CN107356271A - 基于光纤的交通和基础设施监测系统 - Google Patents

基于光纤的交通和基础设施监测系统 Download PDF

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Abstract

在光学传感器系统(10、20)和交通基础设施的布置中，交通基础设施具有用于提供车辆(90)的运输元件(92)的支承的交通承载表面(51)，从而允许车辆在交通承载表面之上的移动。光学传感器系统(10、20)包括询问器(10)和布置在交通承载表面之下的、联接至询问器的至少一个光纤传感器(20)。至少一个光纤传感器(20)包括光纤(21)，光纤(21)具有在其长度之上分布的多个光学应变传感器元件(22)。多个光学应变传感器元件(22)具有相互不同的光学特性，例如，相互不同的特征波长。询问器(10)配置成将光学询问信号传送至至少一个光纤传感器中，以接收由所述光纤传感器调制的响应光学信号，并且识别由于车辆(90)的运输元件(92)在交通承载表面(51)之上穿过所述至少一个光纤传感器移动而在所述光学应变传感器元件中诱发的应变所导致的响应光学信号的光学特性的变化。其中，至少一个光纤传感器(20)在至少大致平行于交通承载表面的方向中至少大致沿直线延伸。

Description

基于光纤的交通和基础设施监测系统
背景技术
随着交通基础设施使用的增加，在交通管理和执行与车辆特定道路的限制有关的各种规定以及维护周期的规划的领域中引起各种挑战。为了解决这些问题，对于监测道路交通的需要不断增长。交通的监测需要从道路记录多个参数：车辆的大小和重量、车辆速度、以及每个车辆在道路中引起的变形。然而，当前的道路监测系统涉及太多单独的电子测量元件：感应环、雷达、相机和运动称重系统。具有用于每个单元以及至系统的每个部分的信号和电源连接的数据采集单元的这种配置将导致昂贵的安装。
EP2372322指出，通过使用例如设计为设置在单个光纤中的光纤布拉格光栅的光学传感器，可以实现布线数量的减少。其中公开的传感器装置包括相对于车道横向地设置在车道下方的细长的支承件。支承件设置有多个测量区域，测量区域在支承件的纵向方向上由中间区域彼此隔开。测量区域在垂直于车道的方向上的轴向刚度大于中间区域在垂直于车道的方向上的轴向刚度。每个测量区域设置有至少一个传感器，以响应大致垂直于车道施加的力来测量该测量区域的变形。细长支承件由工字梁提供。当车辆穿过车道时，工字梁随后沿第一方向变形、呈现中性状态以及沿与第一方向相反的第二方向变形。在第一方向上的变形期间，工字梁的前侧上的光学传感器随后由工字梁压缩、呈现中性状态以及被拉伸。工字梁的相对侧上的光学传感器随后被拉伸、呈现中性状态以及被压缩。光学传感器例如被设计为光纤布拉格光栅。
支承件可以设置有保护套筒，以保护传感器的操作不受环境影响，支承件可选地包含在具有基部和垂直侧壁的槽形壳体中。公知的传感器装置相对昂贵。保护套筒不是绝对必须的。在没有该保护套筒的情况下，工字梁的凸缘之间的空间将填充有沥青或用于构造车行道的其它材料。通常，凸缘之间的空间将仅部分地填充，并在填充到不能预测的程度。这对于通过传感器装置所获得的测量结果的可靠性和精度是不利的。另外，应注意的是，工字梁是改变待测量的物理特性的中间元件，因此，测量的特性是交通对基础设施的间接影响，而不是反映此类基础设施的真实行为。
另外，工字梁的使用需要更多的空间以适当地安装，这限制了可放置在监测装置上的每线性仪表(linear meter)的传感器的数量。
此外，由于工字梁d连续的形状因子，使用工字梁可导致串扰后续传感器，从而在测量中引入误差。
发明内容
本发明的目的是提供光学传感器系统和交通基础设施的改进的布置。
根据本发明的布置在权利要求1中要求保护。在所要求保护的布置中，至少一个光纤传感器包括光纤，光纤具有在其长度上分布的多个光学应变传感器元件，多个光学应变传感器元件具有相互不同的光学特性。具体地，多个光学应变传感器元件各自具有对光学应变传感器元件经受的应变量灵敏的相应特征波长。至少一个光纤传感器设置有至少一个锚固元件，至少一个锚固元件在相互间邻的光学应变传感器元件之间围绕至少一个光纤传感器延伸。至少一个锚固元件相对于至少一个光纤传感器的纵向方向径向延伸，并且在至少一个光纤传感器与至少一个光纤传感器所嵌入的交通之间提供紧密机械联接。
出人意料的是，通过使用根据本发明的传感器系统，提供的是对道路行为几乎没有影响的高精度测量系统，从而可以以更精确的方式对该行为建模。
至少一个光纤传感器光学地联接至询问器，询问器周期性地扫描包括所有光学应变传感器元件的特征波长的波长范围中的波长。
使用具有至少10nm，优选至少100纳米，例如约40nm的测量范围的询问器，在至少一个光纤传感器的纵向方向上以高空间分辨率进行测量是可能的。此外，询问器优选具有至少500Hz，优选至少2000Hz，例如1000Hz量级的记录速度。
另外，询问器应当具有动态分辨率，该动态分辨率能够利用在子微微米范围内、以及优选地在0.1微微米或更好的范围内的分辨率以跟踪与光纤传感器中的每个相对应的特征波长。
