基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，它包括光纤光栅传感器组和解调仪，光纤光栅传感器组包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别与各自对应的应变片粘接，三个应变片再粘接在轨腰上，且第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器位于同一条直线上；所述解调仪采用2x2取2冗余结构；本发明专利技术能够有效提升列车计轴功能的准确性和可靠性，并可实现列车行驶方向判断，系统自检等功能。

Safe axle counting system and method of rail transit based on edge filtering

【技术实现步骤摘要】
基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统及方法
本专利技术涉及轨道运输安全监测
，具体地指一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统及方法。
技术介绍
经过多年发展，不论是应用领域还是覆盖面积，铁路运输技术均具有极大影响力。故对轨道运输的安全性提出了更为严格的要求。如今轨道计轴的方式主要有两种，即电类、磁类计轴方案和光纤光栅计轴方案。轨道电路主要由车轴与轨道形成电气回路，是由导体、钢轨绝缘体、送电设备、受电设备及限流电阻构成的设备，用于判断待测区间是否存在列车占用。电磁计轴器实现计轴，需要在轨道两侧分别设置发射线圈和感应线圈，使计轴点处于磁场中。当列车通过计轴点时，导致感应线圈上的感应电动势相对于无车轮时的感应电动势发生变化，以此判断有列车经过，实现计轴，进而实现监测轨道占用的功能。综上所述，轨道电路及电磁计轴器的实现均须有设备在室外布置，且高度依赖于其优良的电传输特性。在“雷击对轨道电路的影响分析”(中图分类号：U284.2)文章中，提出特别是在雷雨季节，很容易遭到雷电的侵害，致使设备损坏，给交通运输带来极大的影响，致使列车无法安全的运行，严重时可造成重大事故。在“电磁感应式计轴设备的常见干扰源与抗干扰方法研究”(中图分类号：U284.47)文章中，提出国铁大部分计轴设备干扰故障是由雷害、电涌、过电压等电磁干扰造成的。虽然国内引进计轴技术已10年有余,并且在多个铁路局大面积应用,但电磁干扰问题仍未有效解决。光纤光栅传感技术自诞生起，因具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀，化学稳定性强、距离长等特点，其被广泛用于强电磁干扰及湿度多变的环境中。且基于光纤光栅开发的计轴产品，无需将电磁敏感设备置于室外环境，可以避免上述电类设备面临的问题，使得产品不再疲于应对应用场景的电磁干扰等影响。技术专利CN200920088856.3公布了一种基于两只独立光纤光栅传感器的列车计轴及判向方案。当列车以先后次序碾压在两只光纤光栅传感器上时，两传感器的波长飘移值在相邻时刻各产生一个脉冲，以脉冲来临次序判断列车行驶方向。该方案缺点在于，只能通过排序两只光纤光栅测得的第一个脉冲，以此判断行车方向。若第一个脉冲来临次序判断有误，可能导致系统得出错误的行车方向，严重影响轨道运输安全。专利技术专利CN201610956103.4将两只光纤光栅粘贴在应变片的两面，再将应变片整体固定于铁轨底部，当有列车来临时，两只光纤光栅的波长变化等大反向，可以起到增敏的效果。且因两只光纤光栅处于同一温度环境，可以相互补偿消除温度影响。该方法整体采用机械结构，以弹簧作为应变传输主要器件之一，易随轨道振动发生位移，产生噪声。且轨道易出现高频振动，长期用于该场景下的机械结构易出现老化，威胁轨道运输安全。上述既有专利描述的光路及电路部分，均为单路数据传输与处理，安全性能局限。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统及方法，本专利技术能够有效提升轨道交通计轴功能的安全性，并可实现列车行驶方向判断、系统自检等功能。为实现此目的，本专利技术所设计的一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器组和解调仪，光纤光栅传感器组包括第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器，第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器分别与各自对应的应变片粘接，三个应变片再粘接在轨腰上，且第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器位于同一条直线上；所述解调仪包括光源控制板、ASE光源(放大自发辐射光源)、一分二耦合器A、宽带滤波器、第一光电转换器、一分三耦合器、光环形器、一分二耦合器B、第一线性滤波器、第二光电转换器、主控制板和一分二耦合器C；光源控制板用于控制ASE光源输出C波段内的连续光，该C波段内的连续光经一分二耦合器A分为两路，一路C波段内的连续光经过宽带滤波器传输给第一光电转换器转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路C波段内的连续光依次经由一分三耦合器、光环形器分别传输给第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器中的光栅分别对C波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应变经由铁轨传输至光纤光栅传感器组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，C波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化；第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器输出的三束反射光分别依次通过光环形器、一分二耦合器B和一分二耦合器C后分成两路，一路反射光由第一线性滤波器进行边沿滤波调制，得到反射光调制信号，该反射光调制信号的光强与应变大小成正比，第二光电转换器将与三个光纤光栅传感器对应的三个反射光调制信号转换为相应的三个反射光调制电信号，另一路反射光直接进入第二光电转换器，第二光电转换器将三个光纤光栅传感器发出的反射光转换为三个反射光参考电信号；主控制板将三个反射光调制电信号与对应的三个反射光参考电信号做比值，得到三个比值电信号，通过三个比值电信号解析出此时三个光纤光栅传感器对应的波长值，进而解调出此时三个光纤光栅传感器的应变值，根据列车来临时三个光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴。