一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于φ‑OTDR的高铁轨道健康在线监测方法，利用铁路沿线铺设的既有通信光纤进行传感，捕获铁路沿线在列车经过后的振动信息。将数据按时间轴组织为一灰度表示强度的瀑布图，进行小波分解滤波后，采用基于动态规划的边缘提取算法提取出列车行驶产生的轨迹，划分出轨迹前和轨迹后两个区域。分别对轨迹区域和轨迹前后区域进行时频分析，提取出轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱，再经过特征频谱提取算法，得到轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率。不断的重复此监测过程，得到钢轨振动特性随时间的变化，建立对应的数据库。新采集到的数据与数据库中的数据进行对比并更新数据库，实现对列车和钢轨的实时健康监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法
本专利技术涉及光纤传感
，特别是一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法。
技术介绍
高铁运营安全性一直是关系到经济发展和人身安全的重大问题。为了保障高铁运输的安全与畅通，提高运营效率，对高铁轨道健康状况进行实时监测十分必要。然而目前采用的电类传感元件防潮防湿能力和抗电磁干扰能力较差，在恶劣的监测条件下表现不稳定，当长时间用在复杂监测环境下时，容易发生零点漂移等故障，极大的影响了监测结果的可靠性；另一方面，电信号在信道中的传输距离很短，很难组建成大规模的传感网络，难以实现长距离实时在线监测。φ-OTDR作为一种新型的安防监测系统，不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高等特点，而且具有隐蔽性好、报警定位精确、数据处理相对简单等优点，适合用于大范围、长距离实时监测。相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)，具有响应速度快和能够实现多点监测等明显的优点。相比于布里渊散射光和拉曼散射光测量振动，Φ-OTDR无需多次的累加平均，因而响应速度快；与偏振光时域反射计(POTDR)相比，采用Φ-OTDR在列车后方不会产生强噪声底，可以实现多点实时监测。从2000年以来在全国铁路干线中，伴随着钢轨的铺设，沿线铺设了大量通信光纤，到今天已经基本形成依靠光纤为传输媒介的通信网络。利用高铁轨道沿线铺设的既有通信光纤，而不依托于专门铺设传感光纤，能够节约大量购置传感光纤的成本，便于施工，可以组建成大规模的传感网络。但信光纤往往防止在与钢轨有一定距离的线缆槽内，并不直接接触钢轨和路基，与钢轨保持一定距离，振动耦合到光纤上的效率较低，这导致对灵敏度的要求更加苛刻。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，本专利技术使用φ-OTDR系统对铁路沿线铺设的通信光纤进行检测，得到大量的光纤振动曲线数据，对数据进行分析处理建立相应的数据库；把新测量的处理数据与数据库中数据进行对比分析可以实现对铁路健康安全进行实时监测。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，包括以下步骤：步骤一、利用高铁轨道沿线铺设的既有通信光纤进行传感，捕获铁高铁轨道沿线各处在列车经过后的振动信息沿时间和空间的二维分布情况；将所测量得到的光纤振动曲线数据按时间轴组织为一灰度表示强度的瀑布图，该瀑布图的横坐标为光纤长度信息、纵坐标为时间长度信息；步骤二、对有列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行滤波，采用基于动态规划的边缘提取算法提取列车驶过被测钢轨的轨迹图，轨迹图内包含轮轨振动关系数据；在轨迹图中划分出轨迹前后两个范围，这两个范围内包含钢轨振动数据；步骤三、对轮轨振动关系数据和钢轨振动数据分别进行时频分析处理，提取出轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱，将轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱再分别经过特征频谱提取算法，得到轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率；步骤四、对无列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行时域分析处理，提取背景噪声的特征频谱，将背景噪声的特征频谱再经过特征频谱提取算法，得到背景噪声的特征频率；步骤五、在铁轨和车轮的表面均无损伤的情况下，重复