根据本发明的测量布置使得可以仅利用光学方式以高精度确定大量测量数据，诸如关于车辆速度、车辆类型、车辆负载、车辆负载不对称性等的数据。
测量布置还能够监测基础设施的状况。例如，传感器的传感器元件的特征波长的系统偏差的出现可以指示基础设施的构造变形。如上所述，这种基础设施优选地是铁路或道路。
至少一个光纤传感器可以是多个光纤传感器中的一个。
在后文中，光纤传感器还可以表示为“传感器”，并且光学应变传感器元件还可以表示为“传感器元件”。词语交通基础设施还可以表示为“基础设施”。
附图说明
参考以下附图更详细地描述了这些和其它方面。在附图中：
图1示意性示出了光学传感器系统和交通基础设施的布置的第一实施方式和第二实施方式；
图1A示出了根据图1中的IA-IA的截面；
图2更详细地示出了嵌入式光纤传感器的部分；
图3示出了根据图1中的III-IIIV的穿过交通基础设施的截面；
图4a示意性示出了在车辆的运输元件穿过时，单个光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)；
图4b示意性示出了在时间窗口中对应于车辆穿过的单个光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)；
图4c示意性示出了在所述时间窗口中单个光纤传感器中的所有光学应变传感器元件的响应；
图5示出了第一实施方式的实验器具的附加细节；
图6示出了在该实验器具中使用的光纤传感器的示例性反射光谱；
图7a、图7b和图8示出了在执行5轴卡车通过其中的第一测量阶段中所获得的结果；
图7a示出了用于图5中最左边光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；
图7b示出了用于图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；
图8以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向位置的函数的、用于最左边光纤传感器的测量响应；
图9a、图9b和图10a、图10b示出了在执行私人汽车通过其中的第二测量阶段中所获得的结果；
图9a示出了用于图5中最左边光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；
图9b示出了用于图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移；
图10a以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最左边光纤传感器的测量响应；
图10b以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最右边光纤传感器的测量响应；
图11、图12a和图12b示出了在执行自行车通过其中的第三测量阶段中所获得的结果；
图11示出了用于图5中除最右边光纤传感器之外的一个光纤传感器的各个光学应变传感器元件的作为时间和横向于交通方向的方向上的距离的函数的FBG峰值偏移；
图12a以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最左边光纤传感器的测量响应，；
图12b以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最右边光纤传感器的测量响应；
图13a、图13b和图13c示意性总结了上述测量的结果；
图14示出了光学传感器系统和交通基础设施的布置的第三实施方式。
具体实施方式
图1示意性示出了光学传感器系统10、20和交通基础设施50的布置1。交通基础设施50具有交通承载表面51，交通承载表面51用于为车辆90的运输元件92提供支承，从而允许车辆在交通承载表面51上的运动。在示例中，所示出的交通基础设施是双车道道路，但是可以设想替代道路类型，例如单车道道路、高速公路道路、自行车道。在另一些实施方式中，交通基础设施是类似于铁路轨道的轨道。通常，运输元件92是车轮，例如汽车或火车的车轮。然而，该布置同样适用于具有如履带或雪橇滑板的其他类型的运输元件的车辆。