一种利用上述系统的轨道交通计轴方法，它包括如下步骤：步骤1：光源控制板控制ASE光源输出C波段内的连续光，该C波段内的连续光经一分二耦合器A分为两路，一路C波段内的连续光经过宽带滤波器传输给第一光电转换器转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路C波段内的连续光依次经由一分三耦合器、光环形器分别传输给第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器；步骤2：第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器中的光栅分别对C波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应变经由铁轨传输至光纤光栅传感器组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，C波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化；步骤3：第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器输出的三束反射光分别依次通过光环形器、一分二耦合器B和一分二耦合器C后分成两路，一路反射光由第一线性滤波器进行边沿滤波调制，得到反射光调制信号，该反射光调制信号的光强与应变大小成正比，第二光电转换器将与三个光纤光栅传感器对应的三个反射光调制信号转换为相应的三个反射光调制电信号，另一路反射光直接进入第二光电转换器，第二光电转换器将三个光纤光栅传感器发出的反射光转换为三个反射光参考电信号；主控制板将三个反射光调制电信号与对应的三个反射光参考电信号做比值，得到三个比值电信号，通过三个比值电信号解析出此时三个光纤光栅传感器对应的波长值，进而解调出此时三个光纤光栅传感器的应变值，根据列车来临时三个光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴；第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器和第三光纤光栅传感器输出的三束反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器组和解调仪(3)，光纤光栅传感器组包括第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)，第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)分别与各自对应的应变片(4)粘接，三个应变片(4)再粘接在轨腰上，且第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)位于同一条直线上；/n所述解调仪(3)包括光源控制板(5)、ASE光源(6)、一分二耦合器A(7)、宽带滤波器(8)、第一光电转换器(9)、一分三耦合器(10)、光环形器(11)、一分二耦合器B(13)、第一线性滤波器(14)、第二光电转换器(15)、主控制板(16)和一分二耦合器C(18)；/n光源控制板(5)用于控制ASE光源(6)输出C波段内的连续光，该C波段内的连续光经一分二耦合器A(7)分为两路，一路C波段内的连续光经过宽带滤波器(8)传输给第一光电转换器(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路C波段内的连续光依次经由一分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)；/n第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)中的光栅分别对C波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应变经由铁轨传输至光纤光栅传感器组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，C波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化；/n第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(13)和一分二耦合器C(18)后分成两路，一路反射光由第一线性滤波器(14)进行边沿滤波调制，得到反射光调制信号，该反射光调制信号的光强与应变大小成正比，第二光电转换器(15)将与三个光纤光栅传感器对应的三个反射光调制信号转换为相应的三个反射光调制电信号，另一路反射光直接进入第二光电转换器(15)，第二光电转换器(15)将三个光纤光栅传感器发出的反射光转换为三个反射光参考电信号；/n主控制板(16)将三个反射光调制电信号与对应的三个反射光参考电信号做比值，得到三个比值电信号，通过三个比值电信号解析出此时三个光纤光栅传感器对应的波长值，进而解调出此时三个光纤光栅传感器的应变值，根据列车来临时三个光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：它包括光纤光栅传感器组和解调仪(3)，光纤光栅传感器组包括第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)，第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)分别与各自对应的应变片(4)粘接，三个应变片(4)再粘接在轨腰上，且第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)位于同一条直线上；
所述解调仪(3)包括光源控制板(5)、ASE光源(6)、一分二耦合器A(7)、宽带滤波器(8)、第一光电转换器(9)、一分三耦合器(10)、光环形器(11)、一分二耦合器B(13)、第一线性滤波器(14)、第二光电转换器(15)、主控制板(16)和一分二耦合器C(18)；
光源控制板(5)用于控制ASE光源(6)输出C波段内的连续光，该C波段内的连续光经一分二耦合器A(7)分为两路，一路C波段内的连续光经过宽带滤波器(8)传输给第一光电转换器(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路C波段内的连续光依次经由一分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)；
第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)中的光栅分别对C波段内的连续光的波长中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应变经由铁轨传输至光纤光栅传感器组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，C波段内的连续光的反射光强随之发生规律变化；
第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(13)和一分二耦合器C(18)后分成两路，一路反射光由第一线性滤波器(14)进行边沿滤波调制，得到反射光调制信号，该反射光调制信号的光强与应变大小成正比，第二光电转换器(15)将与三个光纤光栅传感器对应的三个反射光调制信号转换为相应的三个反射光调制电信号，另一路反射光直接进入第二光电转换器(15)，第二光电转换器(15)将三个光纤光栅传感器发出的反射光转换为三个反射光参考电信号；
主控制板(16)将三个反射光调制电信号与对应的三个反射光参考电信号做比值，得到三个比值电信号，通过三个比值电信号解析出此时三个光纤光栅传感器对应的波长值，进而解调出此时三个光纤光栅传感器的应变值，根据列车来临时三个光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴。