步骤一至步骤四，建立轮轨关系数据库和背景噪声数据库；将轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与对应的列车型号和钢轨路段信息存储在轮轨关系数据库中；将背景噪声的特征频率与钢轨路段信息存储在背景噪声数据库；步骤六、将步骤三中得到的轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与步骤五建立的轮轨关系数据库进行比较；具体如下：601、当轮轨振动特征频率与轮轨关系数据库中的轮轨振动特征频率的差异在预设允许范围内，且钢轨谐振特征频率与轮轨关系数据库中的钢轨谐振特征频率的差距也在预设允许范围内；则将该组数据标记为观察状态存入轮轨关系数据库；602、当轮轨振动特征频率与轮轨关系数据库中的轮轨振动特征频率的差异不在预设允许范围内，或者钢轨谐振特征频率与轮轨关系数据库中的钢轨谐振特征频率的差距不在预设允许范围内时，若整条铁路的轮轨振动特征频率均变化，则是列车轮子出现问题，否则，则是钢轨出现问题，将该组数据标记为报警状态存入轮轨关系数据库，并将列车轮子出现问题的信息、钢轨出现问题的信息传输给监测人员；步骤七、将步骤四中得到的背景噪声的特征频率与背景噪声数据库中数据进行对比分析，对背景噪声数据进行大数据分析，分析钢轨随外部环境的变化情况，从而得到其老化规律和预测寿命信息。作为本专利技术所述一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，进一步优化方案，所述步骤二中的滤波方法为小波分解去噪。作为本专利技术所述一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法进一步优化方案，时频分析处理的方法为短时傅里叶变换或小波分析。作为本专利技术所述一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法进一步优化方案，特征频谱提取算法为基于最小二乘法的多项式拟合方法。作为本专利技术所述一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法进一步优化方案，采用φ-OTDR对铁路沿线铺设的既有通信光纤进行传感。作为本专利技术所述一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法进一步优化方案，分析步骤二中得到的轨迹在空间轴和时间轴的位置，实现对列车的定位，测量出速度和加速度。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)采用φ-OTDR测量周围的振动，能够实现长距离、高密度、快速响应的实时健康监测，同时传感器无需与钢轨直接接触，具备很好的防潮防湿能力和抗电磁干扰能力，在长期稳定性能在恶劣的监测条件下均表现优良；本专利技术使用铁路中现有的通信光纤，组建成大规模的抗干扰强的光纤传感网络省，去布置新的光纤网络的成本；(3)φ-OTDR，实现对列车进行定位，对速度和加速度进行测量；能够对列车和钢轨进行实时监测，出现问题及时发现，并报警给列车调度员，在事故发生之前及时检修排除安全隐患，保证铁路健康检测。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本专利技术光纤与钢轨的空间关系图。图3是Φ-OTDR测到原始信号图。图4是处理后列车轨迹及前后区域图。图5a是轮轨频率关系图。图5b是钢轨特征频率图。图6是钢轨特征频率沿着钢轨分布图。图7是特征频率变化频率图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：图1是本专利技术的流程图，一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，包括以下步骤：步骤一、利用铁路沿线铺设的既有通信光纤进行传感，捕获高铁轨道沿线各处在列车经过后的振动信息沿时间和空间的二维分布情况。将所测量得到的光纤振动曲线数据按时间轴组织为一灰度表示强度的瀑布图，该瀑布图的横坐标为光纤长度信息、纵坐标为时间长度信息。