_th的时间，相应的阈值为T_th，同时，定义扰动中心位置z₀处的扰动信号的时间平均值：以及阈值E_Tth；

其次，所述的数据处理单元对振动信号V(z,t)进行分析，提取出大于预设阈值V_th的部分称为扰动信号V(z₀,t₀)，获得扰动的中心位置z₀和扰动的中心时刻t₀，并将该中心位置z₀附近的振动变化信号V(z₀,t)作为待识别信号；

最后，所述的数据处理单元对扰动中心位置z₀的振动变化信号V(z₀,t)进行时间特征和空间特征综合分析，获得相应的参数：较小范围空间平均值E_R1、较大范围空间平均值E_R2、时间平均值E_T、持续时间T：

a)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＞r_th1，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为小型机械作业；

b)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＜r_th1，E_R2＞E_Rth，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为大型机械作业；

c)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＜r_th2，E_R2≤E_Rth，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为人工作业；

所述的数据处理单元相应的结果，即报警信息传送至所述的服务器：

4)所述的服务器对各个数据处理单元的报警信息进行整合，将其映射到铁路坐标系统，通过通信光缆向相应区域的用户终端发送报警，通知铁路相关工作人员采取相应措施；同时，所述的服务器对所有报警信息进行存档，方便相关工作人员查询、调阅。

本发明的特点和优点是：

1、本发明能在事故发生前检测到危险施工作业等破坏情况，有效避免引发事故。

2、可以实现分布式动态振动检测，定位精度高，不仅利于系统准确发现危险作业，而且在事故发生后，还有利于协助铁路相关工作人员及时排查故障。

3、本发明监测灵敏度高，可以有效利用铁路现有通信光缆作为传感光纤，实现沿线扰动情况的检测，无需额外铺设光缆，减少应用成本和设备安装时间。

4、本发明系统所采用的铁路沿线通信光缆为无源设备，无需沿路增加供电设备，应用成本低廉、时间成本低。

附图说明

图1是本发明铁路安全监测系统实施例一的系统结构图；

图2是本发明铁路安全监测系统的相位敏感光时域反射计实施例一的结构图；

图3是本发明铁路安全监测方法的流程图；

图4是本发明中相位敏感光时域反射计实施例二的结构图；

图5是本发明中相位敏感光时域反射计实施例三的结构图；

图6是本发明中相位敏感光时域反射计实施例四的结构图；

图7是本发明铁路安全监测系统实施例二的系统结构图；

图8是本发明铁路安全监测系统实施例三的系统结构图；

图9是本发明铁路安全监测系统实施例四的系统结构图；

图10是本发明铁路安全监测系统实施例五的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。根据本发明的思想，可以采用若干实施方法。如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明，具体方案并不局限于此。

本发明中的相位敏感光时域反射计实施例一，是采用双光学端口、相干探测的结构，如图2所示。包括激光器1_1，第一光纤耦合器1_2、第二光纤耦合器1_3、第三光纤耦合器1_5、第四光纤耦合器1_12、第五光纤耦合器1_22，脉冲调制器1_4，第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21，第一双平衡光电探测器1_13、第二双平衡光电探测器1_23。

激光器1_1的激光输出经第一光纤耦合器1_2，分别连接到第四光纤耦合器1_12的一输入端和第二光纤耦合器1_3。第二光纤耦合器1_3的两路输出分别连接到第五光纤耦合器1_22的一输入端和脉冲调制器1_4。脉冲调制器1_4的输出经第三光纤耦合器1_5，分别连接到第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的a端口。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的b端口分别连接第一光学端口101、第二光学端口102。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的c端口则分别连接到第四光纤耦合器1_12和第五光纤耦合器1_22的另一输入端。第四光纤耦合器1_12、第五光纤耦合器1_22的输出分别连接第一双平衡光电探测器1_13、第二双平衡光电探测器1_23。第一双平衡光电探测器1_13、第二双平衡光电探测器1_23的电学输出端口连接第一同轴电缆201、第二同轴电缆202。

本发明中的相位敏感光时域反射计实施例二，是采用单光学端口、相干探测的结构，如图4所示。包括激光器1_1，第一光纤耦合器1_2、第四光纤耦合器1_12，脉冲调制器1_4，第一光纤环行器1_11，第一双平衡光电探测器1_13。

