一种基于φ-OTDR的车流量实时监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于*的车流量实时监测系统及方法
本专利技术涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于的车流量实时监测系统及方法。
技术介绍
伴随我国经济不断发展，道路交通建设不断完善，对公路上车流量进行实时监测逐渐成为交通领域的研究热点。一方面，城市智能交通已得到社会各界的广泛关注，这样一个稳定可靠能全天24小时对公路路况车流量进行实时监测的系统对于保障交通安全畅通和智能控制提供了基础；另一方面，一个方便的车流量实时监测系统也为广大司乘人员出行提供了参考便利。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于的车流量实时监测系统及方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于的车流量实时监测系统，该系统包括：传感光缆、基于的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；基于的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号；通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，并提取拍频信号的交流部分信号，对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；交换机，通过网线与基于的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；监控端，用于根据光信号强度建立信号瀑布图，通过信号瀑布图实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。<br>进一步地，本专利技术的基于的光纤振动监测主机中获得瑞利后向散射信号的方式为：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号。进一步地，本专利技术的基于的光纤振动监测主机包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光衰减器、环形器、平衡探测器、数字采集卡、工控板；其中：激光器作为光源提供窄线宽的连续光，由第一耦合器分路为本地光与调制光；声光调制器将调制光路连续光斩波调制为连续脉冲光；掺铒光纤放大器将调制光路脉冲光进行放大；光衰减器用于调节光功率；调制光路中脉冲光与环形器第一端口连接，第二端口与传感光缆连接，第三端口即瑞利散射信号光；第二耦合器两输入端为本地光与瑞利散射信号光，两者相干后经过平衡探测器输出为电信号传输至数字采集卡；数字采集卡对信号进行数据采集，采集数据送入工控板进一步分析。进一步地，本专利技术的传感光缆为普通通信单模光缆。进一步地，本专利技术的监控端展示车流量形式为光缆振动信号瀑布图，通过对振动信号瀑布图进行分析，得到车辆数量、车辆行驶速度的信息；监控端还包括远程移动终端。本专利技术提供一种基于的车流量实时监测方法，该方法包括以下步骤：S1、通过平行铺设在监测路段道路两侧的传感光缆实时监测道路车辆行驶过程引起的光纤振动信号；S2、通过基于的光纤振动监测主机获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；S3、通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，通过平衡探测器得到拍频信号的交流部分信号，并对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；S4、将解调得到的光信号强度发送给监控端，建立信号瀑布图，信号瀑布图为光信号强度在空间、时间域上的实时分布情况；信号瀑布图中横坐标为光纤距离，纵坐标为时间，信号瀑布图中单点颜色反映光信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，光信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大；通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示。进一步地，本专利技术的步骤S2中得到的瑞利后向散射信号具体为：光纤内光信号后向散射过程为一系列反射镜的反射过程，这些反射镜是在特定长度ΔL的光纤内随机分布的散射体后向散射的矢量和；在特定长度ΔL的光纤内有M个随机分布的独立的瑞利散射单元，其偏振均相同，M个散射单元的场矢量为：其中，rk和φk分别为脉冲跨度内第K段光纤的M个后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分别是ΔL长度光纤内第i个后向散射的幅度和相位；rk、φk、ai和Ωi为随机变量；振动点散射回来的瑞利后向散射信号包含非振动光场与振动光场信号，后向散射幅值Es表示为：ES(t)＝E0expi[2πft+Φ0(t)]+E1expi[2πft+Φ1(t)]为了方便解调过程提取特征分量，在光器件上引入频移Δf：ES(t)＝E0expi[2π(f+Δf)t+Φ0(t)]+E1expi[2π(f+Δf)t+Φ1(t)]其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位，即第一项为平静状态未调制光信号光场，第二项为振动点受调制光信号光场，此处将模型简化振动点未受调制瑞利散射单元与受调制瑞利散射单元数量相等；t时刻的本地光光路光场为：EL0(t)＝ELexpi2πft其中，EL为本地光光场强度。进一步地，本专利技术的步骤S3中的拍频信号具体为：瑞利后向散射信号与本地光源信号进行拍频后为：其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，EL为本地光光场强度，EL0为t时刻的本地光光路光场，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位。进一步地，本专利技术的步骤S3中在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度的具体方法为：拍频信号与本地光相干接收后表示为：其中第一项IL＝E02+El2+EL2表示直流分量，直流分量通过交流耦合滤除；第二项和第三项分量包含振动信息对光信号的调制，其中散射系数为10-7，约为10-3～10-4量级，第三项分量远大于第二项，通过第三项分量提取振动信息，因此通过带通滤波消除第二项得到特征分量；I∝ELO*[E0*cos(2πΔft+Φ0(t))+E1*cos(2πΔft+Φ1(t))]对信号平方处理得到：ELO2[E02+E12+2E0E1cos[2πΔft+Φ0(t)]cos[Φ1(t)*cos[2πΔft+Φ1(t)]低通滤波后：ELO2*[E02+E12+2E0E1cos(Φ0(t)-Φ1(t))]＝ELO(t)2*[E0(t)2+E1(t)2+2E0E1cosΔΦ(t)]其中，ΔΦ(t)为振动导致光信号相位变化；得到光电流强度在一定范围内与光场幅值线性对应。进一步地，本专利技术的步骤S5中通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示的具体方法为：当有车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于