光学传感器系统10、20包括询问器10和联接至询问器的至少一个光纤传感器20。如图1中所示，至少一个光纤传感器20优选地在横向于交通基础设施的纵向方向52的方向上在交通承载表面之下延伸。然而，至少一个光纤传感器20可以替代地在另一方向上延伸。如图1所示，至少一个光纤传感器20可以是诸如20a、…、20n的多个光纤传感器中的一个，多个光纤传感器可以彼此平行布置。替代地，多个光纤传感器中的光纤传感器可具有相互不同的方向。如图2中更详细地示出，至少一个光纤传感器20包括光纤21，光纤21具有分布在其长度上的多个光学应变传感器元件22。在一个实施方式中，多个光学应变灵敏元件之间的间隔几乎相同。在另一实施方式中，感测元件的密度沿着纤维的长度变化，使得感测元件在纤维的一些部分中更紧密地隔开(例如，可预期出现轮胎的、靠近车道边缘的地方)，并且在其他位置(例如，车道的中心)较不密集，以从道路上的轮胎负载获得更可靠和准确的数据。多个光学应变传感器元件22具有相互不同的光学特性。具体地，由于多个光学应变传感器元件22具有相互不同的无约束反射峰或相互不同的无约束吸收峰，从而多个光学应变传感器元件22具有相互不同的光学特性。这里使用的措辞“无约束”是指在交通基础设施的表面无负载的情况下。询问器10配置成将可变波长的光学询问信号发送至至少一个光纤传感器中，以接收已经由光纤传感器基于其光学特性调制了的响应光学信号，并且识别由光学应变传感器元件中诱发的应力所导致的响应光学信号的光学特性的变化，光学应变传感器元件中所诱发的应力是由于车辆的运输元件92跨过至少一个光纤传感器在交通承载表面51上移动的结果。询问器还配置成获得指示响应光学信号的时间模式的形状的一组信号特征。光学应变传感器元件22例如光纤布拉格光栅(FBG)。然而，也可以应用其它光学应变灵敏元件，例如纤维激光器、使用(非应变)FBG或使用替代方法形成的干涉仪。
光学传感器系统还包括预处理器80，预处理器80联接至询问器10的输出，以接收来自询问器的感测数据。预处理器将感测数据进行预处理后传输至中央服务器。
图1A示出了根据图1中的IA-IA的通过交通基础设施50的截面。在图1和图1A中，可以看出，至少一个光纤传感器20至少大致沿着在至少大致平行于交通承载表面51的方向上的直线延伸。如果至少光纤传感器的嵌入基本设施中的部分中的任何地方都不具有小于5m的曲率半径，则认为光纤传感器大致沿直线延伸。优选地，曲率半径在任何地方都不小于20m。由于至少一个光纤传感器20至少大致沿直线延伸，所以其中的光学损失极低，并且光纤的寿命增加，从而减轻了维护和再校准的需求。
在一些实施方式中，光纤的外部部分(即在交通基础设施以外延伸的部分)可具有例如以便于与其它元件的连接的较小的曲率半径。外部部分可以比内部部分(即嵌入在交通基础设施中的部分)更容易地更换，从而适度的故障风险是能够接受的。
如果光纤传感器至由交通承载表面51限定的平面的距离变化不超过30％，则光纤传感器可被认为至少大致平行于交通承载表面51延伸。换言之，光纤传感器的深度可在D-0.15*D与D+0.15*D之间变化，其中D是深度的平均值。优选地，深度变化甚至小于20％或更优选地小于10％。
如图2中更详细地示出，至少一个光纤传感器20设置有至少一个锚固元件25，至少一个锚固元件25在相互间邻的光学应变传感器元件22之间围绕至少一个光纤传感器延伸。至少一个锚固元件25在横向于至少一个光纤传感器20的纵向方向的平面中具有圆周，在光学应变传感器元件的位置处，该圆周至少是光纤传感器在横向于所述纵向方向的平面中的圆周的1.5倍。锚固元件的圆周可以例如在光纤传感器的圆周的5至30倍的范围中。至少一个锚固元件25为至少一个光纤传感器20提供与车道牢固的纵向联接。在所示的实施方式中，锚固元件设置在每对间邻的光学应变传感器元件22之间。锚固元件25可具有长度LA，长度LA为所述相互间邻的光学应变传感器元件22之间的距离DS的0.1倍至0.7倍。在所示示例中，相互间邻的光学应变传感器元件22以5厘米至20厘米的距离DS间隔开，并且在它们之间的锚固元件25具有例如2厘米至5厘米的几厘米的长度LA。以这种方式，在向道路层提供坚固的锚定和联接的同时，在光学应变传感器元件22中保留了相对高的灵敏度。由于锚固元件25设置有切向延伸的凹槽251，因此能够获得对光纤传感器20的进一步改进的锚定。
在所示实施方式中，光纤传感器20具有环绕光纤21的防滑涂层24。确定锚固元件之间的光纤传感器的外表面的防滑涂层24具有直径dns，直径dns在1毫米至3毫米的范围中。锚固元件可具有直径dan，直径dan在5毫米至15毫米的范围中。防滑涂层甚至还改进与基础设施的交通承载层55的机械接触，其中，光纤嵌入交通承载层55中。另外，防滑涂层24加强了光纤，同时保留可以检测机械变形的高分辨率。利用外径在光纤21的外径的2倍至20倍的范围中的防滑涂层可以实现良好的结果。作为示例，光纤传感器20可具有直径为约0.15毫米的光纤，该光纤设置有具有约1毫米至3毫米的外径的防滑涂层。在图2所示的实施方式中，防滑涂层24是由玻璃纤维增强聚合物(GFRP)制成。中间层23(例如，聚酰亚胺的)可布置在光纤21与防滑涂层24之间，用于后两个元件之间的更好粘附，并且用于在生产过程中保护玻璃纤维。
根据情况，将一个或多个光纤传感器20集成在基础设施50中的各种选择是可能的。当构建新道路或在现有道路的实质维护和修复的活动期间时，光纤传感器20可布置在支承层与由支承层承载的交通承载表面51之间。以这种方式，仅需要适度的工作量来提供该布置。在其他情况下，如图3所示，光纤传感器20可布置在限定交通承载表面51的交通承载层55内侧的沟槽53中。为此目的，例如具有几厘米宽度的相对窄的沟槽53是足够的。在光纤传感器20布置在沟槽53中之后，沟槽53可以填充有如柏油或沥青的填充材料54。在具体实施方式中，交通承载层55可包括一组子层，并且光纤传感器20可布置于这些子层中的至少一个中，优选地，光纤传感器20不布置于最靠近交通承载表面51的子层上。