2.根据权利要求1所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：所述第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)均为普通的光纤Bragg光栅；
第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)的中心波长在滤波器(14)单调变化范围内。


3.根据权利要求1所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：它还包括辅控制板(12)、第三光电转换器(17)、一分二耦合器D(19)和第二线性滤波器(20)，第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(13)和一分二耦合器D(19)后分成两路，一路反射光由第二线性滤波器(20)进行边沿滤波调制，得到反射光调制信号，该反射光调制信号的光强与应变大小成正比，第三光电转换器(17)将与三个光纤光栅传感器对应的三个反射光调制信号转换为相应的三个反射光调制电信号，另一路反射光直接进入第三光电转换器(17)，第三光电转换器(17)将三个光纤光栅传感器发出的反射光转换为三个反射光参考电信号；
辅控制板(12)将三个反射光调制电信号与对应的三个反射光参考电信号做比值，得到三个比值电信号，通过三个比值电信号解析出此时三个光纤光栅传感器对应的波长值，进而解调出此时三个光纤光栅传感器的应变值，根据列车来临时三个光纤光栅传感器的应变信号及应变信号的先后顺序进行列车计轴。


4.根据权利要求3所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：所述第一线性滤波器(14)和第二线性滤波器(20)的透射率在选用波段内单调上升；宽带滤波器(8)只允许选用波段内范围的光无滤波通过。


5.根据权利要求1所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：所述第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)位于相邻的两个轨道枕木之间；所述第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)均通过光纤接续盒(2)接入光环形器(11)；
所述光源控制板(5)进行光源自检时，当发现宽带滤波器(8)输出的C波段内的连续光在选用波段内的光强不在预设的正常光强范围内，则进行报警。


6.根据权利要求1所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(13)和一分二耦合器C(18)后分成两路，一路反射光由第一线性滤波器(14)进行边沿滤波调制，另一路反射光通过第三线性滤波器进行边沿滤波调制后进入第二光电转换器(15)，第一线性滤波器(14)的透射率在选用波段内单调上升，第三线性滤波器的透射率在选用波段内单调下降。


7.根据权利要求3所述的基于边沿滤波的安全型轨道交通计轴系统，其特征在于：第一光纤光栅传感器(1)、第二光纤光栅传感器(1.1)和第三光纤光栅传感器(1.2)输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘建军，耿彪，李政颖，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42