CN108663435A - 一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法，所述装置包括：光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。

Description

一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法
技术领域
本发明涉及光学工程、光纤光学和信号处理技术领域，尤其涉及一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法。
背景技术
分布式声波传感系统运用的是与光时域反射仪(OTDR)类似的原理。在OTDR中，用探测单元发射的激光脉冲来探测光缆。当光脉冲在光纤中传播时，存在于光纤中的瑞利散射光，光电探测器接收后向散射光子。此数据被用来匹配光纤的反射率。在分布式声波传感中，外部声波干扰调制光纤特定位置的后向散射光。通过以高采样率记录瑞利信号的变化，分布式声波传感把光纤变成了大量分布式的拾音器或者传感器。
但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
传统分布式传感系统的检测信号受到很多噪声源的影响，而且是随机噪声或者是统计噪声。在一些需要高精确度、高灵敏度的应用场景下，传统分布式传感系统的低信噪比会极大的降低，影响检测结果。
发明内容
本发明实施例通过提供一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法，解决了检测信号受噪声源的影响，使检测信噪比低，检测结果不准确的技术问题，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。
鉴于上述问题，提出了本申请实施例以便提供一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法。
第一方面，本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测装置，所述装置包括：光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光。
优选的，所述光缆的总长的数量级为100～104米。
优选的，所述光源离光源最近的光缆的距离的数量级为100～104米。
优选的，所述光纤芯数量为2～8芯。
第二方面，本发明提供了一种分布式声波铁轨检测方法，所述方法包括：光源经高消光比的声光调制器发射第一脉冲光信号，再经脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入传感光缆中；所述脉冲放大器及探测器接收经所述传感光缆反射回来的第二脉冲光信号；信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，从而获取到所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息；根据所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息，对列车轮轨损坏、断裂的位置进行检测和定位。
优选的，所述第二脉冲光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的所述第二脉冲光信号的叠加。
优选的，所述信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，以检测受到所述列车轮轨振动而产生声波信号，从而获取和增强列车轮轨振动相关时频域信息。
优选的，把所述第二脉冲光信号按照周期进行同步累计的信号叠加技术进行累加，再通过滑窗累积对对累加后的信号进行预处理。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测装置，所述装置包括：光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光。通过本发明，解决了检测信号受噪声源的影响，使检测信噪比低，检测结果不准确的技术问题，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。
2、本发明实施例通过所述光缆的总长的数量级为100～104米。进一步达到了远距离对铁轨损坏、断裂的位置进行快速检测和精确定位的技术效果。
3、本发明实施例通过所述光纤芯数量为2～8芯。实现对相同或相邻位置处接收振动(声波)信号的叠加处理，在保持系统方案硬件组成和系统成本不增加的同时，极大提高了系统信噪比，增强了在轮轨振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强轮轨振动相关时频域信息的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种分布式声波列车轮轨检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种分布式声波列车轮轨检测装置的信号叠加过程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种分布式声波列车轮轨检测装置的等效多脉冲系统示意图；
图4为本发明实施例提供的一种分布式声波列车轮轨检测方法的流程示意图。
附图标记说明：光发射接收模块1；光缆2；接入光缆3；传感光缆4；平行光纤连接部5；声波信号6；铁轨轨道7；光脉冲信号8。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法，解决了检测信号受噪声源的影响，使检测信噪比低，检测结果不准确的技术问题，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。