已经发现，交通基础设施通常具有中性轴线56。在中性轴线的深度处，穿过交通在横向于基础设施的纵向方向的方向上基本上不引起应变。光纤传感器20应当布置于深度z1、深度z2处，深度z1、深度z2与交通基础设施50的中性轴线56的深度zn充分地间隔开。中性层56的深度zn可根据情况而变化，并且可使用模型计算来估计或者可测量深度zn的精确的深度值。取决于用于交通基础设施的材料，中性轴线可例如处于相对于交通承载表面51的5cm至20cm范围内的深度处。如果光纤传感器20布置在中性轴线56在深度zn之上的深度z1处，则深度z1优选地大于2cm，优选地大于5cm。这是有利的，因为在道路的维护期间，能够将上表面移除而不损坏光纤传感器20。如果光纤传感器20布置在中性轴线56之下，由于测量的空间分辨率可随着深度而逐渐减小，因而深度z2优选地不能过大。例如，如果在中性轴线56下方的光纤传感器20布置于zn的1.5倍至2倍或至3倍的深度处，则可以获得良好的结果。
应该注意的是，在中性轴线56的上方和下方的传感器不是互相排斥的，因此，也可通过在中性轴线56之上实施一系列传感器和/或在中性轴线56的下方实施另一系列传感器来达到良好的结果。
如下所述，还可以设想的是，通过使用使运输元件的特性和/或其动力学状态与时间模式的形状相关联的模型来配置询问器以获得一组信号特征。
图4a示意性示出了当车辆的轮胎在交通承载表面51之上穿过时产生的用于光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)。时间信号模式Δλ(t)具有大致对称的形状。示例性形状参数是其高度(Δλmax)和其宽度(例如，由其全宽度半最大值(Δtfwhm)指定)。
高度Δλmax表示由轮胎施加在道路表面上的压力，轮胎的压力转而由该轮胎承载的车辆的重量的部分和轮胎的尺寸确定。时间信号模式的宽度取决于轮胎的特性、车辆的速度、交通承载层55和支承层(如果设置有这样的层)。
甚至可以通过对轻微不对称性(例如，在上升时间Δtr和下降时间Δtr之间)的分析从时间信号模式中得到更进一步的信息。另外，可以单独地确定时间信号模式的左边半最大值至峰值之间的一段时间，以及时间信号模式的峰值与右边半最大值之间的一段时间。
与穿过交通基础设施的车辆的单个轮胎相关联的时间模式的形状已经可以用于指示车辆的类型。例如，由时间信号模式的峰值的高度Δλmax所指示的由轮胎施加的压力已经可以指示车辆的重量等级。例如，其可以指示车辆是卡车还是客车。此外，如果从其他参数确定车辆的速度，则轮胎的时间信号可以指示轮胎与道路的接触表面积。
如参考图4b所表明的，还使用与车辆的穿过相关联的时间模型的形状的全局方面使得其可以得到更详细和更准确的信息。图4b示意性示出了用于全时间窗口的光学应变传感器元件的时间信号模式Δλ(t)，其中车辆在交通承载表面51上穿过。在这种情况下，完整的时间模式包括5个峰值，每个峰值对应车辆在其一侧上的每个轮胎在光学应变传感器元件之上的穿过。
形状的一个全局方面是时间模式中的峰值数，在这种情况下为五个。此外，车辆的重量分布可以从峰值的相对高度推测。
可以恢复的其他方面是例如在时间模式中的峰值之间所确定的相对时间间隔。
例如，可以确定下述相关测量α1、α2和α3。
这些测量指示车辆的尺寸，但独立于车辆的速度。替代地，如果利用其它方式估计车辆的速度，则可以确定车辆的绝对尺寸，即每对车轴之间的距离。
询问器10还可配置为使从车辆的多个运输元件获得的信号特征相互关联，并使用所述相互关联的信号特征来估计所述车辆的性质。
如图4c中所示，例如可以组合从多个光学应变传感器元件获得的结果以获得进一步的信息。图4c示意性示出了在单个光纤传感器中的所有光学应变传感器元件的响应。其中，指示测量时间的水平轴线对应于图4b中的水平轴线。垂直轴线表示光学传感器元件在光纤传感器的纵向方向上的位置，即在这种情况下该位置横向于道路的纵向方向。传感器的响应通过影线示意性示出。深影线表示峰值波长的增加，并且浅影线表示峰值波长的降低或可忽略的变化。在图4c的描述中，由于第一对轮胎穿过光纤传感器上方的道路，布置在位置x1和x3周围的光学应变传感器元件在以t1为中心的时间间隔中显示为它们峰值波长的增加，其中，光纤传感器布置在道路中。在相同的时间间隔中，由于压应力，即使在较小的振幅处，布置在中间位置例如x2周围的光学应变传感器元件显示为它们峰值波长的减小。同样，相对于车辆所遵循的轨迹横向布置在例如x4处的光学应变传感器元件，显示为在该时间间隔中它们的峰值波长的减小。对以t2、t3、t4和t5为中心的时间间隔重复相同的模式，t2、t3、t4和t5与其他轮胎对穿过光纤传感器上方的道路的时间间隔相对应。
