CN106597423A - 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法 - Google Patents

一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106597423A
CN106597423A CN201611116616.0A CN201611116616A CN106597423A CN 106597423 A CN106597423 A CN 106597423A CN 201611116616 A CN201611116616 A CN 201611116616A CN 106597423 A CN106597423 A CN 106597423A
Authority
CN
China
Prior art keywords
train
signal
domain reflectometer
method based
time domain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201611116616.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106597423B (zh
Inventor
费树岷
丁宁
陈夕松
曹忠国
张良朝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NANJING RICHISLAND INFORMATION ENGINEERING Co Ltd
Original Assignee
NANJING RICHISLAND INFORMATION ENGINEERING Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NANJING RICHISLAND INFORMATION ENGINEERING Co Ltd filed Critical NANJING RICHISLAND INFORMATION ENGINEERING Co Ltd
Priority to CN201611116616.0A priority Critical patent/CN106597423B/zh
Publication of CN106597423A publication Critical patent/CN106597423A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106597423B publication Critical patent/CN106597423B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/12—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

Abstract

本发明提出了一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，该方法采用Φ‑OTDR采集列车行驶中的振动信息，对紧邻的两个不同时刻的信号进行差值计算，并采用阈值和基于小波变换的低通滤波处理，对处理后的差值信号进行幅值特征提取，根据幅值特征来区分有用信号和外界干扰信号，最后根据识别出的有用信号来确定列车当前位置、速度和行驶方向等信息。该方法仅使用现有的轨旁光缆，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，能为当前列车行驶提供一种可靠的辅助判断手段，对于列车安全行驶具有重要的潜在应用价值。

Description

一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法
技术领域
本发明为一种基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)技术的列车行驶轨迹检测方法，具体涉及光时域光纤传感技术和列车行驶轨迹检测领域，尤其是一种对列车行驶轨迹的在线实时检测的方法。
背景技术
实时准确掌握列车当前的行驶位置，对铁路运行安全至关重要。铁路轨道交通系统中的列车运行自动控制系统(ATC)，或高铁列车运行控制系统(CTCS)，其轨道电路在遭遇恶劣气象条件、雷电高压冲击或泥石流等地质灾害时，易造成电路系统故障，给行车安全带来隐患。而目前列车车载控制设备仅能依靠轨道电路、地面应答器或地面无线通信基站等地面设施提供的信号获取当前线路的信息，存在施工量大、维护成本高、抗电磁干扰能力差等缺点。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法。
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的信号之间的时间延迟来得到扰动的位置s＝v*t/2，其中t为系统从发射探测脉冲到接收所经历的时间；v为激光在光纤中传输的速度v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，约为3.0×108m/s，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。
本发明以Φ-OTDR为基础，首先对采集到的原始信号进行小波去噪处理，然后对紧邻的两个时刻记录的信号进行差值运算，并采用动态阈值和基于小波变换的低通滤波处理，最后根据识别出的有效信号确定列车行驶轨迹，具体包括以下步骤：
(1)通过相位敏感光时域反射计系统获得铁轨沿线后向散射光原始信号；
(2)对每条采集的原始信号进行去噪处理；
(3)计算两个紧邻时刻原始信号的差值；
(4)计算差值信号的动态阈值，并对差值信号进行阈值处理；
(5)对经过阈值处理后的差值信号进行滤波；
(6)对滤波处理后的信号进行幅值特征判断，大于等于阈值则判定为有效信号，并计算有效信号的持续长度；
(7)重复上述(1)-(6)步骤，通过发射探测脉冲光到接收到散射光所经过的时间来确定列车当前位置；通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度。
有益效果：
本发明提出了一种基于相位敏感光时域反射计技术的列车行驶轨迹检测方法，该方法仅使用现有的轨旁光缆，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，能为当前列车行驶提供一种可靠的辅助判断手段，对于列车安全行驶具有重要的潜在应用价值。
为解决Φ-OTDR在使用时基准变化的问题，本发明采用紧邻的两条信号进行相减，因时间间隔极短，所以作为系统基准在这两个时刻的变化非常小，使得这段时间基准的变化可忽略不计。
另外，对差值信号进行阈值处理，可以消除部分噪声，并进行基于db12小波变换的低通滤波处理，可以进一步提高去噪效果。
附图说明
图1 基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法流程图
图2 1570ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图
图3 3750ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图
图4 5905ms时刻的原始信号、差值信号和有效信号图
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的说明。
根据附图1的方法实施流程图所示，本发明首先利用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。该信号反映出铁轨沿线的振动信号，附图3和附图4中的原始信号类似，仅是时间上有差别。
本发明首先对采集到的原始信号进行小波去噪，采用的是基于sym8小波分解，采用MATLAB软件中已有的小波库函数实现。
为解决Φ-OTDR在使用时基准变化的问题，本发明采用紧邻的两条信号进行相减。具体做法如下：对同一检测路段进行连续信号采集，本发明中Φ-OTDR系统的探测脉冲重复发射频率为500Hz，即系统在发射一个很窄的探测脉冲以后，在距离下一个脉冲发射的周期内，会去接收整个检测路段上光纤的后向散射光。每个记录之间的时间相隔为t＝1/f＝2ms，在附图2中，就是利用当前时刻的记录减去2ms时刻之前的记录来获得差值信号。当然也可以根据实际需要取相隔2个或其它多个周期的时间间隔的记录做差值。本发明所取时间间隔为1个周期的记录做差值。采用短时间间隔的记录相减方法，可以克服铁路周围环境复杂、干扰多，以及Φ-OTDR光学仪器本身不稳定性带来的基准变化问题。
接下来进行差值阈值处理。对于阈值的确定，本发明采用动态确定方法，即首先取差值后的极值，然后对极值取绝对值，并从小到大进行排序，取排序后的极值数组中95％位置处的值作为阈值，这样可排除部分干扰。如附图2所示，对用一维离散数组表示的差值信号求极值，x(i+1)-x(i)，然后判断该数组中相邻两个数的符号：如果相邻符号不同且先正后负则该点为极大值，先负后正则为极小值。然后对求出的极值求绝对值|x(i)|并从小到大排序，取排序后95％位置处的值作为阈值。
将经过阈值处理后的差值信号进行进一步的基于db12小波变换的滤波处理。阈值处理以后的信号很不规整，也会有很多毛刺，会对观察和识别造成干扰，采用基于小波变换的低通滤波算法，可使得差值信号更易分类和识别。
db小波是一种具有阶层性质的小波，本发明采用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。
再对滤波处理以后的信号进行幅值特征判断，采用幅值与计算出的阈值进行比较，大于等于阈值的就是一段有效信号，并观察和记录有效信号的持续长度。如附图3中所示的经过处理以后获得的有效信号。现有动车和高铁的列车长度以400m为主，所以持续长度为300米以上的有效信号判定为是列车行驶的有效信号，并且该有效信号所处的位置就是此刻列车的位置，否则认定是异常或者外界环境的干扰信号。
通过发射出探测脉冲光到接收到散射光所经历的时间可以确定列车当前的位置，如附图中图2所示在1570ms时刻，检测路段上在距离检测位置1800m和6000m的距离处有列车在行驶；通过列车这两个时刻位置的不同，就可以判断出列车的行驶方向，观察附图2-附图4共计4张图中有效信号的变化，可以看出距离检测位置1800m的列车的行驶方向是驶近检测位置，而距离检测位置6000m的列车的行驶方向是驶离检测位置。
距离通过列车计算前后两个时刻位置和时间的差值可得出列车的速度，如附图2所示，1570ms时刻驶离检测位置的列车距离检测位置6000m，附图3中，3750ms时刻驶离检测位置的列车距离检测位置6060m。由速度vc＝Δs/Δt可得：
Δs＝6060m-6000m＝60m；
Δt＝(3750-1570)ms＝2.18s；
从而计算出速度vc＝60m/2.18s＝99.08km/h。

