CN101719302B - 双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁道信号监测技术领域，具体提供了一种双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置。该监测方法将异物侵限监测系统分成两个相对独立的区域，即监测区域1和传输区域2，监测区域1由两套传感光纤网路组成；传输区域2由两套传输光纤网路组成，通过光纤和布喇格光纤光栅有效地实现报警和故障信号的分离。按上述方法构建的双光路双区光纤异物侵限监测系统，安装在公路桥交叉跨越铁路地段的防护网，公铁并行和铁路正线的防护网，以及隧道入口顶部仰坡和两侧边坡防护网等防护设施上，并将所输出的列控信号接入接口继电器，即可实现异物侵限的高可靠性监测。该结构简单，具有抗电磁干扰、抗雷击，成本底，提高报警准确率等优点。
Description
技术领域
本发明属于铁道信号监测技术领域，具体涉及一种采用双光路双区光纤光纤布喇格光纤光栅(FBG)传感技术监测铁道异物侵限的方法及装置。
背景技术
异物侵限监测是对危害铁路和行车安全的物体侵入铁路限界进行的监测方法，是铁路安全高效运行的重要保障。由于异物侵限事件的发生具有突发性、无规律可循和不可预测等特点，法国、德国、意大利和日本等国家均在高速铁路中装备了异物侵限监测系统，在列车到达侵限地点前发出报警，控制列车停车，保证列车运行安全。
当前异物侵限监测的主要方法有：电网、光缆、红外线、微波和视频监测方法。最为典型的是红外线和电网监测方法。红外线监测方法是在需要监测的区域使用红外对射探测器，当有异物由高处落下遮挡红外探测器时，系统发出报警。由于红外探测器易受太阳光、车灯以及飘落物遮挡等非侵限事件干扰的影响，此种监测方式应用有一定的局限性。电网监测方式是在防护网的上面敷设绝缘导线，当有坠落物落到防护网上切断绝缘导线时，产生报警信息。此方法对现场实际工况的适应能力强，应用较广，但雷电和行车产生的强电磁信号等干扰会引起误报，特别是在传输监测信号的传输区域发生的干扰或断线故障等，仍然被当做所监测区域的异物侵限事件，产生误报。而监控室往往离所监测部位很远，监测信号需要传输很远的距离，造成传输区域往往远远大于所监测的区域，因此，传输区域发生故障(如：干扰、损坏、被盗等)的几率相应地大得多，若不能将传输区域的故障与监测部位的侵限事件区分开，误报的几率很大。光缆监测方法的布线方式与电网类似，具有不受雷电和电磁干扰等优点，但仍然不能将监测区域的异物侵限事件与传输区域的故障区分开来。
光纤和布喇格光纤光栅传感技术由于具有抗电磁干扰、抗雷击等优点，已经在桥梁、石化和电力等领域广泛应用，也引起了众多铁道领域人士的高度重视。如，林斌等在《交通科技》2008年第5期上发表的“光纤光栅传感铁路安全监测”，以及张彧锋在《铁道通信信号》 (Vol.45，No.6：48-50，2009)上发表的“光纤光栅技术在高速铁路防灾系统中的应用研究”，都提到光纤光栅传感技术应用于铁道中异物侵限监测的好的前景，但是，两者的技术方案都是应用光纤光栅应变/应力传感器进行监测，且需要可调F-P滤波器对布喇格光纤光栅波长进行解调，方案复杂，设备昂贵，难以实用，另一方面，两者都没有提到将监测区域的异物侵限事件与传输区域的故障区分开的办法，也没有提到运用双光路冗余监测的办法。日本新干线应用光缆进行了异物侵限监测，解决了传统技术中电磁干扰和雷击等问题，但是，由于其信号传输，使用的是与监测部位相同的光缆，没有应用任何光纤光栅，仍然易把传输段发生的故障当成异物侵限事件，引起误报。
发明内容
本发明的目的：提供一种根据铁路系统技术要求和信号特点，提出基于光纤光栅传感技术的新一代异物侵限监测技术——双光路双区光纤异物侵限监测技术，解决了光纤分区监测和光纤光栅传感信号解调等问题。