由询问器这样获得的模式(例如，如图4c所示)可以被解释为代表空间模式，其中垂直轴(X)表示车辆的横向尺寸，并且其中水平轴(t)(测量之间的时间延迟)表示纵向尺寸，该纵向尺寸由车辆速度和检测到的特征的时间差的乘积来定义。因此，该模式可以被认为是车辆的多个轮胎的空间足迹。具体地，空间足迹指示车辆的运输元件相对于彼此的位置。另外，空间足迹可指示由车辆的各个运输元件施加的压力，即施加较高压力的轮胎导致在传感器元件的特征波长中的较大偏移。
在所示的实施方式中，光学应变传感器元件布置在光纤传感器的纵向方向上相对于彼此10cm的距离处。这使得能够精确地估计车辆的轮胎在道路的横向方向上的位置。这还便于测量车辆的相同轴上的轮胎之间的距离。
以这种方式获得的空间信息还可以用于识别车辆并且用于在高密度交通的情况下分离(demultiplexing)所检测到的光学信号。例如，当在时间点t2处识别以x1'和x3'为中心的光学应变传感器元件的峰值波长的增加时，更有可能的是，与存在实质性差异的情况相比，如果x1'和x3'的值分别与x1和x3的值大致相同，则这些观察来自相同的车辆。
替代地能够处理由光纤传感器中的光学应变传感器元件组产生的整个空间响应模式，而不是仅使用感测到的由穿过的车辆最直接影响的传感器元件的光学信号，此处传感器元件布置在位置x1和位置x3附近。即，在每个时间点，光学应变传感器元件组提供空间信号模式Δλ(x)，其中x是每个光学应变传感器元件的位置。空间信号模式Δλ(x)可例如提供至经过训练的神经网络。后者可以例如训练成指示车辆种类、车辆的横向位置、负载的不对称性等中的一个或多个。
根据另一种途径，询问器配置成将检测的光信号的时间模式与对应的储存的时间模式进行比较，并提供这样一种输出信号，即，该输出信号指示与检测的光学信号最佳匹配的存储的时间模式，并且作为信号特征来指示所检测的光学信号的时间模式的形状。
替代地，询问器可被配置为应用曲线拟合算法，即通过使用将所述运输元件的属性和/或其动力学状态与时间模式的形状相关联的模型来推导信号特征的集合，并且仅存储基本信号特征以能够复制测量作为这些基本信号特征的函数。
实验建立
利用如图5所示的第一实施方式的实验器具进行实验。该布置包括四个光纤传感器20a、20b、20c、20d，它们嵌入在具有交通承载表面51的道路中。道路具有由箭头52表示的纵向方向。四个光纤传感器20a、20b、20c、20d横向于该方向延伸，即在道路的横向方向中延伸。最左侧的光纤传感器20a、20b彼此接近地嵌入在交通承载表面51下方6cm的深度处，并且最右侧的光纤传感器20c、20d彼此接近地嵌入在交通承载表面51下方11cm的深度处。用于这些实验的道路的中性轴线在约8.5cm的深度处计算。
两个最右侧的光纤传感器20c、20d布置在与两个最左侧的光纤传感器20a、20b相距1.5m的距离处。光纤传感器20a具有从道路的设置有光学应变传感器元件的一侧的0.8m至4m处延伸的第一纵向部分。在图5中，道路的具有D<4m的第一侧用附图标记51A表示。道路的具有D>4m的第二侧用附图标记51B表示。光纤传感器20b具有从道路的一侧的4m处延伸至道路的设置有光学应变传感器元件的相对侧的第二纵向部分。光纤传感器20c具有从道路的一侧的4m处延伸至道路的设置有光学应变传感器元件的相对侧的第二纵向部分。在一个实施方式中，光纤传感器20d具有从道路的设置有光学应变传感器元件的一侧的约0.8m至4m处延伸的第一纵向部分。光纤传感器20a、20b、20c、20d中的每个具有以10cm的规则间隔隔开的30个光纤传感器元件。图6示出了处于中性、非应变状态的光纤传感器中的一个的示例性反射波谱。光纤传感器中的光学应变传感器元件中的每个具有各自的窄反射峰。在该示例中这些峰的光谱间距为约1.2nm。车辆在交通基础设施上跨过光学应变传感器元件移动而导致的应变的出现造成该传感器元件的峰值波长(特征波长)的偏移。
光纤传感器20a、20b、20c、20d联接至光纤询问器(子)系统10。在用于实验建立的实施方式中，FBG询问器10具有40纳米的测量范围，记录速度为1000Hz，并且波长追踪分辨率为约0.1微微米。
实验结果
使用5轴卡车进行第一测量阶段。卡车以约30km/h的速度以与箭头52相反的方向行驶在道路的第二侧51B之上。
图7a示出了在3s的时间间隔中(即从t＝15s至t＝18s)测量的用于图5中最左边光纤传感器20a的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移。峰值偏移展示了时间模型，其全局特征在于存在5个极值，并且其局部特征在于峰的形状。
光学应变传感器元件根据其在光纤传感器20a中的纵向位置相对于车辆的运输元件(轮胎)的横向位置不同地响应。根据传感器元件在传感器20a中的横向位置，它们各自的响应曲线的极值在时间点15.6s处具有约-20pm至约+10pm的值，其中时间点15.6s与轮胎在第一轴上的穿过相对应。大致在经过的轮胎之下的光学应变传感器元件经受拉伸应力，导致它们的峰值波长暂时增加。布置在横向布置的经过的车辆轮胎之间的光学应变传感器元件经受压缩应力，导致它们的峰值波长暂时的减小。