步骤二、对有列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行滤波，采用基于动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、利用铁路沿线铺设的既有通信光纤进行传感，捕获铁路沿线各处在列车经过后的振动信息沿时间和空间的二维分布情况；将所测量得到的光纤振动曲线数据按时间轴组织为一灰度表示强度的瀑布图，该瀑布图的横坐标为光纤长度信息、纵坐标为时间长度信息；/n步骤二、对有列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行滤波，采用基于动态规划的边缘提取算法提取列车驶过被测钢轨的轨迹图，轨迹图内包含轮轨振动关系数据；在轨迹图中划分出轨迹前后两个范围，这两个范围内包含钢轨振动数据；/n步骤三、对轮轨振动关系数据和钢轨振动数据分别进行时频分析处理，提取出轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱，将轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱再分别经过特征频谱提取算法，得到轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率；/n步骤四、对无列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行时域分析处理，提取背景噪声的特征频谱，将背景噪声的特征频谱再经过特征频谱提取算法，得到背景噪声的特征频率；/n步骤五、在铁轨和车轮的表面均无损伤的情况下，重复步骤一至步骤四，建立轮轨关系数据库和背景噪声数据库；将轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与对应的列车型号和钢轨路段信息存储在轮轨关系数据库中；将背景噪声的特征频率与钢轨路段信息存储在背景噪声数据库；/n步骤六、将步骤三中得到的轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与步骤五建立的轮轨关系数据库进行比较；具体如下：/n601、当轮轨振动特征频率与轮轨关系数据库中的轮轨振动特征频率的差异在预设允许范围内，且钢轨谐振特征频率与轮轨关系数据库中的钢轨谐振特征频率的差距也在预设允许范围内；则将该组数据标记为观察状态存入轮轨关系数据库；/n602、当轮轨振动特征频率与轮轨关系数据库中的轮轨振动特征频率的差异不在预设允许范围内，或者钢轨谐振特征频率与轮轨关系数据库中的钢轨谐振特征频率的差距不在预设允许范围内时，若整条铁路的轮轨振动特征频率均变化，则是列车轮子出现问题，否则，则是钢轨出现问题，将该组数据标记为报警状态存入轮轨关系数据库，并将列车轮子出现问题的信息、钢轨出现问题的信息传输给监测人员；/n步骤七、将步骤四中得到的背景噪声的特征频率与背景噪声数据库中数据进行对比分析，对背景噪声数据进行大数据分析，分析钢轨随外部环境的变化情况，从而得到其老化规律和预测寿命信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于φ-OTDR的高铁轨道健康在线监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用铁路沿线铺设的既有通信光纤进行传感，捕获铁路沿线各处在列车经过后的振动信息沿时间和空间的二维分布情况；将所测量得到的光纤振动曲线数据按时间轴组织为一灰度表示强度的瀑布图，该瀑布图的横坐标为光纤长度信息、纵坐标为时间长度信息；
步骤二、对有列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行滤波，采用基于动态规划的边缘提取算法提取列车驶过被测钢轨的轨迹图，轨迹图内包含轮轨振动关系数据；在轨迹图中划分出轨迹前后两个范围，这两个范围内包含钢轨振动数据；
步骤三、对轮轨振动关系数据和钢轨振动数据分别进行时频分析处理，提取出轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱，将轮轨振动特征频谱和钢轨谐振特征频谱再分别经过特征频谱提取算法，得到轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率；
步骤四、对无列车驶过的时间段所对应的瀑布图进行时域分析处理，提取背景噪声的特征频谱，将背景噪声的特征频谱再经过特征频谱提取算法，得到背景噪声的特征频率；
步骤五、在铁轨和车轮的表面均无损伤的情况下，重复步骤一至步骤四，建立轮轨关系数据库和背景噪声数据库；将轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与对应的列车型号和钢轨路段信息存储在轮轨关系数据库中；将背景噪声的特征频率与钢轨路段信息存储在背景噪声数据库；
步骤六、将步骤三中得到的轮轨振动特征频率和钢轨谐振特征频率与步骤五建立的轮轨关系数据库进行比较；具体如下：
601、当轮轨振动特征频率与轮轨关系数据库中的轮轨振动特征频率的差异在预设允许范围内，且钢轨谐振特征频率与轮轨关系数据库中的钢轨谐振特征频...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭苹，王苏，李密，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32