本方法将传感和传输区域分开，实时在线监测异物侵限现场的同时，还能实时检测自身状态，分别产生异物侵限报警和传输故障报警信号，进一步提高了系统的可靠性，避免了误报和漏报事件的发生。
本发明通过下述技术方案实现：双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置原理是，双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置由监测区域1，传输区域2以及监控和解调装置3组成。本发明的方法将异物侵限监测系统分成两个相对独立的区域，即监测区域1和传输区域2。两个相对独立的区域可以使报警和故障信号的分离。监测区域1由第一传感光纤网路6和第二传感光纤网路7两套传感光纤网路组成，监测区域1同时还包括第一布喇格光纤光栅8；第二布喇格光纤光栅9；第三布喇格光纤光栅10和第四布喇格光纤光栅11，传输区域2也由两套传输光纤网路组成，第一传输光纤网路4和第二传输光纤网路5。监控和解调装置3由光源12，第一光纤分路器13，第二光纤分路器14，第一啁啾光纤光栅或带通滤波器15，第二啁啾光纤光栅或带通滤波器16，第一光敏器件17，第二光敏器件18，信号显示与列控信号 发生装置19，第三光纤分路器20，第四光纤分路器21，第三啁啾光纤光栅或带通滤波器22，第四啁啾光纤光栅或带通滤波器23，第三光敏器件24和第四光敏器件25组成。
本发明所采用的原理是：
监控和解调装置3中发出两路光信号，由第一传输光纤网路4和第二传输光纤网路5，分别传送到第一传感光纤网路6和第二传感光纤网路7；第一传感光纤网路6和第二传感光纤网路7监测到的信号，再分别由第一传输光纤网路4和第二传输光纤网路5返回到监控和解调装置3进行分析、显示、报警和发出列控信号。
传感光纤网路按照防护网和工程实际需求进行布设，并在其两端分别安装了两个具有不同布喇格波长的布喇格光纤光栅。如图2所示，第二传感光纤网路7中安装布喇格波长为λ3的第三布喇格光纤光栅10和布喇格波长为λ4的第四布喇格光纤光栅11。监控和解调装置3中的光源12(如图3所示)发出宽带光，经传输光纤分别传送到四个布喇格光纤光栅中。第一布喇格光纤光栅8和第三布喇格光纤光栅10将其相应的布喇格波长λ1和λ3反射回相应的传输光纤网路：波长λ1反射回第一传输光纤网路，波长λ3反射回第二传输光纤网路；第二布喇格光纤光栅和第四布喇格光纤光栅将其相应的布喇格波长λ2和λ4反射回相应的传感光纤网路，并相应透过第一布喇格光纤光栅和第二布喇格光纤光栅，与λ2和λ4一道，经过相应的传输光纤网路，回到监控和解调装置3。第一传输光纤网路4和第一传感光纤网路6组成第一条异物侵限监测光路，此光路应用了第一布喇格光纤光栅8和第二布喇格光纤光栅9共同进行传感；第二传输光纤网路5和第二传感光纤网路7组成第二条异物侵限监测光路，，并应用了第三布喇格光纤光栅10和第四布喇格光纤光栅11共同进行传感。第一条异物侵限监测光路与第二条异物侵限监测光路相对独立。这种光纤异物侵限监测方法实现了分区监测，同时配置了双光路冗余，达到了可靠监测的目的。
如图3所示，第一传输光纤网路4将λ1和λ2传输到监控和解调装置3，经过第一光纤分路器13和第二光纤分路器14，λ1和λ2一起传输到与λ1匹配的第一啁啾光纤光栅或带通滤波器15和与λ2匹配的第二啁啾光纤光栅或带通滤波器16，第一啁啾光纤光栅或带通滤波器15 将λ2滤除，将λ1透过，入射到第一光敏器件17，第二啁啾光纤光栅或带通滤波器16将λ1滤除，将λ2透过，入射到第二光敏器件18，第一光敏器件17和第二光敏器件18将各自是否捕捉到相应布喇格波长的信息传送到信号显示与列控信号发生装置19，得到第一条异物侵限监测光路的监测结果；同理，第二传输光纤5将λ3和λ4经过第三光纤分路器20和第四光纤分路器21，λ3和λ4一起传输到与λ3匹配的第三啁啾光纤光栅或带通滤波器22和与λ4匹配的第四啁啾光纤光栅或带通滤波器23，22将λ4滤除，将λ3透过，入射到第三光敏器件24，23将λ3滤除，将λ4透过，入射到第四光敏器件25，24和25将各自是否捕捉到相应布喇格波长的信息传送到信号显示与列控信号发生装置19，得到第二条异物侵限监测光路的监测结果。信号显示与列控信号发生装置19根据两条光路是否有λ1，λ2，λ3和λ4的信号，显示相应结果并输出相应的列控信号。这种不通过F-P腔对布喇格光纤光栅的波长信号识别的方法，结构简单可靠，并有效地降低了成本。