Claims (7)

1.一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于该方法基于轨旁光缆，具有以下步骤：
(1)通过相位敏感光时域反射计系统获得铁轨沿线后向散射光原始信号；
(2)对每条采集的原始信号进行去噪处理；
(3)计算两个紧邻时刻原始信号的差值；
(4)计算差值信号的动态阈值，并对差值信号进行阈值处理；
(5)对经过阈值处理后的差值信号进行滤波；
(6)对滤波处理后的信号进行幅值特征判断，大于等于阈值则判定为有效信号，并计算有效信号的持续长度；
(7)重复上述(1)-(6)步骤，通过发射探测脉冲光到接收到散射光所经过的时间来确定列车当前位置；通过列车两个时刻位置的不同，判断出列车的行驶方向；通过计算列车前后两个时刻位置和时间的差值计算出列车当前速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于采用的是基于sym8小波的去噪处理方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于动态阈值的确定采用如下方法：取差值信号中极值的绝对值，对结果从小到大进行排序，取排序数组中95％位置处的值作为动态阈值；所述阈值处理采用如下方法：信号绝对值大于等于该动态阈值，则保持不变，否则认为是噪声，把信号幅值置0处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于滤波算法采用基于db12小波变换的低通滤波算法。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于有效信号的认定采用如下方法：持续长度为300m以上的有效信号判定为列车行驶的有效信号，该有效信号所处位置为列车的当前位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于列车当前位置通过下式计算：
s＝v*t/2
其中，v为激光在光纤中传输的速度：v＝c/n，式中c代表的是光在真空中传输时的速度，n为光纤的固有折射率，其折射率根据采用的光纤来决定；t为相位敏感光时域反射计系统从发射探测脉冲到接收所经历的时间。
7.根据权利要求6所述的一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，其特征在于列车当前速度vc通过下式计算：
vc＝Δs/Δt
式中，Δt为两个时刻的差值，Δs为两个时刻对应的列车位置差值。
CN201611116616.0A 2016-12-07 2016-12-07 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法 Active CN106597423B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611116616.0A CN106597423B (zh) 2016-12-07 2016-12-07 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611116616.0A CN106597423B (zh) 2016-12-07 2016-12-07 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106597423A true CN106597423A (zh) 2017-04-26
CN106597423B CN106597423B (zh) 2019-01-04