图7b示出了在相同时间间隔中测量的、用于图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器20b的各个光学应变传感器元件的作为时间的函数的峰值偏移。当轮胎在第一轴上穿过时，该传感器20a中的传感器元件具有值在约-25pm至约+3pm范围内的极值。
图8以色彩编码的二维图示出了作为时间(ms)和在横向方向上的位置(dm)的函数的、用于光纤传感器20c的测量响应。在该图中，由光纤传感器20a之上的卡车的五个轴中的每一个中的每一对轮的穿过所引起的偏差是清楚可见的。在水平轴时间为t＝15.4秒的位置处，分别在约1.25m和约3.25m的垂直位置处，可以看到第一对轮的穿过。接下来的各对轮随后在时间点为15.9s、16.7s、16.9s和17.1s处的相同的各垂直位置处穿过。
图9a、图9b和图10a、图10b示出了在对以62km/hr的速度经过的VW高尔夫私家车执行的第二测量阶段中所获得的结果。
图9a示出了图5中最左边光纤传感器20a的光学应变传感器元件的叠加响应曲线。每个响应曲线表示以nm为单位的峰值波长作为以s为单位的时间的函数的变化。响应曲线各自在t＝4.75s和t＝4.92s时有极值。取决于传感器元件在传感器20a中的纵向位置，极值具有在-5pm至1pm范围内的值。对于对应于汽车的轮胎穿过传感器20a的光学应变传感器元件的第一组CR1的响应曲线，极值是最小值。对于光学应变传感器元件的剩余组CR2，极值是最大值。
图9b示出了图5中除最左边光纤传感器之外的一个光纤传感器20b的光学应变传感器元件的叠加响应曲线，该光纤传感器20b在交通基础设施的另一半下方延伸。未检测到超过噪声等级(具有约0.3pm的幅值)的响应。
图10a以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最左边光纤传感器20a的测量响应。在该图中，清楚可见的是，位于约0.6m和约2.1m的横向位置处的光学应变传感器元件显示出约-5pm的最强响应。
图10b以颜色编码的二维图示出了作为时间和横向方向上的位置的函数的、用于图5中最右侧光纤传感器20d的测量响应。此处，上述横向位置处的光学应变传感器元件在时间点4.67s和4.82s处显示出约+3pm的最大偏差。
图11和图12a、图12b示出了对穿过图5中光纤传感器的自行车执行的第四测量阶段中所获得的结果。图11示出了作为时间的函数的光学传感器20d的传感器元件的响应(FBG峰值偏移)的叠加。另外，在对应于自行车穿过光纤传感器20d的位置的纵向位置处，传感器元件的响应中的峰值p1、p2是清楚可见的。
图12a示出了对光纤传感器20d测量的响应的另一表示，即作为颜色编码的二维图。其中，颜色(或灰度值)表示作为时间(以ms为单位)和基础设施在横向方向上(传感器20d的纵向方向)的位置(以dm为单位)的函数的响应的值。同样在该图中，峰值p1、p2分别在位置坐标50dm和时间坐标3400ms和3600ms处清楚可见。图12b在相应的图中示出了对光纤传感器20a测量的响应。在负载道路上布置的更浅的传感器20a在自行车穿过时显示出负响应峰值。
图13a至图13c对利用上述测量而获得的结果进行总结。图13a涉及如参照图7a、图7b和图8更详细地描述的利用5轴卡车进行的测量。图13a示意性示出了布置在轮胎92穿过交通承载表面51的位置下方约11cm处的传感器20c的传感器元件显示出约15pm的正峰值，即这些传感器元件的特征波长增加约15微微米。因此，车辆的轮胎在这些位置处的穿过导致在交通基础设施内由箭头SC1、SC2所指示的轻微的局部拉伸。由于交通基础设施与传感器20c之间的纵向联接，具体是由锚固元件25辅助的联接，从而该局部拉伸可以被测量为相关传感器元件的特征波长的增加。
图13b涉及如参照图9a、图9b、图10a、图10b更详细地描述的利用私家车进行的测量。在这些测量中，在轮胎的穿过位置之下的相对的位置处(即在中性轴线56之下)再次观察到轻微的局部拉伸SC1、SC2。另外，在中性轴线56上方、轮胎穿过的位置的下方的位置处观察到由箭头CP1、CP2指示的轻微的局部压缩。再次，光纤传感器20a、20d之间的紧密纵向联接，能够使这些拉伸SC1、SC2和压缩CP1、CP2的测量作为相关传感器元件的特征波长的偏移。在这些传感器中。
图13c涉及如图11和图12a、图12b中更详细地描述的利用自行车进行的测量。再次如图13c所示，可以在相对浅的等级测量压缩(即在中性轴线56之上)，并且可以在相对深的等级测量拉伸(即在中性轴线56之下)。
总之，根据本发明的测量布置使得能够仅使用光学方式并且以高精度来确定与使用基础设施的车辆相关的大量测量数据，诸如关于车辆速度、车辆类型、车辆负载、车辆负载不对称等数据，而且也适用于基础设施本身。例如，传感器的传感器元件的特征波长的系统偏差的出现可指示道路的构造变化。
然而，测量布置可用附加方式扩展以获得附加测量数据。