双光路双区光纤异物侵限监测方法工作原理是：如前所述，当信号发生装置19同时获得λ1，λ2，λ3和λ4的信号时，所监测区域安全正常；一旦监测区域发生危害列车安全运行的异物侵限事件时，所侵限的物体损坏或切断第一光纤传感网路6和第二光纤传感网路7，造成没有光被安装在其尾端的布喇格光纤光栅反射的结果，使信号显示与列控信号发生装置19不能获得λ2和λ4的信号，表示已发生异物侵限事件；当λ2和λ4中只有一个信号返回时，表示在监测区域发生故障；当λ1，λ2或者λ3，λ4同时消失时，表示在传输区域发生故障；当λ2或λ4能获得，而λ1或λ3消失时，表示监控和解调装置发生内部故障。信号显示与列控信号发生装置19根据λ1，λ2，λ3和λ4信号的各种组合，输出是否发生异物侵限事件，或者是何种类型故障的信号，以及相应的列控信号。
因此，本发明有效地将异物侵限系统分成监测区域和传输区域，并按双光路冗余配置，区分了监测区域异物侵限事件和传输区域故障，同时还能识别内部故障，大大增强了异物侵限监测的可靠性，避免了误报和漏报；与传统的电类异物侵限监测方法相比，由于采用光纤而不受雷电和电磁等的干扰，同时，采用匹配光纤光栅和匹配滤波器识别布喇格光纤光栅的 波长，降低了监测系统成本。本发明还具有方法简单，易于实现，稳定性好，抗干扰能力强的优点。本发明的装置结构简单，成本低。
本方法将传感和传输区域分开，在实时在线监测异物侵限现场的同时，还能实时检测自身状态，分别产生异物侵限报警和传输故障报警信号，进一步提高了系统的可靠性，避免了误报和漏报事件的发生。
附图说明
图1是双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置原理示意图。
图2是双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置中监测区域1结构示意图。
图3是本发明装置中监控和解调装置3结构示意图。
其中：1-监测区域，2-传输区域，3-监控和解调装置，4-第一传输光纤网路，5-第二传输光纤网路，6-第一传感光纤网路，7-第二传感光纤网路，8-第一布喇格光纤光栅，9-第二布喇格光纤光栅，10-第三布喇格光纤光栅，11-第四布喇格光纤光栅，12-光源，13-第一光纤分路器，14-第二光纤分路器，15-第一啁啾光纤光栅或带通滤波器，16-第二啁啾光纤光栅或带通滤波器，17-第一光敏器件，18-第二光敏器件，19-信号显示与列控信号发生装置，20-第三光纤分路器，21-第四光纤分路器，22-第三啁啾光纤光栅或带通滤波器，23-第四碉瞅光纤光栅或带通滤波器，24-第三光敏器件，25-第四光敏器件。
具体实施方式
下面根据附图1附图2附图3对本发明进一步说明：
如图1、图2、图3所示，双光路双区光纤异物侵限监测方法及装置由监测区域1，传输区域2以及监控和解调装置3组成。将异物侵限监测系统分成两个相对独立的区域，即监测区域1和传输区域2。两个相对独立的区域可以使报警和故障信号的分离。监测区域1由第一传感光纤网路6和第二传感光纤网路7；两套传慰光纤网路组成，监测区域1同时还包括第一布喇格光纤光栅8；第二布喇格光纤光栅9；第三布喇格光纤光栅10和第四布喇格光纤光栅11，传输区域2也由两套传输光纤网路组成，第一传输光纤网路4和第二传输光纤网路5。