激光器1_1的激光输出经第一光纤耦合器1_2，分别连接到第四光纤耦合器1_12的一输入端和脉冲调制器1_4。脉冲调制器1_4的输出连接到第一光纤环行器1_11的a端口。第一光纤环行器1_11的b端口连接第一光学端口101。第一光纤环行器1_11的c端口则连接到第四光纤耦合器1_12的另一输入端。第四光纤耦合器1_12的输出连接第一双平衡光电探测器1_13。第一双平衡光电探测器1_13的电学输出端口连接第一同轴电缆201。

本发明中的相位敏感光时域反射计实施例三，是采用双光学端口、直接探测的结构，如图5所示。包括激光器1_1，第三光纤耦合器1_5，脉冲调制器1_4，第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21，第一普通光电探测器1_14、第二普通光电探测器1_24。

激光器1_1的激光输出经脉冲调制器1_4连接到第三光纤耦合器1_5。第三光纤耦合器1_5的两路输出分别连接到第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的a端口。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的b端口分别连接第一光学端口101、第二光学端口102。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的c端口则分别连接到第一普通光电探测器1_14、第二普通光电探测器1_24。第一普通光电探测器1_14、第二普通光电探测器1_24的电学输出端口连接第一同轴电缆201、第二同轴电缆202。

本发明中的相位敏感光时域反射计实施例四，是采用双光学端口，相干探测与直接探测并用的结构，如图6所示。包括激光器1_1，第一光纤耦合器1_2、第三光纤耦合器1_5、第四光纤耦合器1_12，脉冲调制器1_4，第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21，第一双平衡光电探测器1_13、第二普通光电探测器1_24。

激光器1_1的激光输出经第一光纤耦合器1_2，分别连接到第四光纤耦合器1_12的一输入端和脉冲调制器1_4。脉冲调制器1_4的输出经第三光纤耦合器1_5，分别连接到第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的a端口。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的b端口分别连接第一光学端口101、第二光学端口102。第一光纤环行器1_11、第二光纤环行器1_21的c端口则分别连接到第四光纤耦合器1_12的另一输入端和第二普通光电探测器1_24。第四光纤耦合器1_12的输出连接第一双平衡光电探测器1_13。第一双平衡光电探测器1_13、第二普通光电探测器1_24的电学输出端口连接第一同轴电缆201、第二同轴电缆202。

下面为本发明铁路安全监测系统的实施例。

实施例一，是单个单光学端口相位敏感光时域反射计、单个数据处理单元的系统结构，如图1所示。包括第一相位敏感光时域反射计1、第一光学端口101、第一数据处理单元2、服务器3、第一传感光纤5、第一同轴电缆201、第一网络光电收发器203、第四网络光电收发器301和通信光缆4。

第一相位敏感光时域反射计1通过第一光学端口101连接到第一传感光纤5。第一传感光纤5可以为铁路沿线既有通信光缆的一芯。第一相位敏感光时域反射计1的电信号输出通过第一同轴电缆201连接到第一数据处理单元2。第一数据处理单元2的输出端通过第一网络光电收发器203连接到通信光缆4。服务器3通过第四网络光电收发器301连接到通信光缆4。

实施例二，是多个双光学端口相位敏感光时域反射计、多个数据处理单元的系统结构，如图7所示。包括第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21，第一光学端口101、第二光学端口102、第三光学端口1101、第四光学端口1102、第五光学端口2101、第六光学端口2102，第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22，服务器3，第一传感光纤5、第二传感光纤6、第三传感光纤15、第四传感光纤16、第五传感光纤25、第六传感光纤26，第一同轴电缆201、第二同轴电缆202、第三同轴电缆1201、第四同轴电缆1202、第五同轴电缆2201、第六同轴电缆2202，第一网络光电收发器203、第二网络光电收发器1203、第三网络光电收发器2203、第四网络光电收发器301和通信光缆4。