本发明实施例中的技术方案，总体思路如下：一种分布式声波列车轮轨检测装置及方法，所述装置包括：光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例以传感光缆长度600米为例对本发明进行解释说明。
实施例一
如图1-3所示，本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测装置，所述装置包括：
光缆2，所述光缆2设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆2包括：传感光缆4，所述传感光缆4由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆3，所述接入光缆3的首端与所述传感光缆4的末端连接；进一步的，所述光缆的总长的数量级为100～104米。进一步的，所述光源离光源最近的光缆的距离的数量级为100～104米。进一步的，所述光纤芯数量为2～8芯。
具体的，如图1-3所示，所述光缆2部分由所述接入光缆3和所述传感光缆4组成。所述接入光缆3可以是任何一种能够将光脉冲从光源传输到所述传感光缆4中去的光缆。所述传感光缆4是由多根平行光纤芯通过平行光纤连接部5首尾连接组成。在所述传感光缆4末端，将所述传感光缆4用一根长度为600米的接入光缆连接至所述光发射接收模块1。所述光源(图中未示出)和所述光接收机(图中未示出)分别用来发射光脉冲到所述光缆2中和探测从所述光缆2多个位置反射回来的后向散射光。所述光缆2的总长可以是从数米到数十千米，光源至离光源最远的光缆的距离可以是从数米到数十千米。所述光缆2是被用来传感外界振动源(声源)的振动(声波)信号，它携带了轮轨振动有效信号的相关信息。通过分析处理接收到的轮轨振动有效信号，可以对铁轨损坏、断裂的位置进行快速检测和精确定位。本实施例中的传感光缆4是由一根多芯光缆中的多根平行传感纤芯组成，多根平行光纤芯之间采用相邻纤芯首尾连接的方式，多根纤芯应在光缆骨架支撑下保持平行分布，纤芯数为2～8芯。
光发射接收模块1，所述光发射接收模块1包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆2中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光。
具体的，所述光源和所述光接收机分别用来发射光脉冲到所述光缆2中和探测从所述光缆2多个位置反射回来的后向散射光。所述光缆2被放置在铁路轨道7靠近发射声波信号的噪声源的位置，声波信号6传播至所述光缆2时会导致传感装置的形变。形变会暂时的改变所述光缆2的后向散射光的性质。因为光纤的突然形变，光接收机会探测出后向散射光性质的改变，以及随着光信号和后向散射光沿着光缆的传输，形变的位置也将被探测到。特别地，通过识别和接收来自某段光纤的后向散射光信号，可以检测出此段光纤的声波(振动)信息。多根光纤的相同或相邻位置都会被同时执行检测，每段光纤都包含了振动位置的相关时频域信息。如图2所示的虚线框就是一个典型的形变位置，而被虚线框圈住的就是典型的多根平行光纤结构。振动位置对应的每段光纤反射的瑞利散射光信号经传感光纤全部汇聚在光接收机中。如图3所示，当光接收机接收到各个时刻反射回来的瑞利散射光信号，此光信号信噪比为20dB,将接收到的对应相同或相邻振动位置的光脉冲信8号按照周期进行同步叠加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，信噪比提高将近5dB,有效增强了信号强度和抑制噪声，提高了系统信噪比。经过简单的信号叠加后，一定程度上抑制了噪声，提高了系统信噪比。再利用滑窗积累，去除部分带外噪声后，信噪比得到进一步的提升，提高到38dB，但仍有部分带内噪声没有被滤除，采用三阶累积量运算后，大部分带内噪声被滤除，信号明显突出，信噪比又提高2dB,显著提高了系统信噪比。通过隔离在所述光发射接收模块1接收到的后向散射光，均能将属于每一段光纤的后向散射光信号分离出来以及进行进一步的处理。利用现有技术，在处理器中处理接收到的数据，以及通过接收到的叠加信号，可以提取出声波信号方向和大小的相关信息。因为消除了噪声，接收到的叠加信号体现了本发明相对于不使用信号叠加的分布式传感系统在信噪比上的提升。依赖瑞利散射效应的分布式声波传感系统产生的噪声类似于随机噪声，它可以利用叠加技术来消除。通过处理分布式声波传感系统的统计噪声，本发明将以更高信噪比来分析轮轨振动有效信号。
实施例二
如图4所示，本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测方法，所述方法包括：
S110:光源经高消光比的声光调制器发射第一脉冲光信号，再经脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入传感光缆中；
具体的，从高相干窄线宽光源经高消光比的声光调制器发射脉冲光信号，再经脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入由多芯光缆构成传感装置的光缆中；
S120:所述脉冲放大器及探测器接收经所述传感光缆反射回来的第二脉冲光信号；进一步的，所述第二脉冲光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的所述第二脉冲光信号的叠加。进一步的，把所述第二脉冲光信号按照周期进行同步累计的信号叠加技术进行累加，再通过滑窗累积对对累加后的信号进行预处理。