作为示例，图14示出了可选的布置，其中可以使用数据集成模块70将光学传感器系统10、20与视觉数据采集系统60可选地组合。视觉数据采集系统60至少包括相机61，相机61用于监测至少一个光纤传感器附近的交通。相机可例如具有从光纤传感器20在交通承载表面下方延伸的位置之前的10m处延伸至该位置10m之外处的视场。图像处理系统62提供指示在相机的视场中所监测的感测视觉特征的输出数据。数据集成模块70将由传感器系统10、20提供的输出数据与由视觉数据采集系统60提供的输出数据组合。数据集成模块70基于输出数据中的信号特征的出现时间来关联这些系统的输出数据。在检测到限制被侵犯时(例如，重量限制、速度限制和/或车辆的轴数)，数据集成模块可将该检测与由图像处理系统62为该时间点提供的牌照信息相关联。相机的视场与光纤传感器20的位置重叠不是绝对必要的。如果相机的视场在光纤传感器的位置之前或之后，则数据集成模块70可使用车辆的估计速度来补偿输出信号的获取时间差。例如，视野可以是在该位置之前100米至该位置之后100米距离之上延伸的区域的任何子区域，例如从该位置之前70米延伸至该位置之前60米的子区域。然而，优选地，相机的视场接近光纤传感器的位置，以减小由于车辆速度的变化或车道的变化而引起的系统的输出数据的相关性中的任何误差。
另外，本发明不仅可以用于精确测量诸如速度或重量的物理参数，还可以用作检测在基础设施内车辆的存在的机构，从而充当用于诸如信号装置、相机、关口等其他类型装置的触发机构。
应当注意的是，本发明设想在不同应用中尤其有效的不同实施方式。
作为在交通基础设施是道路(汽车、摩托车或自行车)的情况下的示例，尤其有利的是使用根据本发明的布置，其中至少一个光纤传感器(20)布置在横向于交通基础设施(50)的纵向方向的方向中。
另一方面，在交通基础设施是铁路轨道的情况下，尤其有利的是使用其中光纤传感器(20)布置在沿着交通基础设施(50)的方向的纵向方向中的布置。特别优选地是，此类传感器位于轨道的顶表面之方并且附接至轨道的顶表面。

Claims (33)

1.交通基础设施(50)和光学传感器系统(10、20)的布置，所述交通基础设施具有交通承载表面(51)，所述交通承载表面(51)支承车辆(90)的运输元件(92)，从而允许所述车辆在所述交通承载表面上运动，
所述光学传感器系统(10、20)包括询问器(10)和至少一个光纤传感器(20)，所述至少一个光纤传感器(20)联接至所述询问器，并且所述至少一个光纤传感器(20)布置在所述交通承载表面之下，所述至少一个光纤传感器(20)包括光纤(21)，所述光纤(21)具有分布在其长度之上的多个光学应变传感器元件(22)，所述多个光学应变传感器元件(22)具有相互不同的光学特性，
所述询问器(10)配置成将光学询问信号发送到所述至少一个光纤传感器中，接收已经由所述光纤传感器基于其光学特性调制的响应光学信号，并识别由所述光学应变传感器元件中的应变所导致的所述响应光学信号的所述光学特性的变化，所述光学应变传感器元件中的应变是由于车辆(90)的运输元件(92)在所述交通承载表面(51)之上穿过所述至少一个光纤传感器运动而诱发的，其中，所述至少一个光纤传感器(20)在至少大致平行于所述交通承载表面的方向上至少大致沿直线延伸。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)设置有至少一个锚固元件(25)，所述至少一个锚固元件(25)在相互间邻的光学应变传感器元件(22)之间围绕所述至少一个光纤传感器延伸，所述至少一个锚固元件(25)具有在横向于所述至少一个光纤传感器(20)的纵向方向的平面中的圆周，所述锚固元件(25)的所述圆周为在横向于所述纵向方向的平面中位于光学应变传感器元件的位置处的、所述光纤传感器的圆周的至少1.5倍。
3.根据权利要求2所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)的所述圆周在所述光纤传感器的所述圆周的10倍至50倍的范围内。
4.根据权利要求2或3所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)的长度在所述相互间邻的光学应变传感器元件(22)之间的距离的0.1倍至0.7倍的范围内。
5.根据权利要求2、3或4所述的布置，其中，所述至少一个锚固元件(25)设置有切向延伸凹槽(251)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述光纤(21)设置有防滑涂层(24)。
7.根据权利要求6所述的布置，其中，所述防滑涂层(24)由玻璃纤维增强聚合物(GFRP)制成。
8.根据权利要求6或7所述的布置，还包括布置在所述光纤(21)与所述防滑涂层(24)之间的中间层(23)。
9.根据权利要求8所述的布置，其中，所述中间层(23)由聚酰亚胺制成。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在横向于所述交通基础设施(50)的纵向方向的方向上。