监控和解调装置3由光源12，第一光纤分路器13，第二光纤分路器14，第一碉瞅光纤光栅或带通滤波器15，第二碉瞅光纤光栅或带通滤波器16，第一光敏器件17，第二光敏器件18，信号显示与列控信号发生装置19，第三光纤分路器20，第四光纤分路器21，第三碉瞅光纤光栅或带通滤波器22，第四碉瞅光纤光栅或带通滤波器23，第三光敏器件24和第四光敏器件25组成。其中传输区域2中的传输光纤采用销装多芯光缆，并使用其中两根光纤传输监测信号，成为两路传输光纤网路，将异物侵限监测信号从监测区域远距离传输到监控室的监控和解调装置3中。分别用单芯皑装光纤，根据实际情况布设成两路传感光纤网路，并在每一路两端安装上不同波长的布喇格光纤光栅。两路传感光纤中使用的布喇格光纤光栅可以相同，也可以不同。每一路中靠近传输光纤的布喇格光纤光栅的另一端，与相应的传输光纤网路相连，并置于监测现场轨旁箱中加以保护。
如图3所示，光源12采用光谱范围能覆盖所选所有布喇格光纤光栅波长的发光二极管或超辐射发光二极管等光源。第一光纤分路器13，第二光纤分路器14，第三光纤分路器20和第四光纤分路器21，采用能50∶50透过所选布喇格光纤光栅波长的光纤分路器。第一碉瞅光纤光栅或带通滤波器15和第三凋瞅光纤光栅或带通滤波器22选用与相应传输区域相连的布喇格光纤光栅波长相近或覆盖了此波长的特种光纤光栅。匹配滤波器16和23选用与相应监测区域尾端的布喇格光纤光栅波长相近或覆盖了此波长的滤波器。第一光敏器件17，第二光敏器件18，，第三光敏器件24和第四光敏器件25选用光电二极管或雪崩光电二极管等对光敏感的器件，根据光的有无，输出高电平或低电平。信号显示与列控信号发生装置19，采用发光二极管显示多个光敏器件所输出高、低电平的组合，并根据铁路信号接口标准和光敏器件所输出高、低电平的组合，输出是否发生异物侵限事件，或者是何种类型故障的信号，以及相应的列控信号。
具体工作过程为：
由光源12发出的光通过第一光纤分路器13进入第一异物侵限监测光路，沿第一传输光纤网络4透过第一布喇格光栅8进入第一传感光纤网络6到达第二布喇格光栅9，第二布喇格光栅9的反射光λ2沿原传感网络光路返回，通过第一布喇格光栅8与第一布喇格光栅反 射光λ1一起经传输光纤网络返回到第一光纤分路器13，进入第二光纤分路器14与第一碉瞅光纤光栅或带通滤波器15，第二碉瞅光纤光栅或带通滤波器16，第一光敏器件17，第二光敏器件18，信号显示与列控信号发生装置19。
同理：由光源12发出的光通过第三光纤分路器20进入第二条异物侵限监测光路，沿第二传输光纤网络5透过第三布喇格光栅10进入第二传感光纤网络7到达第四布喇格光栅11，第四布喇格光栅11的反射光λ4沿原传感网络光路返回，通过第三布喇格光栅10与第三布喇格光栅反射光λ3一起经传输光纤网络返回到第三光纤分路器20，进入第四光纤分路器21与第三碉瞅光纤光栅或带通滤波器22，第四碉瞅光纤光栅或带通滤波器23，第三光敏器件24，第四光敏器件25，信号显示与列控信号发生装置19。
当信号发生装置19同时获得λ1，λ2，λ3和λ4的信号时，所监测区域安全正常；一旦监测区域发生危害列车安全运行的异物侵限事件时，所侵限的物体损坏或切断第一光纤传感网路6和第二光纤传感网路7，造成没有被安装在其尾端的布喇格光纤光栅9和11反射光的结果，使信号显示与列控信号发生装置19不能获得λ2和λ4的信号，表示已发生异物侵限事件；当λ2和λ4中只有一个信号返回时，表示在监测区域发生故障；当λ1，λ2或者λ3，λ4同时消失时，表示在传输区域发生故障；当λ2或λ4能获得，而λ1或λ3消失时，表示监控和解调装置发生内部故障。信号显示与列控信号发生装置19根据λ1，λ2，λ3和λ4信号的各种组合，输出是否发生异物侵限事件，或者是何种类型故障的信号，以及相应的列控信号。
将按上述方法构建的双光路双区光纤异物侵限监测系统，安装在公路桥交叉跨越铁路地段的防护网，公铁并行和铁路正线的防护网，以及隧道入口顶部仰披和两侧边圾防护网等防护设施上，并将所输出的列控信号接入接口继电器，即可实现异物侵限的高可靠性监测。
Claims (3)