具体的，脉冲放大器及探测器接收经传感装置反射回来的光信号，此光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的光信号的叠加。当携带列车轮轨振动相关时频域信息的振动和声波信号传播至光缆某位置时，会引起此位置对应多根光纤段的瑞利散射光的相位变化，通过干涉作用就会表现出瑞利散射光的光强变化，在光接收机接收每根光纤反射回来的信噪比20dB瑞利散射光信号，利用把脉冲信号按照周期进行同步累积的信号叠加技术对信号进行叠加，叠加后信号信噪比提高了接近5dB，再通过滑窗积累对叠加后的信号进行预处理，去除了部分带外噪声，信噪比提高到接近38dB。
S130:信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，从而获取到所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息；进一步的，所述信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，以检测受到所述列车轮轨振动而产生声波信号，从而获取和增强列车轮轨振动相关时频域信息。
具体的，所述信号处理装置，接收并处理接收到的信号以获取到光纤上不同位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息。由于两个统计独立随机过程之和的累积量等于各个随机过程累积量之和，而且对于任意一个零均值高斯随机过程的高阶(三阶及其以上各阶)累积量恒等于零，故高阶累积量可以有效抑制高斯噪声。从工程实现的角度而言，阶数越高意味着计算越复杂、实现越困难、方差也越大，因此最后采用三阶累积量方法有效抑制残余的带内噪声，信噪比又提高了2dB，进一步提高了检测性能。
S140:根据所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息，对列车轮轨损坏、断裂的位置进行检测和定位。
具体的，根据所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息，通过以上一系列的信号处理方法提高了系统信噪比和轮轨振动关系检测中的灵敏度，从而获取更多轮轨振动的相关信息，进而实现对铁轨结构损坏、断裂点的快速检测和精确定位
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、本发明提供了一种分布式声波列车轮轨检测装置，所述装置包括：光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光。通过本发明，解决了检测信号受噪声源的影响，使检测信噪比低，检测结果不准确的技术问题，达到了提高信噪比，增强轮轨振动关系检测中的灵敏度，进而获取和增强轮轨振动相关时频域信息，获得精确检测结果的技术效果。
2、本发明实施例通过所述光缆的总长的数量级为100～104米。进一步达到了远距离对铁轨损坏、断裂的位置进行快速检测和精确定位的技术效果。
3、本发明实施例通过所述光纤芯数量为2～8芯。实现对相同或相邻位置处接收振动(声波)信号的叠加处理，在保持系统方案硬件组成和系统成本不增加的同时，极大提高了系统信噪比，增强了在轮轨振动关系检测中的灵敏度，以获取和增强轮轨振动相关时频域信息的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种分布式声波列车轮轨检测装置，其特征在于，所述装置包括：
光缆，所述光缆设置在靠近发生声波信号的噪声源位置，所述光缆包括：
传感光缆，所述传感光缆由多根平行光纤芯首尾依次连接组成；
接入光缆，所述接入光缆的首端与所述传感光缆的末端连接；
光发射接收模块，所述光发射接收模块包括：
光源，所述光源通过声光调制器向所述光缆中发射第一脉冲光信号；
光接收机，所述光接收机与所述接入光缆的末端连接，探测从所述光缆多个位置反射的后向散射光。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光缆的总长的数量级为100～104米。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源离光源最近的光缆的距离的数量级为100～104米。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤芯数量为2～8芯。
5.一种分布式声波列车轮轨检测方法，其特征在于，所述方法包括：
光源经高消光比的声光调制器发射第一脉冲光信号，再经脉冲放大器放大以及滤波器抑制噪声后进入传感光缆中；
所述脉冲放大器及探测器接收经所述传感光缆反射回来的第二脉冲光信号；
信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，从而获取到所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息；
根据所述传感光缆上在某个位置受到轮轨作用的振动和声波信号中所包含的时频域信息，对列车轮轨损坏、断裂的位置进行检测和定位。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二脉冲光信号是每一根光纤芯在受到外界声波信号扰动的某个位置反射回来的所述第二脉冲光信号的叠加。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号处理装置处理接收到的所述第二脉冲光信号，以检测受到所述列车轮轨振动而产生声波信号，从而获取和增强列车轮轨振动相关时频域信息。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，把所述第二脉冲光信号按照周期进行同步累计的信号叠加技术进行累加，再通过滑窗累积对对累加后的信号进行预处理。
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