第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21分别通过第一光学端口101、第二光学端口102，第三光学端口1101、第四光学端口1102，第五光学端口2101、第六光学端口2102连接到第一传感光纤5、第二传感光纤6，第三传感光纤15、第四传感光纤16，第五传感光纤25、第六传感光纤26。第一传感光纤5、第二传感光纤6，第三传感光纤15、第四传感光纤16，第五传感光纤25、第六传感光纤26可以分别为铁路沿线既有通信光缆的一芯。第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21的两路电学输出信号分别通过第一同轴电缆201、第二同轴电缆202，第三同轴电缆1201、第四同轴电缆1202，第五同轴电缆2201、第六同轴电缆2202连接第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22。第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22分别通过第一网络光电收发器203、第二网络光电收发器1203、第三网络光电收发器2203连接到通信光缆4。服务器3通过第四网络光电收发器301连接到通信光缆4。

实施例三，是单个双光学端口相位敏感光时域反射计、单个数据处理单元的系统结构，如图8所示。包括第一相位敏感光时域反射计1，第一光学端口101、第二光学端口102，第一数据处理单元2，服务器3，第一传感光纤5、第二传感光纤6，第一同轴电缆201、第二同轴电缆202，第一网络光电收发器203、第四网络光电收发器301和通信光缆4。

第一相位敏感光时域反射计1分别通过第一光学端口101、第二光学端口102连接到第一传感光纤5、第二传感光纤6。第一传感光纤5、第二传感光纤6可以分别为铁路沿线既有通信光缆的一芯。第一相位敏感光时域反射计1的两路电学输出信号分别通过第一同轴电缆201、第二同轴电缆202连接第一数据处理单元2。第一数据处理单元2通过第一网络光电收发器203连接到通信光缆4。服务器3通过第四网络光电收发器301连接到通信光缆4。

实施例四，是多个单光学端口相位敏感光时域反射计、多个数据处理单元的系统结构，如图9所示。包括第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21，第二光学端口102、第四光学端口1102、第六光学端口2102，第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22，服务器3，第二传感光纤6、第四传感光纤16、第六传感光纤26，第二同轴电缆202、第四同轴电缆1202、第六同轴电缆2202，第一网络光电收发器203、第二网络光电收发器1203、第三网络光电收发器2203、第四网络光电收发器301，和通信光缆4。

第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21分别通过第二光学端口102、第四光学端口1102、第六光学端口2102连接到第二传感光纤6、第四传感光纤16、第六传感光纤26。第二传感光纤6、第四传感光纤16、第六传感光纤26可以为铁路沿线既有通信光缆的一芯的不同位置区段。第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11、第三相位敏感光时域反射计21的电信号输出分别通过第二同轴电缆202、第四同轴电缆1202、第六同轴电缆2202连接到至第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22。第一数据处理单元2、第二数据处理单元12、第三数据处理单元22的输出端通过第二网络光电收发器1203、第三网络光电收发器2203连接到通信光缆4。服务器3通过第四网络光电收发器301连接通信光缆4。

实施例五，是多个单光学端口相位敏感光时域反射计与双光学端口相位敏感光时域反射计并用、多个数据处理单元的系统结构，如图10所示。包括第一相位敏感光时域反射计1、第二相位敏感光时域反射计11，第一光学端口101、第二光学端口102、第三光学端口1101，第一数据处理单元2、第二数据处理单元12，服务器3，第一传感光纤5、第二传感光纤6、第三传感光纤15，第一同轴电缆201、第二同轴电缆202、第三同轴电缆1201，第一网络光电收发器203、第二网络光电收发器1203、第四网络光电收发器301和通信光缆4。

第一相位敏感光时域反射计1分别通过第一光学端口101、第二光学端口102连接到第一传感光纤5、第二传感光纤6；第二相位敏感光时域反射计11通过第三光学端口1101连接第三传感光纤15。第一传感光纤5、第二传感光纤6、第三传感光纤15可以为铁路沿线既有通信光缆的一芯的不同位置区段。第一相位敏感光时域反射计1的两路电信号输出分别通过第一同轴电缆201、第二同轴电缆202连接第一数据处理单元2的两个输入端；第二相位敏感光时域反射计11的电信号输出通过第三同轴电缆1201连接至第二数据处理单元12。第一数据处理单元2、第二数据处理单元12的输出端分别通过第一网络光电收发器203、第二网络光电收发器1203连接通信光缆4。服务器3通过第四网络光电收发器301连接通信光缆4。