【技术特征摘要】
1.一种基于的车流量实时监测系统，其特征在于，该系统包括：传感光缆、基于的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：
传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；
基于的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号；通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，并提取拍频信号的交流部分信号，对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
交换机，通过网线与基于的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；
监控端，用于根据光信号强度建立信号瀑布图，通过信号瀑布图实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。


2.根据权利要求1所述的基于的车流量实时监测系统，其特征在于，基于的光纤振动监测主机中获得瑞利后向散射信号的方式为：
当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号。


3.根据权利要求1所述的基于的车流量实时监测系统，其特征在于，基于的光纤振动监测主机包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光衰减器、环形器、平衡探测器、数字采集卡、工控板；其中：
激光器作为光源提供窄线宽的连续光，由第一耦合器分路为本地光与调制光；
声光调制器将调制光路连续光斩波调制为连续脉冲光；
掺铒光纤放大器将调制光路脉冲光进行放大；
光衰减器用于调节光功率；
调制光路中脉冲光与环形器第一端口连接，第二端口与传感光缆连接，第三端口即瑞利散射信号光；
第二耦合器两输入端为本地光与瑞利散射信号光，两者相干后经过平衡探测器输出为电信号传输至数字采集卡；
数字采集卡对信号进行数据采集，采集数据送入工控板进一步分析。


4.根据权利要求1所述的基于的车流量实时监测系统，其特征在于，传感光缆为普通通信单模光缆。


5.根据权利要求1所述的基于的车流量实时监测系统，其特征在于，监控端展示车流量形式为光缆振动信号瀑布图，通过对振动信号瀑布图进行分析，得到车辆数量、车辆行驶速度的信息；监控端还包括远程移动终端。


6.一种基于的车流量实时监测方法，采用权利要求1所述的基于的车流量实时监测系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、通过平行铺设在监测路段道路两侧的传感光缆实时监测道路车辆行驶过程引起的光纤振动信号；
S2、通过基于的光纤振动监测主机获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；
S3、通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，通过平衡探测器得到拍频信号的交流部分信号，并对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
S4、将解调得到的光信号强度发送给监控端，建立信号瀑布图，信号瀑布图为光信号强度在空间、时间域上的实时分布情况；信号瀑布图中横坐标为光纤距离，纵坐标为时间，信号瀑布图中单点颜色反映光信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，光信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大；通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示。

【专利技术属性】
技术研发人员：明昌朋，董雷，田铭，王颖，刘洪凯，
申请(专利权)人：武汉理工光科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42