CN109941308B - 一种基于光纤m-z干涉的异常扰动信号分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤M‑Z干涉的异常扰动信号分析方法。该方法包括：构造包括至少两个光耦合器和相位调制器的光纤回路，在其中一个光耦合器与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从所述其中一个光耦合器传输过来的光束进行反射；通过光探测器接收所述光纤回路产生的干涉信号，对所述干涉信号进行解调处理得到所述干涉信号的零频点频率，根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息。本发明的方法以列车运行产生的噪声为振动源，以列车运行轨道旁含有备纤的光纤作为信号传输介质，并经过推导得出零频点频率与异常扰动点到FRM距离的关系，从而对异常扰动信号进行定位。

Description

一种基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法

技术领域

本发明涉及列车轨道状态监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法。

背景技术

近年来，随着我国列车制造技术的不断发展，列车的运行速度在不断的提升，列车运行轨道状态对于列车运行安全与稳定至关重要，列车运行轨道状态监测成为又一研究热点。

目前，现有技术中的一种列车轨道异常状态的监测方法为：基于菲涅尔反射原理的OTDR定位方法。该方法虽然使用广泛，但在列车振动噪声信号的异常扰动定位过程中需对探测光纤进行弯曲，这可能会对光纤造成永久性损伤，不利于光纤的后期使用，且OTDR设备操作较为复杂，对工作人员要求较高。

发明内容

本发明提供了一种基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法，以实现对列车振动噪声信号的异常扰动进行有效的检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法，包括:

构造包括至少两个光耦合器和相位调制器的光纤回路，在其中一个光耦合器与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从所述其中一个光耦合器传输过来的光束进行反射；

通过光探测器接收所述光纤回路产生的干涉信号，对所述干涉信号进行解调处理得到所述干涉信号的零频点频率，根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息。

优选地，所述的根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息，包括:

异常扰动点到FRM的光纤距离l₁₀的计算公式为：

l₁₀＝c/4nf_sgnull

f_sgnull为所述干涉信号的零频点频率，n为光纤折射率，c为光速。

优选地，所述的方法包括:

光源激光器发出的光束经第一光耦合器OC₁分割后，分别传输到互相对称的第一光纤回路和第二光纤回路，所述第一光纤回路包括第二光耦合器OC₂、第四光耦合器OC₄和相位调制器，所述第二光纤回路包括第三光耦合器OC₃、OC₄和相位调制器，在OC₄与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从OC₄传输过来的光束进行反射；

通过第一光探测器PD₁接收所述第一光纤回路产生的干涉信号，通过第二光探测器PD₂接收所述第二光纤回路产生的干涉信号，通过对干涉信号进行解调处理分别计算出所述PD₁、所述PD₂接收到的干涉信号对应的零频点频率，根据所有干涉信号对应的零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息。

优选地，设所述异常扰动点到FRM之间的光纤长度为l₁₀，OC₄到异常扰动点之间的距离为l₉，OC₂经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₅，OC₂不经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₆；

第一光探测器PD₁接收的第一光纤回路产生的干涉信号I₁₂的计算公式为：

其中，E为光路中的场强，ω_s为光波角频率，τ_t1＝n(l₅+l₆+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a1＝n(l₆-l₅)/c，τ_b＝nl₁₀/c，n为光纤折射率，c为光速。

优选地，OC₃经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₈，OC₃不经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₇；

第二光探测器PD₂接收的第二光纤回路产生的干涉信号I₃₄的计算公式为：

其中，E为光路中的场强，ω_s为光波角频率，τ_t2＝n(l₇+l₈+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a2＝n(l₈-l₇)/c，τ_b＝nl₁₀/c，n为光纤折射率，c为光速。

优选地，所述的通过对干涉信号进行解调处理分别计算出所述PD₁、所述PD₂接收到的干涉信号对应的零频点频率，根据所有干涉信号对应的零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息，包括：

在光探测器PD1接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₁₂对应的零频点频率

在光探测器PD2接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₃₄对应的零频点频率

异常扰动点到法拉第旋转镜FRM之间的光纤距离

的计算公式为：

优选地，所述光纤回路设置在列车运行轨道旁，所述外界异常扰动信号为列车运行产生的噪声信号。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种了基于M-Z干涉原理的扰动定位方法结构，并经过推导得出零频点频率与异常扰动点到FRM距离的关系，从而对异常扰动进行定位。在实际应用中外界环境、光纤实际长度测量、零频点频率测量等存在的误差会导致异常扰动点定位精度的下降，但本发明所提出的改进型M-Z干涉定位方法的定位精度仍高于传统的M-Z干涉定位方法，且工作效率更高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的基于光纤M-Z干涉原理的光纤异常扰动定位方法的实现原理示意图；

图2为根据本发明实施例的列车运行轨道状态智能监测方案结构示意图；

图3为根据本发明实施例的大数据预警平台工作流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出了改进型M-Z干涉定位方法和轨道状态智能检测方案。改进型M-Z干涉定位方法相较于传统的M-Z干涉定位方法，在工作时定位精度及工作效率更高。列车运行状态智能监测方案以改进型M-Z干涉定位方法为基础，以列车运行噪声为轨道旁光纤振动源，利用大数据预警平台对列车运行状态进行智能监测，保障了列车运行稳定及安全。

本发明实施例提出的基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法主要包括:

构造包括至少两个光耦合器和相位调制器的光纤回路，在其中一个光耦合器与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从所述其中一个光耦合器传输过来的光束进行反射；

通过光探测器接收所述光纤回路产生的干涉信号，对所述干涉信号进行解调处理得到所述干涉信号的零频点频率，根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息。

异常扰动点到FRM的光纤距离l₁₀的计算公式为：

l₁₀＝c/4nf_sgnull

f_sgnull为所述干涉信号的零频点频率，n为光纤折射率，c为光速。

图1示出了本发明实施例的一种基于光纤M-Z干涉原理的光纤异常扰动定位方法的实现原理示意图。如图1所示，其中LD为光源激光器；OI为光隔离器，其可有效防止反射光对光源的影响；PD_i为光探测器；OC_j为光耦合器；PZT为相位调制器，用于对异常扰动信号进行相位调制；FRM为法拉第旋转镜，用于对输入光进行反射。

在上述基于光纤M-Z干涉原理的光纤异常扰动定位方法中，光源发出的光束经耦合器OC1，被一分为二分别进入系统对称的上下两部分，上下两部分均以M-Z干涉原理为基础进行扰动定位，且工作独立，互不干扰。当光程差为零时，两路光将产生干涉。由此可以得到光探测器PD1可接收到的干涉信号来源于光路1和光路2，其中光路1为：L2－L6－L9－L10－L10－L9－L5－L1,光路2为：L2－L5－L9－L10－L10－L9－L6－L1；光探测器PD2可接收到的干涉信号来源于光路3和光路4，其中光路3为：L3－L7－L9－L10－L10－L9－L8－L4，光路4为：L3－L8－L9－L10－L10－L9－L7－L4。

当外界信号作用于探测光纤时，法拉第旋转镜FRM反射的光信号经过延迟光纤后由相位调制器PZT进行相位调制，这样光探测器PDi接收到的两路干涉信号将会存在相位差，而相位差所携带的信息即为外界扰动信号的信息。最终通过相关解调技术对接收到的干涉信号进行解调，实现对异常扰动的定位。

光探测器PD1和PD2接收到的干涉信号分别为:

其中，I₁₂、I₃₄分别为光探测器PD1、PD2接收的的干涉信号，E为光路中的场强，ω_s为光波角频率，τ_t1＝n(l₅+l₆+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a1＝n(l₆-l₅)/c，τ_t2＝n(l₇+l₈+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a2＝n(l₈-l₇)/c，τ_b＝nl₁₀/c，l_i为对应光纤L_i的长度，n为光纤折射率，c为光速。

在光探测器PD1接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₁₂对应的零频点频率

在光探测器PD2接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₃₄对应的零频点频率

零频点频率f_sgnull与异常扰动点到FRM距离l₁₀的关系式：l₁₀＝c/4nf_sgnull，即通过零频点频率即可实现对异常扰动点的定位。

本发明实施例提出的改进型M-Z干涉定位方法可同时接收两路干涉信号，最终可测出的异常扰动点到法拉第旋转镜FRM距离

为：

为了说明本发明提供的列车运行轨道状态智能监测方案，图2示出了据本发明实施例的列车运行轨道状态智能监测方案结构。

下面对各个模块进行详细介绍。

1)噪声采集及处理模块

查阅资料可知，声波可以作为振动源对光纤产生影响且列车运行时辐射的噪声能量集中在400-5000Hz，不同运行速度列车的1/3倍频程频谱不同。随着列车运行速度的增加，其辐射出的轮轨噪声和气动噪声会迅速变强，即噪声的最大声压级变大。由此可以出结论：不同载重不同运行速度的列车在轨道行驶时，其产生的噪声能量及最大声压级不同。在噪声采集的过程中，需要在监测轨道沿线设置噪声采集器并采用固定间距，对采集到的噪声信号进行处理得到其1/3倍频程频谱，并根据该频谱计算出噪声的能量和最大声压级。

2)列车信息模块

列车信息模块主要包含两个模块，信息模块1输出车站1提供的信息，包括：列车发车信息，列车车次，列车类型，列车速度，列车载重。信息模块2输出车站2的信息，主要为列车实际到站信息。

3)M-Z干涉系统模块

列车行驶过程中经过噪声采集点，列车产生的噪声作为振动源使噪声采集点旁光纤产生振动，该振动信号通过光纤进入M-Z干涉定位方法，通过频谱分析仪对M-Z干涉定位方法的输出进行处理，得到零频点频率。

4)数据库模块

数据库模块的作用在于对各个模块的输出数据进行存储，方便大数据预警平台对数据的使用，数据存储格式如表1所示。

表1

以图2为例来介绍数据格式中的内容。在列车信息部分，S1，S2分为为列车的出发站和到达站；Tn为列车车次；Tt为列车类型，本发明仅选取普通列车与高速列车两种类型进行研究；Tv为列车速度，普通列车选取120km/h，160km/h，高速列车选取300km/h，350km/h；Tw为列车载重，仅考虑满载和空载两种情况。在噪声信息部分，i为噪声信息采集点的位置编号；E为在噪声信息采集点i处采集到的噪声的能量；L_max为在噪声信息点i处采集到的噪声最大声压级。在振动源信息部分，Fs·null为M-Z干涉定位方法的输出经频谱分析仪得到的零频点频率；P为振动源距车站S1的位置，P的计算公式为：P＝i×d，d为噪声采集点间距。

5)大数据预警平台模块

本方案通过设计大数据预警平台实现对列车运行轨道状态地智能监测，在保证监测数据可靠的前提下，对数据库输入的数据进行分析，实现对轨道异常的定位及预警，工作流程如图3所示。在图3中数据1的格式为[T_t,T_v,T_w,i,E,L_max,F_s·null]，数据2的格式为[S₁,S₂,T_n,P]，预警信息的格式为[S₁,S₂,T_n,P,T_output]，其中T_output为模型输出，设定阈值a，当T_output≥a时认为轨道状态存在风险。预警信息的物理含义可解释为:在车站S1和S2之间，列车Tn行驶到位置P时，该处轨道状态为T_output，由此可以根据预警信息来实时判断监测处的轨道状态。

轨道状态T_output是指预警信息[S₁,S₂,T_n,P,T_output]中的一部分，噪声振动源距车站S1的位置P也为预警信息[S₁,S₂,T_n,P,T_output]中的一部分。

T_output可已通过归一化等步骤使其约束到一定范围，比如0-1，假设阈值为0.5，那么当大数据预警平台出现的预警信息为[S1，S2，Tn，P，0.6]时，可认为在P处的轨道状态正常，若小于0.5则认为可能存在异常，需要进行维护。

综上所述，本发明基于M-Z干涉原理提出一种新型的异常扰动定位方法，并以列车运行产生的噪声为振动源，以列车运行轨道旁含有备纤的光纤作为信号传输介质，并经过推导得出零频点频率与异常扰动点到FRM距离的关系，从而对异常扰动信号进行定位。将该方法应用到所提出的列车运行轨道状态智能监测方案中，实现对轨道状态的智能监测。

在实际应用中外界环境、光纤实际长度测量、零频点频率测量等存在的误差会导致异常扰动点定位精度的下降，但本发明所提出的改进型M-Z干涉定位方法的定位精度仍高于传统的M-Z干涉定位方法，且工作效率更高。

本发明提供一种轨道状态智能监测的设计方案，其将改进型M-Z干涉定位方法应用到列车运行轨道状态监测中，并实现对轨道异常扰动的定位及预警。在设计的方案中，各个功能模块的输出信息最终会以一定的格式缓存到本地数据库中，大数据预警平台通过对数据库输入数据的提取分析，对异常扰动进行定位和预警，从而实现对轨道状态的智能监测。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于光纤M-Z干涉的异常扰动信号分析方法，其特征在于，包括:

构造包括至少两个光耦合器和相位调制器的光纤回路，在其中一个光耦合器与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从所述其中一个光耦合器传输过来的光束进行反射；

通过光探测器接收所述光纤回路产生的干涉信号，对所述干涉信号进行解调处理得到所述干涉信号的零频点频率，根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息；

光源激光器发出的光束经第一光耦合器OC₁分割后，分别传输到互相对称的第一光纤回路和第二光纤回路，所述第一光纤回路包括第二光耦合器OC₂、第四光耦合器OC₄和相位调制器，所述第二光纤回路包括第三光耦合器OC₃、OC₄和相位调制器，在OC₄与法拉第旋转镜FRM之间设置探测光纤，外界异常扰动信号通过异常扰动点作用于所述探测光纤，FRM对从OC₄传输过来的光束进行反射；

通过第一光探测器PD₁接收所述第一光纤回路产生的干涉信号，通过第二光探测器PD₂接收所述第二光纤回路产生的干涉信号，通过对干涉信号进行解调处理分别计算出所述PD₁、所述PD₂接收到的干涉信号对应的零频点频率，根据所有干涉信号对应的零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息，包括:

异常扰动点到FRM的光纤距离l₁₀的计算公式为：

l₁₀＝c/4nf_s·null

f_s·null为所述干涉信号的零频点频率，n为光纤折射率，c为光速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

设所述异常扰动点到FRM之间的光纤长度为l₁₀，OC₄到异常扰动点之间的距离为l₉，OC₂经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₅，OC₂不经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₆；

第一光探测器PD₁接收的第一光纤回路产生的干涉信号I₁₂的计算公式为：

其中，E为光路中的场强，ω_s为光波角频率，τ_t1＝n(l₅+l₆+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a1＝n(l₆-l₅)/c，τ_b＝nl₁₀/c，n为光纤折射率，c为光速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

OC₃经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₈，OC₃不经过相位调制器到达OC₄的光纤长度为l₇；

第二光探测器PD₂接收的第二光纤回路产生的干涉信号I₃₄的计算公式为：

其中，E为光路中的场强，ω_s为光波角频率，τ_t2＝n(l₇+l₈+2l₉+2l₁₀)/c，τ_a2＝n(l₈-l₇)/c，τ_b＝nl₁₀/c，n为光纤折射率，c为光速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的通过对干涉信号进行解调处理分别计算出所述PD₁、所述PD₂接收到的干涉信号对应的零频点频率，根据所有干涉信号对应的零频点频率确定所述异常扰动点的位置信息，包括：

在光探测器PD1接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₁₂对应的零频点频率

在光探测器PD2接收到两路干涉信号后，通过相应的解调技术得出两路干涉信号之间的相位差，并对相位差进行傅里叶变换推导出干涉信号I₃₄对应的零频点频率

异常扰动点到法拉第旋转镜FRM之间的光纤距离

的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤回路设置在列车运行轨道旁，所述外界异常扰动信号为列车运行产生的噪声信号。

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