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技术

本发明专利技术提出了一种基于相位敏感光纤传感技术(Φ‑OTDR)的铁轨异物入侵监测方法。该方法采用Φ‑OTDR采集铁轨一段时间内的原始信号，对原始信号进行滤波处理、短时傅里叶变换和自回归模型谱估计处理；通过提取和分析信号的频率特征，来判定监测铁轨路段上任意位置点是否有事件发生，通过对该位置点前后位置点是否有事件的判断来区分正常列车行驶和异物入侵事件。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、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，对于铁路系统安全运行和防灾安全监测具有重要的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
技术问题：本专利技术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。本专利技术以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。所述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，是对任意位置点及其前后位置点进行短时傅里叶变换和现代谱估计中自回归模型的功率能量谱估计处理，对处理后的信号进行瞬时频率能量的时频分析和一段时间内各频率能量分布的功率谱估计分析，在时频分析和功率谱估计分析中，如果某一位置点能量值远远超过其前后位置点的能量值，则判定该位置点在一段时间内有异物入侵事件发生，否则认为在这段时间内没有异物入侵事件发生。有益效果：本专利技术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的方法，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，对于铁路系统的安全运行和防灾安全监测具有重要的潜在应用价值。附图说明图1是基于Φ-OTDR的铁轨异物入侵监测方法流程图，图2是无人入侵时520m处的原始信号和信号处理效果图，图3是有人入侵时520m处的原始信号和信号处理效果图，图4是人为模拟滑坡振动信号时4012m处的原始信号和信号处理效果图，图5是人为模拟滑坡振动信号时3947m处的原始信号和信号处理效果图，图6是人为模拟滑坡振动信号时4049m处的原始信号和信号处理效果图。具体实施方式下面结合附图和实施案例对本专利技术作进一步的说明。根据附图1的方法实施流程图所示，本专利技术首先利用Φ-OTDR系统在某南方高铁站采集一段时间内某段高铁动车线路的原始信号，即铁轨沿线后向散射光信号，如附图2中的原始信号所示。该信号反映出铁轨上距离监测点520m的位置点在8s时间内的振动信号，后面附图中的原始信号相类似，仅是位置或时间上有差别。本专利技术首先对采集到的原始信号进行小波去噪，采用基于db12小波变换的滤波处理方法。铁路沿线干扰众多，原始信号包含很多噪声，低通滤波处理可以去除绝大部分噪声。db小波是一种具有阶层性质的小波，本专利技术采用db12小波的消失动量值为6，滤波器长度为12。上述过程可采用MATLAB软件实现。信号的频率特征随着某位置具体如列车通过、人或牲畜铁路沿线走动、滑坡泥石流等发生异物入侵事件的不同而不同。短时傅里叶变换可获得信号一段时间内的时频特性，可清晰获得瞬时频率的信息。短时傅里叶变换方法是在连续一段时间内，一个函数可以先乘上仅在一段时间不为零的窗函数再进行一维的傅里叶变换，再将该窗函数沿着时间轴移动，所得到的一系列的傅里叶变换结果排开后的二维表象。数学表达式为：其中w(t)是窗函数；x(t)是待变换的信号；X(t,f)是w(t-τ)x(τ)的傅里叶变换。随着t的改变，窗函数在时间轴上会有位移。经w(t-τ)x(τ)后，信号只留下窗函数截取的部分做最后的傅里叶变换。本专利技术窗函数采用的是HammingWindow汉明窗。汉明窗是余弦窗的一种，汉明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，汉明窗的第一旁瓣衰减为-42dB，它的频谱由3个矩形时窗的频谱合成。其表达式为：w(n)＝0.53836-0.4本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于具有以下步骤：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于相位敏感光时域反射计的铁轨异物入侵监测方法，其特征在于具有以下步骤：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。2.根据权利要求1所述的基于相位敏感光时域反射计的铁轨异物入侵监测方法，其特征在于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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宁，费树岷，陈夕松，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32