本发明铁路安全监测方法，该方法主要包括4个步骤：

1)所述的相位敏感光时域反射计通过光学端口向所述的传感光纤发射探测光脉冲，发射时刻记作τ₀，记录从传感光纤沿线返回的瑞利散射光；根据散射光的返回时间τ计算出对应的散射点位置z＝(τ-τ₀)c/(2n₀)，其中c/n₀为光波在光纤中的传输速度；

所述的相位敏感光时域反射计通过重复发送探测光脉冲，记录所述的传感光纤的瑞利散射光的时间变化，对应的电信号为I(z,t)，t为探测光脉冲的发送时刻，相邻脉冲的时间间隔Δt与传感距离L有如下关系：Δt＜2n₀L/c；

2)所述的数据处理单元对采集到的电信号I(z,t)进行解调，按下列方程重建振动信号：其中等于拍频信号的载波频率；

3)所述的数据处理单元对解调的信号进行分析：

首先，所述的数据处理单元需要提前根据待监测的大型机械作业、小型机械作业、人工作业的扰动信号设定相关参数阈值：

①针对振动信号V(z,t)的幅度信息，设定幅度阈值V_th用于初步检测扰动的中心位置，定义大于预设阈值V_th的部分的振动信号V(z,t)称为扰动信号V(z₀,t₀)；

②针对扰动信号的空间波及范围，设定比值阈值r_th1、r_th2：

振动信号V(z,t)在以z₀为中心的较小空间范围S₁、较大空间范围S₂内的空间平均值分别定义为较小空间范围S₁接近扰动信号的最小空间范围，较大空间范围S₂不小于扰动信号的最大空间范围；比值阈值r_th1、r_th2根据扰动信号的空间分布特征进行设定，具体数值通过试验和经验进行优化，以获得最佳效果

③针对扰动信号的幅度信息，设定空间平均阈值E_Rth；

④定义振动的持续时间T为振动信号维持大于幅度阈值V_th的时间，相应的阈值为T_th，同时，定义扰动中心位置z₀处的扰动信号的时间平均值：以及阈值E_Tth；

其次，所述的数据处理单元对振动信号V(z,t)进行分析，提取出大于预设阈值V_th的部分称为扰动信号V(z₀,t₀)，获得扰动的中心位置z₀和扰动的中心时刻t₀，并将该中心位置z₀附近的振动变化信号V(z₀,t)作为待识别信号；

最后，所述的数据处理单元对扰动中心位置z₀的振动变化信号V(z₀,t)进行时间特征和空间特征综合分析，获得相应的参数：较小范围空间平均值E_R1、较大范围空间平均值E_R2、时间平均值E_T、持续时间T：

a)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＞r_th1，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为小型机械作业；

b)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＜r_th1，E_R2＞E_Rth，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为大型机械作业；

c)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2＜r_th2，E_R2≤E_Rth，E_T＞E_Tth，T＞T_th，为人工作业；

所述的数据处理单元将上述相应的结果，即报警信息传送至所述的服务器；

4)所述的服务器对各个数据处理单元的报警信息进行整合，将其映射到铁路坐标系统，通过通信光缆向相应区域的用户终端发送报警，通知铁路相关工作人员采取相应措施；同时，所述的服务器对所有报警信息进行存档，方便相关工作人员查询、调阅。

以上方案均可以进行多种拓展或变形，只是限于篇幅不再赘述，但均属于该专利。不应依此说明来限制本发明的保护范围。

实验表明，本发明采用现有的通信光缆监测铁路安全，具有成本低廉、无源分布式探测、防电磁干扰等优势。本发明不仅将极大推动铁路光电缆安全监测系统领域的发展，也为铁路行车、基础设施安全、非法授权施工监测提供了很好的保障。

Claims (6)

1.一种铁路安全监测系统，其特征在于，该系统包括铁路沿线设置的一个及以上的相位敏感光时域反射计(1)、相应的数据处理单元(2)、同轴电缆、第一网络光电收发器(203)、沿铁路线的通信光缆(4)、第二网络光电收发器(301)和一个服务器(3)，所述的相位敏感光时域反射计(1)的光学端口(101)与沿铁路线的传感光纤(5)相连；所述的相位敏感光时域反射计(1)的输出端口通过同轴电缆与所述的数据处理单元(2)的数据采集端口相连，所述的数据处理单元(2)的输出端通过第一网络光电收发器(203)、沿铁路线的通信光缆(4)、第二网络光电收发器(301)与所述的服务器(3)的网络端口相连，所述的服务器(3)通过所述的通信光缆(4)与铁路沿线的各车站相通。