1.一种双光路双区光纤异物侵限监测方法，其特征在于：光源(12)发出的光通过第一光纤分路器(13)进入第一异物侵限监测光路，沿第一传输光纤网络(4)透过第一布喇格光栅(8)进入第一传感光纤网络(6)到达第二布喇格光栅(9)，第二布喇格光栅(9)的反射光λ2沿原传感网络光路返回，通过第一布喇格光栅(8)与第一布喇格光栅反射光λ1一起经第一传输光纤网络返回到第一光纤分路器(13)，进入第二光纤分路器(14)与第一啁啾光纤光栅或第一带通滤波器(15)，以及第二啁啾光纤光栅或第二带通滤波器(16)、第一光敏器件(17)、第二光敏器件(18)、信号显示与列控信号发生装置(19)，在由光源(12)发出的光通过第三光纤分路器(20)进入第二条异物侵限监测光路，沿第二传输光纤网络(5)透过第三布喇格光栅(10)进入第二传感光纤网络(7)到达第四布喇格光栅(11)，第四布喇格光栅(11)的反射光λ4沿原传感网络光路返回，通过第三布喇格光栅(10)与第三布喇格光栅反射光λ3一起经第二传输光纤网络返回到第三光纤分路器(20)，进入第四光纤分路器(21)与第三啁啾光纤光栅或第三带通滤波器(22)，以及第四啁啾光纤光栅或第四带通滤波器(23)、第三光敏器件(24)、第四光敏器件(25)、信号显示与列控信号发生装置(19)。
2.根据权利要求1所述的双光路双区光纤异物侵限监测方法，其特点在于：第一传输光纤网络(4)和第二传输光纤网络(5)的传输光纤采用铠装多芯光缆。
3.一种双光路双区光纤异物侵限监测装置，其特征在于：该异物侵限监测装置由监测区域(1)，传输区域(2)以及监控和解调装置(3)组成；监测区域(1)由第一传感光纤网路(6)和第二传感光纤网路(7)两套传感光纤网路组成，监测区域(1)同时还包括第一布喇格光纤光栅(8)、第二布喇格光纤光栅(9)、第三布喇格光纤光栅(10)和第四布喇格光纤光栅(11)，传输区域(2)也由两套传输光纤网路组成，第一传输光纤网路(4)和第二传输光纤网路(5)，监控和解调装置(3)由光源(12)，第一光纤分路器(13)，第二光纤分路器(14)，第一啁啾光纤光栅或第一带通滤波器(15)，第二啁啾光纤光栅或第二带通滤波器(16)，第一光敏器件(17)，第二光敏器件(18)，信号显示与列控信号发生装置(19)，第三光纤分路器(20)，第四光纤分路器(21)，第三啁啾光纤光栅或第三带通滤波器(22)，第四啁啾光纤光栅或第四带通滤波器(23)，第三光敏器件(24)和第四光敏器件(25)组成；
由光源(12)发出的光通过第一光纤分路器(13)进入第一异物侵限监测光路，沿第一传输光纤网络(4)透过第一布喇格光栅(8)进入第一传感光纤网络(6)到达第二布喇格光栅(9)，第二布喇格光栅(9)的反射光λ2沿原传感网络光路返回，通过第一布喇格光栅(8)与第一布喇格光栅反射光λ1一起经传输光纤网络返回到第一光纤分路器(13)，进入第二光纤分路器(14)与第一啁啾光纤光栅或第一带通滤波器(15)，以及第二啁啾光纤光栅或第二带通滤波器(16)、第一光敏器件(17)、第二光敏器件(18)、信号显示与列控信号发生装置(19)；
由光源(12)发出的光通过第三光纤分路器(20)进入第二条异物侵限监测光路，沿第二传输光纤网络(5)透过第三布喇格光栅(10)进入第二传感光纤网络(7)到达第四布喇格光栅(11)，第四布喇格光栅(11)的反射光λ4沿原传感网络光路返回，通过第三布喇格光栅(10)与第三布喇格光栅反射光λ3一起经传输光纤网络返回到第三光纤分路器(20)，进入第四光纤分路器(21)与第三啁啾光纤光栅或第三带通滤波器(22)，以及第四啁啾光纤光栅或第四带通滤波器(23)、第三光敏器件(24)、第四光敏器件(25)、信号显示与列控信号发生装置(19)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120111 Termination date: 20171117 |