Family

ID=58596296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611116616.0A Active CN106597423B (zh) 2016-12-07 2016-12-07 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106597423B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109920182A (zh) * 2018-12-29 2019-06-21 国网北京市电力公司 防护处理方法、装置、存储介质及电子装置
CN110890926A (zh) * 2018-09-11 2020-03-17 航天信息股份有限公司 一种解码方法及装置
CN111147133A (zh) * 2019-12-24 2020-05-12 武汉理工光科股份有限公司 一种基于φ-OTDR的车流量实时监测系统及方法
CN111742356A (zh) * 2018-03-27 2020-10-02 株式会社京三制作所 检测系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013205124A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Neolux Inc 光ファイバーセンサによる歪み又は温度の多点計測装置
CN103926588A (zh) * 2014-04-28 2014-07-16 无锡成电光纤传感科技有限公司 一种基于φ-otdr的轨道车辆定位和测速系统
CN104217513A (zh) * 2014-09-02 2014-12-17 浙江中欣动力测控技术有限公司 提高相位敏感光时域反射计识别入侵事件准确率的方法
CN104964699A (zh) * 2015-05-22 2015-10-07 北京交通大学 基于φ-OTDR光纤分布式扰动传感器的扰动判断方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013205124A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Neolux Inc 光ファイバーセンサによる歪み又は温度の多点計測装置
CN103926588A (zh) * 2014-04-28 2014-07-16 无锡成电光纤传感科技有限公司 一种基于φ-otdr的轨道车辆定位和测速系统
CN104217513A (zh) * 2014-09-02 2014-12-17 浙江中欣动力测控技术有限公司 提高相位敏感光时域反射计识别入侵事件准确率的方法
CN104964699A (zh) * 2015-05-22 2015-10-07 北京交通大学 基于φ-OTDR光纤分布式扰动传感器的扰动判断方法和装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUAREZ, JUAN C. 等: "Distributed fiber-optic intrusion sensor system", 《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》 *
郑印 等: "相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法", 《光子学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111742356A (zh) * 2018-03-27 2020-10-02 株式会社京三制作所 检测系统
CN111742356B (zh) * 2018-03-27 2022-09-20 株式会社京三制作所 检测系统
CN110890926A (zh) * 2018-09-11 2020-03-17 航天信息股份有限公司 一种解码方法及装置
CN109920182A (zh) * 2018-12-29 2019-06-21 国网北京市电力公司 防护处理方法、装置、存储介质及电子装置
CN111147133A (zh) * 2019-12-24 2020-05-12 武汉理工光科股份有限公司 一种基于φ-OTDR的车流量实时监测系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106597423B (zh) 2019-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2809565B1 (en) Detecting train separation
CN106597423B (zh) 一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法
CN108603785B (zh) 用于监视铁路网络的分布式光纤感测
CN103926588B (zh) 一种基于φ-otdr的轨道车辆定位和测速系统
CN201191221Y (zh) 分布式光纤振动传感系统扰动信号判别模块
CN106828543A (zh) 一种光纤分布式列车监测系统
CN108875684A (zh) 基于光纤感测时频图处理的列车运行状态参数估计方法
CN106662483A (zh) 铁轨轮组中的异常检测
CN108845028A (zh) 一种高速铁路钢轨波磨动态检测方法和装置
CN106741009A (zh) 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
RU2011118415A (ru) Способ мониторинга железных дорог на основе волоконной оптики
EP2817604A2 (en) Monitoring transport network infrastructure
CN106043356A (zh) 一种城轨列车轮缘顶点圆直径在线检测方法及系统
CN105067104A (zh) 一种复合型光纤传感系统和传感方法
CN104568120B (zh) 一种复合原理光纤传感系统和传感方法
CN110631681A (zh) 一种基于光纤分布式振动监测的高铁铁轨安全运行检测方法
CN106710212A (zh) 一种基于高速公路交通状况监测系统的监测方法
CN101299635B (zh) 宽域全光纤扰动信号前-后判别装置及方法
CN108732614B (zh) 一种基于分布式声学传感器的在线铁路监测系统及方法
CN110285877A (zh) 基于Spark Streaming的列车实时定位跟踪与速度计算方法
RU2015126543A (ru) Определение местоположения транспортного средства
CN109120336A (zh) 基于相位敏感光时域反射传感器的防误警漏警方法
IWATA et al. Improved algorithms of seismic parameters estimation and noise discrimination in earthquake early warning
Zhang et al. Railway traffic monitoring with trackside fiber-optic cable by distributed acoustic sensing Technology
JP2024514865A (ja) 電柱の危険事象の位置特定

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant