CN108765813A - 基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统及其方法属于光学领域；包括高速公路检测站模块包括分布式布里渊温度应变分析仪和通道扩展模块；高速公路探测模块包括应变光缆和防护栏；高速公路通信模块包括网络单元、高速公路数据中心和业务终端；防护栏设置在高速公路上，应变光缆采用S型布设方式固定安装防护栏上，应变光缆顶端与通道扩展模块的端口通过头尾光纤接头连接，通道扩展模块的端口与分布式布里渊温度应变分析仪的光接口通过光纤跳线连接，分布式布里渊温度应变分析仪通过网络单元连接高速公路数据中心，高速公路数据中心连接业务终端；本发明有效的解决了高速公路沿线自然灾害预警和特殊交通安全事故报警。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统及其方法。
背景技术
到2018年底，我国高速公路总里程将达到13.6万公里，是支撑我国经济更快更好发展的大动脉。我国高速公路分布区域广、长距离、地质条件复杂、自然灾害严重，同时高速公路具有昼夜运营、封闭式、只允许汽车行驶等特点。由于距离长、分布面积广、昼夜运营、封闭式等特点，当高速公路沿线发生山体滑坡、地质沉降等自然灾害时，无法及时发布道路交通故障警告，容易引发严重的交通安全事故及连锁反应；同时，当交通事故中车辆撞出防护栏，不在高速公路视野范围内，导致交通事故未能及时被发现和报警，错过伤员最佳抢救时间，造成严重财产损失和人员伤亡。为了降低高速公路交通事故，减小人员伤亡和财产损失，迫切需要解决高速公路沿线自然灾害预警和特殊交通安全事故报警。
目前针对于高速公路交通事故和自然灾害引起防护栏的破坏，主要有事故人员报警和摄像头监控报警两种手段，从而得知交通事故位置信息，然而这两种报警方式都是人为发现后报警，缺乏抗恶劣环境、全路段、全天性和实时性。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统及其方法。
本发明的技术方案：
一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，包括高速公路检测站模块、高速公路探测模块和高速公路通信模块；所述高速公路检测站模块包括分布式布里渊温度应变分析仪和通道扩展模块；所述高速公路检测站模块为若干个，所述高速公路探测模块包括应变光缆和防护栏；所述高速公路通信模块包括网络单元、高速公路数据中心、业务终端；所述防护栏设置在高速公路上，所述应变光缆采用S型布设方式固定安装防护栏上，所述应变光缆顶端与通道扩展模块的端口通过头尾光纤接头连接，所述通道扩展模块的端口与分布式布里渊温度应变分析仪的光接口通过光纤跳线连接，所述分布式布里渊温度应变分析仪通过网络单元连接高速公路数据中心，所述高速公路数据中心连接业务终端。
进一步地，所述防护栏设置在高速公路的上行两侧和下行两侧，在高速公路上行两侧的防护栏上分别设置应变光缆，在上行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆熔接成上行光缆环路，在高速公路下行两侧的防护栏上分别设置应变光缆，在下行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆熔接成下行光缆环路。
进一步地，所述上行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块的3端口和4端口，所述下行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块的3端口和4端口。
进一步地，所述应变光缆采用轻铠装应变监测光缆，将不锈钢扎带每间隔1米的距离将应变光缆固定在防护栏上，用高强度环氧树脂将应变光缆粘贴于防护栏横杆上，采用碳纤维布对应变光缆进行固定和保护。
进一步地，所述业务终端包括调度终端、公安终端和通信终端。
进一步地，所述分布式布里渊温度应变分析仪包括激光器，所述激光器连接光纤耦合器，所述光纤耦合器分别连接偏振控制器一和偏振控制器二，所述偏振控制器一连接电光调制器一，所述电光调制器一分别连接任意函数发生器和扰偏控制器，所述扰偏控制器依次连接掺铒光纤放大器和光纤环形器一，所述光纤环形器一分别连接光纤环形器二和传感光纤，所述光纤环形器二分别连接探测器和光纤光栅滤波器，所述探测器依次连接采集卡和计算机，所述传感光纤依次连接光学隔离器和电光调制器二，所述电光调制器二分别连接微波发生器和偏振控制器二。
一种基于所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统实现的定位方法，包括以下步骤：
步骤a、将应变光缆固定安装在高速公路的防护栏上，通过头尾光纤接头连接通道扩展模块；
步骤b，将通道扩展模块通过光纤跳线连接分布式布里渊温度应变分析仪，把分布式布里渊温度应变分析仪和通道扩展模块放置在高速公路收费站中；
步骤c、通过应变光缆实时监测高速公路状态，并将高速公路状态的数据通过通道扩展模块实时传输至分布式布里渊温度应变分析仪中；
步骤d、分布式布里渊温度应变分析仪将所述高速公路状态的数据进行采集、分析和处理，将处理后的数据通过网络单元传输至高速公路数据中心；
步骤e、高速公路数据中心将所述数据进行分类和存储，并按照相应的类型分发到局域网内的业务终端中的调度终端、公安终端和通信终端，接收到数据的终端对高速公路的情况进行实时分析，若有事故发生，及时进行救援和抢修。
进一步地，步骤c中所述数据中包括位置信息。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统及其方法，以光纤作为传感介质和传输介质，同时，结合布里渊光纤传感技术，实现高速公路全路段、实时防护栏状态检测，从而对高速公路沿线各种自然灾害入侵和人为入侵进行监测，能够提供米级的报警定位精度，本发明有效的解决了高速公路沿线自然灾害预警和特殊交通安全事故报警；本发明具有模块化探测功能、精准定位功能、超长距离监测功能以及昼夜连续可用功能，并且能够抗电磁干扰、环境适应能力强、实时性的优点。
本发明可有效降低了高速公路事故率，并可有效降低连环事故的发生。当发生事故时，可以及时进行事故定位和报警，并对受伤人员第一时间进行急救。通知相关道路抢修部门，对道路及时进行抢修，不影响高速公路的正常运营；当高速公路沿线有山体滑坡、大型落石、泥石流等现象侵入高速公路时，及时给出被破坏防护栏的位置信息和报警，避免灾害进一步扩大。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明流程图；
图3是分布式布里渊温度应变分析仪结构图。
图中：1高速公路检测站模块、11分布式布里渊温度应变分析仪、11-1激光器、11-2光纤耦合器、11-3偏振控制器一、11-4偏振控制器二、11-5电光调制器一、11-6电光调制器二、11-7任意函数发生器、11-8微波发生器、11-9扰偏控制器、11-10掺铒光纤放大器、11-11光学隔离器、11-12传感光纤、11-13光纤环形器一、11-14光纤环形器二、11-15光纤光栅滤波器、11-16探测器、11-17采集卡、11-18计算机、12通道扩展模块、2高速公路探测模块、21应变光缆、22防护栏、3高速公路通信模块、31网络单元、32高速公路数据中心、33业务终端、331调度终端、332公安终端、333通信终端、
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
具体实施方式一
一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，如图1所示，包括高速公路检测站模块1、高速公路探测模块2和高速公路通信模块3；所述高速公路检测站模块1包括分布式布里渊温度应变分析仪11即BOTDA设备和通道扩展模块12；所述高速公路检测站模块1为若干个，所述高速公路探测模块2包括应变光缆21和防护栏22；所述高速公路通信模块3包括网络单元31、高速公路数据中心32、业务终端33；所述防护栏22设置在高速公路上，所述应变光缆21采用S型布设方式固定安装防护栏22上，所述应变光缆21顶端与通道扩展模块12的端口通过头尾光纤接头连接，所述通道扩展模块12的端口与分布式布里渊温度应变分析仪11的光接口通过光纤跳线连接，所述分布式布里渊温度应变分析仪11通过网络单元31连接高速公路数据中心32，所述高速公路数据中心32连接业务终端33。
工作原理：通过应变光缆21实时监测防护栏22的状态，当外界因素对防护栏22造成破坏而导致应变光缆21发生变形时，应变光缆21实时将数据通过通道扩展模块12传输至分布式布里渊温度应变分析仪11，分布式布里渊温度应变分析仪11分析处理之后将数据通过网络单元31传输至高速公路数据中心32，高速公路数据中心32对数据进行分类处理，然后传输至业务终端33。
例如当高速公路车辆撞向防护栏22时，分布式布里渊温度应变分析仪11接收到应变光缆21传输的数据，数据包括应变光缆21变形位置，通过高速公路数据中心32及时报警并给出事故位置信息。当高速公路外有山体滑坡、大型落石、泥石流等自然灾害侵入高速公路时，及时报警并给出被破坏防护栏的位置信息，当高速公路监控中心收到报警信息后，及时反馈给高速公路数据中心32然后对沿线车辆数量进行限流，并提示后面车辆该路段有事故，通知道路养护部门和急救单位快速进行道路救援和抢修。
具体实施方式二
具体地，所述防护栏22设置在高速公路的上行两侧和下行两侧，在高速公路上行两侧的防护栏22上分别设置应变光缆21，在上行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆21熔接成上行光缆环路，在高速公路下行两侧的防护栏22上分别设置应变光缆21，在下行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆21熔接成下行光缆环路。
具体实施方式三
具体地，所述上行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块12的3端口和4端口，所述下行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块12的3端口和4端口；所述上行光缆环路和下行光缆环路接入通道扩展模块12的接入顺序可以不同，通道扩展模块12的1端口和2端口通过两个光纤跳线连接BOTDA设备前面板的两个光接口，通过BOTDA设备进行通道扩展模块12的通道切换，通道扩展模块12能够采用8通道或者16通道。
具体实施方式四
具体地，所述应变光缆21采用轻铠装应变监测光缆，将不锈钢扎带每间隔1米的距离将应变光缆21固定在防护栏22上，用高强度环氧树脂将应变光缆21粘贴于防护栏横杆上，采用碳纤维布对应变光缆21进行固定和保护。
具体实施方式五
具体地，所述业务终端33包括调度终端331、公安终端332和通信终端333。所述调度终端331用于当事故发生时对沿线车辆数量进行限流，并提示后面车辆该路段有事故，通知道路养护部门和急救单位快速进行道路救援和抢修；所述公安终端332用于当事故发生时进行报警。所述通信终端333用于报警数据的存储，将报警数据通过专用网络传输于各个相关部门。
具体实施方式六
具体地，如图3所示，所述分布式布里渊温度应变分析仪11包括激光器11-1，所述激光器11-1连接光纤耦合器11-2，所述光纤耦合器11-2分别连接偏振控制器一11-3和偏振控制器二11-4，所述偏振控制器一11-3连接电光调制器一11-5，所述电光调制器一11-5分别连接任意函数发生器11-7和扰偏控制器11-9，所述扰偏控制器11-9依次连接掺铒光纤放大器11-10和光纤环形器一11-13，所述光纤环形器一11-13分别连接光纤环形器二11-14和传感光纤11-12，所述光纤环形器二11-14分别连接探测器11-16和光纤光栅滤波器11-15，所述探测器11-16依次连接采集卡11-17和计算机11-18，所述传感光纤11-12依次连接光学隔离器11-11和电光调制器二11-6，所述电光调制器二11-6分别连接微波发生器11-8和偏振控制器二11-4。
所述的激光器11-1输出频率为ν0的连续激光，经过光纤耦合器11-2分成两路光分别提供泵浦光与探测光，光纤耦合器11-2分光比为60：40。上支路泵浦光先经过一号偏振控制器一11-3调制偏振态，进入电光调制器一11-5。在任意函数发生器11-7控制下，电光调制器一11-5输出脉冲波形经过扰偏控制器11-9扰乱偏振态后，被掺铒光纤放大器11-10放大，经过光纤环形器一11-13进入传感光纤11-12。
下支路提供探测光，经过偏振控制器二11-4调节偏振态后进入电光调制器二11-6，电光调制器二11-6的作用是将微波发生器11-8产生的微波信号加载到探测光上，在原载波光基础上产生频差为布里渊频移νB的上下边频光，其频率分别为ν0±νB，其中ν0为原激光器频率。经过光学隔离器11-11后，进入传感光纤11-12。
泵浦光和探测光在传感光纤11-12中发生受激布里渊散射现象，产生的斯托克斯光经过光纤环形器一11-13进入光纤环形器二11-14，利用光纤光栅滤波器11-15滤出下边频频率为ν0-νB，再经过光纤环形器二11-14，进入探测器11-16转换成电信号，在通过采集卡11-17对信号进行采集，并传输与计算机11-18上进行处理。
具体地，所述激光器为分布反馈式半导体激光器DFB或可调谐光纤激光器。
具体地，所述探测器为差分探测器或光电探测器。
具体地，光纤耦合器的耦合比为在90:10至50:50之间。
具体地，BOTDA设备的结构中，使用单边带调制器产生边频光作为探测光。
具体地，BOTDA设备的结构中，使用可调谐滤波器滤出斯托克斯光。
本发明利用分布式布里渊光时域反射技术，使本发明能够可超长距离和超高空间分辨率监测传感光缆沿线的应变和温度变化，并且能够精准定位。
具体实施方式七
一种基于所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统实现的定位方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤a、将应变光缆21固定安装在高速公路的防护栏22上，通过头尾光纤接头连接通道扩展模块12；
步骤b，将通道扩展模块12通过光纤跳线连接分布式布里渊温度应变分析仪11，把分布式布里渊温度应变分析仪11和通道扩展模块12放置在高速公路收费站中；
步骤c、通过应变光缆21实时监测高速公路状态，并将高速公路状态的数据通过通道扩展模块12实时传输至分布式布里渊温度应变分析仪11中；
步骤d、分布式布里渊温度应变分析仪11将所述高速公路状态的数据进行采集、分析和处理，将处理后的数据通过网络单元31传输至高速公路数据中心32；
步骤e、高速公路数据中心32将所述数据进行分类和存储，并按照相应的类型分发到局域网内的业务终端33中的调度终端331、公安终端332和通信终端333，接收到数据的终端对高速公路的情况进行实时分析，若有事故发生，及时进行救援和抢修。
具体地，步骤c中所述数据中包括位置信息。
Claims (8)
1.一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，包括高速公路检测站模块(1)、高速公路探测模块(2)和高速公路通信模块(3)；所述高速公路检测站模块(1)包括分布式布里渊温度应变分析仪(11)和通道扩展模块(12)；所述高速公路检测站模块(1)为若干个，所述高速公路探测模块(2)包括应变光缆(21)和防护栏(22)；所述高速公路通信模块(3)包括网络单元(31)、高速公路数据中心(32)和业务终端(33)；所述防护栏(22)设置在高速公路上，所述应变光缆(21)采用S型布设方式固定安装防护栏(22)上，所述应变光缆(21)顶端与通道扩展模块(12)的端口通过头尾光纤接头连接，所述通道扩展模块(12)的端口与分布式布里渊温度应变分析仪(11)的光接口通过光纤跳线连接，所述分布式布里渊温度应变分析仪(11)通过网络单元(31)连接高速公路数据中心(32)，所述高速公路数据中心(32)连接业务终端(33)。
2.根据权利要求1所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，所述防护栏(22)设置在高速公路的上行两侧和下行两侧，在高速公路上行两侧的防护栏(22)上分别设置应变光缆(21)，在上行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆(21)熔接成上行光缆环路，在高速公路下行两侧的防护栏(22)上分别设置应变光缆(21)，在下行道路的尽头，通过道路上方的横向的道路提示牌将应变光缆(21)熔接成下行光缆环路。
3.根据权利要求2所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，所述上行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块(12)的3端口和4端口，所述下行光缆环路通过头尾光纤接头连接通道扩展模块(12)的3端口和4端口。
4.根据权利要求3所述一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，所述应变光缆(21)采用轻铠装应变监测光缆，将不锈钢扎带每间隔1米的距离将应变光缆(21)固定在防护栏(22)上，用高强度环氧树脂将应变光缆(21)粘贴于防护栏横杆上，采用碳纤维布对应变光缆(21)进行固定和保护。
5.根据权利要求4所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，所述业务终端(33)包括调度终端(331)、公安终端(332)和通信终端(333)。
6.根据权利要求5所述一种基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统，其特征在于，所述分布式布里渊温度应变分析仪(11)包括激光器(11-1)，所述激光器(11-1)连接光纤耦合器(11-2)，所述光纤耦合器(11-2)分别连接偏振控制器一(11-3)和偏振控制器二(11-4)，所述偏振控制器一(11-3)连接电光调制器一(11-5)，所述电光调制器一(11-5)分别连接任意函数发生器(11-7)和扰偏控制器(11-9)，所述扰偏控制器(11-9)依次连接掺铒光纤放大器(11-10)和光纤环形器一(11-13)，所述光纤环形器一(11-13)分别连接光纤环形器二(11-14)和传感光纤(11-12)，所述光纤环形器二(11-14)分别连接探测器(11-16)和光纤光栅滤波器(11-15)，所述探测器(11-16)依次连接采集卡(11-17)和计算机(11-18)，所述传感光纤(11-12)依次连接光学隔离器(11-11)和电光调制器二(11-6)，所述电光调制器二(11-6)分别连接微波发生器(11-8)和偏振控制器二(11-4)。
7.一种基于权利要求1、2、3、4、5或6所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位系统实现的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、将应变光缆(21)固定安装在高速公路的防护栏(22)上，通过头尾光纤接头连接通道扩展模块(12)；
步骤b，将通道扩展模块(12)通过光纤跳线连接分布式布里渊温度应变分析仪(11)，把分布式布里渊温度应变分析仪(11)和通道扩展模块(12)放置在高速公路收费站中；
步骤c、通过应变光缆(21)实时监测高速公路状态，并将高速公路状态的数据通过通道扩展模块(12)实时传输至分布式布里渊温度应变分析仪(11)中；
步骤d、分布式布里渊温度应变分析仪(11)将所述高速公路状态的数据进行采集、分析和处理，将处理后的数据通过网络单元(31)传输至高速公路数据中心(32)；
步骤e、高速公路数据中心(32)将所述数据进行分类和存储，并按照相应的类型分发到局域网内的业务终端(33)中的调度终端(331)、公安终端(332)和通信终端(333)，接收到数据的终端对高速公路的情况进行实时分析，若有事故发生，及时进行救援和抢修。
8.根据权利要求7所述基于分布式光纤传感器的高速公路防护栏破坏定位方法，其特征在于，步骤c中所述数据中包括位置信息。
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