2.根据权利要求1所述的铁路安全监测系统，其特征在于，所述的相位敏感光时域反射计是双光学端口相干探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器(1_1)，第一光纤耦合器(1_2)、第二光纤耦合器(1_3)、第三光纤耦合器(1_5)、第四光纤耦合器(1_12)、第五光纤耦合器(1_22)，脉冲调制器(1_4)，第一光纤环行器(1_11)、第二光纤环行器(1_21)，第一双平衡光电探测器(1_13)、第二双平衡光电探测器(1_23)，其连接关系如下：

所述的激光器(1_1)输出的激光经第一光纤耦合器(1_2)，分别连接到第四光纤耦合器(1_12)的一输入端和第二光纤耦合器(1_3)，第二光纤耦合器(1_3)的两输出端分别连接到第五光纤耦合器(1_22)的一输入端和脉冲调制器(1_4)，脉冲调制器(1_4)的输出端经第三光纤耦合器(1_5)分别连接到第一光纤环行器(1_11)的a端口和第二光纤环行器(1_21)的a端口，第一光纤环行器(1_11)的b端口、第二光纤环行器(1_21)的b端口分别为第一光学端口(101)、第二光学端口(102)，所述的第一光纤环行器(1_11)的c端口连接到第四光纤耦合器(1_12)的另一输入端，第二光纤环行器(1_21)的c端口连接第五光纤耦合器(1_22)的另一输入端口；第四光纤耦合器(1_12)的输出连接第一双平衡光电探测器(1_13)，第五光纤耦合器(1_22)的输出连接第二双平衡光电探测器(1_23)，第一双平衡光电探测器(1_13)电学输出端口连接第一同轴电缆(201)，第二双平衡光电探测器(1_23)的电学输出端口连接第二同轴电缆(202)。

3.根据权利要求1所述的铁路安全监测系统，其特征在于，所述的相位敏感光时域反射计是单光学端口相干探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器(1_1)，第一光纤耦合器(1_2)、第四光纤耦合器(1_12)、脉冲调制器(1_4)、第一光纤环行器(1_11)和第一双平衡光电探测器(1_13)，所述的激光器输出的激光经第一光纤耦合器分别连接到第四光纤耦合器的一输入端和脉冲调制器，该脉冲调制器的输出端连接到第一光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口为光学端口(101)，第一光纤环行器的c端口连接第四光纤耦合器(1-12)的另一输入端，第四光纤耦合器的输出端连接第一双平衡光电探测器(1-13)，第一双平衡光电探测器的电学输出端口通过第一同轴电缆(201)与所述的数据处理单元(2)的数据采集端口相连。

4.根据权利要求1所述的铁路安全监测系统，其特征在于，所述的相位敏感光时域反射计采用双光学端口直接探测结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器(1_1)、脉冲调制器(1_4)、第三光纤耦合器(1_5)、第一光纤环行器(1_11)、第二光纤环行器(1_21)、第一普通光电探测器(1_14)和第二普通光电探测器(1_24)，所述的激光器输出的激光经脉冲调制器连接到第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的两个输出端分别连接到第一光纤环行器的a端口和第二光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口连接第一光学端口，第二光纤环行器的b端口连接第二光学端口，第一光纤环行器的c端口连接第一普通光电探测器，第二光纤环行器的c端口连接第二普通光电探测器，第一普通光电探测器的电学输出端口连接第一同轴电缆，第二普通光电探测器的电学输出端口连接第二同轴电缆。