11.根据权利要求10所述的布置，其中，所述交通基础设施是道路。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在沿着所述交通基础设施(50)的方向的纵向方向上。
13.根据权利要求12所述的布置，其中，所述交通基础设施是铁路轨道。
14.根据权利要求13所述的布置，其中，所述布置位于所述铁路轨道的顶表面下方并附接至所述铁路轨道。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述询问器配置成获取指示所述响应光学信号的时间模式的形状的一组信号特征。
16.根据权利要求15所述的布置，其中，所述询问器配置成通过使用使所述运输元件的性质和/或其动力学状态与所述时间模式的形状相关联的模型来获得所述一组信号特征。
17.根据权利要求15或16所述的布置，其中，所述询问器配置成对所述响应光学信号的所述时间模式与相应的储存时间模式进行比较，并提供指示与所述响应光学信号最佳匹配的所述存储时间模式的输出信号，所述输出信号作为指示所述响应光学信号的所述时间模式的形状的信号特征。
18.根据权利要求16或17所述的布置，其中，所述询问器还配置成使从车辆的多个运输元件获得的信号特征相互关联，并且使用相互关联的所述信号特征来估计所述车辆的性质。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述询问器配置成提取指示车辆的多个轮胎的空间足迹的空间模式。
20.根据权利要求19所述的布置，其中，所述空间足迹指示所述车辆的运输元件相对于彼此的位置。
21.根据权利要求19或20所述的布置，其中，所述空间足迹指示由所述车辆的各个运输元件施加的压力。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，对所述至少一个光纤传感器的所述多个光学应变传感器元件的相应光学信号进行处理，以估计所述车辆的相同轴上的一对轮胎之间的距离。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，对在第一时间间隔获得的、所述至少一个光纤传感器的所述多个光学应变传感器元件的相应光学信号进行处理，从而使这些信号与在另一时间间隔中所述至少一个光纤传感器的所述多个光学应变传感器元件的相应光学信号相关联。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述光学应变传感器元件(22)是光纤布拉格光栅(FBG)。
25.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20m)沿着曲折路径布置，所述至少一个光纤传感器(20m)具有连续的、在所述交通方向上相对于彼此间隔开的、相互平行的纵向部分。
26.根据权利要求1至24中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)是在所述交通方向上相对于彼此间隔开的、多个相互平行的光纤传感器(20、20a、…、20n)中的一个。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述询问器(10)包括用于发送所述光学询问信号的可调谐激光系统。
28.根据权利要求27所述的布置，其中，所述可调谐激光系统以0.1kHz至5kHz范围内的频率改变所述光学询问信号的波长。
29.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在限定所述交通承载表面(51)的交通承载层(55)内侧的沟槽(53)中，所述沟槽(53)填充有填充材料(54)。
30.根据权利要求1至28中的任一项所述的布置，其中，所述至少一个光纤传感器(20)布置在支承层与交通承载层(55)之间，所述交通承载层(55)由所述支承层承载。
31.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，使用数据集成模块(70)将所述光学传感器系统(10、20)与视觉数据采集系统(60)结合，所述视觉数据采集系统(60)至少包括相机(61)和图像处理系统(62)，所述相机(61)用于监测在所述至少一个光纤传感器(20)附近的视场中的所述交通基础设施上的交通，所述图像处理系统(62)用于提供指示在所述视野中监测的、所感测的视觉特征的输出数据，所述数据集成模块(70)将结合由所述传感器系统(10、20)提供的输出数据与由所述视觉数据采集系统(60)提供的输出数据。
32.根据前述权利要求中的任一项所述的布置，其中，所述光学传感器系统(10、20)是通信地联接至中央服务器的、多个地理学分布的传感器系统中的一个。
33.根据权利要求32所述的布置，其中，所述光学传感器系统包括预处理器(80)，以从待传送至所述中央服务器的感测数据得到预处理数据。
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