5.根据权利要求1所述的铁路安全监测系统，其特征在于，所述的相位敏感光时域反射计采用双光学端口相干探测与直接探测并用结构的相位敏感光时域反射计，包括激光器(1_1)、第一光纤耦合器(1_2)、第三光纤耦合器(1_5)、第四光纤耦合器(1_12)、脉冲调制器(1_4)、第一光纤环行器(1_11)、第二光纤环行器(1_21)、第一双平衡光电探测器(1_13)和第二普通光电探测器(1_24)，所述的激光器输出的激光经第一光纤耦合器分别连接到第四光纤耦合器的一个输入端和脉冲调制器的输入端，所述的脉冲调制器的输出端经第三光纤耦合器分别连接到第一光纤环行器的a端口、第二光纤环行器的a端口，第一光纤环行器的b端口连接第一光学端口，第二光纤环行器的b端口连接第二光学端口，第一光纤环行器的c端口连接到第四光纤耦合器的另一输入端，第二光纤环行器的c端口连接到第二普通光电探测器的输入端，第四光纤耦合器的输出端连接第一双平衡光电探测器，第一双平衡光电探测器的电学输出端口连接第一同轴电缆，第二普通光电探测器的电学输出端口连接第二同轴电缆。

6.利用权利要求1所述的铁路安全监测系统进行铁路安全的监测方法，其特征在于，该方法主要包括4个步骤：

1)所述的相位敏感光时域反射计通过光学端口向所述的传感光纤发射探测光脉冲，发射时刻记作τ₀，记录从传感光纤沿线返回的瑞利散射光；根据散射光的返回时间τ计算出对应的散射点位置z＝(τ-τ₀)c/(2n₀)，其中c/n₀为光波在光纤中的传输速度；

所述的相位敏感光时域反射计通过重复发送探测光脉冲，记录所述的传感光纤的瑞利散射光的时间变化，对应的电信号为I(z,t)，t为探测光脉冲的发送时刻，相邻脉冲的时间间隔△t与传感距离L有如下关系：△t<2n₀L/c；

2)所述的数据处理单元对采集到的电信号I(z,t)进行解调，按下列方程重建振动信号：其中等于拍频信号的载波频率；

3)所述的数据处理单元对解调的信号进行分析：

首先，所述的数据处理单元需要提前根据待监测的大型机械作业、小型机械作业、人工作业的扰动信号设定相关参数阈值：

①针对振动信号V(z,t)的幅度信息，设定幅度阈值V_th用于初步检测扰动的中心位置，定义大于预设阈值V_th的部分的振动信号V(z,t)称为扰动信号V(z₀,t₀)；

②针对扰动信号的空间波及范围，设定比值阈值r_th1、r_th2：

振动信号V(z,t)在以z₀为中心的较小空间范围S₁、较大空间范围S₂内的空间平均值分别定义为较小空间范围S₁接近扰动信号的最小空间范围，较大空间范围S₂不小于扰动信号的最大空间范围；比值阈值r_th1、r_th2根据扰动信号的空间分布特征进行设定，具体数值通过试验和经验进行优化，以获得最佳效果；

③针对扰动信号的幅度信息，设定空间平均阈值E_Rth；

④定义振动的持续时间T为振动信号维持大于幅度阈值V_th的时间，相应的阈值为T_th，同时，定义扰动中心位置z₀处的扰动信号的时间平均值：以及阈值E_Tth；

其次，所述的数据处理单元对振动信号V(z,t)进行分析，提取出大于预设阈值V_th的部分称为扰动信号V(z₀,t₀)，获得扰动的中心位置z₀和扰动的中心时刻t₀，并将该中心位置z₀附近的振动变化信号V(z₀,t)作为待识别信号；

最后，所述的数据处理单元对扰动中心位置z₀的振动变化信号V(z₀,t)进行时间特征和空间特征综合分析，获得相应的参数：较小范围空间平均值E_R1、较大范围空间平均值E_R2、时间平均值E_T、持续时间T：

a)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2>r_th1，E_T>E_Tth，T>T_th，为小型机械作业；

b)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2<r_th1，E_R2>E_Rth，E_T>E_Tth，T>T_th，为大型机械作业；

c)当振动变化信号分别满足：E_R1/E_R2<r_th2，E_R2≤E_Rth，E_T>E_Tth，T>T_th，为人工作业；

所述的数据处理单元将上述相应的结果，即报警信息传送至所述的服务器；

4)所述的服务器对各个数据处理单元的报警信息进行整合，将其映射到铁路坐标系统，通过通信光缆向相应区域的用户终端发送报警，通知铁路相关工作人员采取相应措施；同时，所述的服务器对所有报警信息进行存档，方便相关工作人员查询、调阅。