CN110281984A - 基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统，包括：光源、信号探测装置、OFDR主机、数字信号处理子系统、光缆以及光缆屏蔽层。所述光源用于产生并向光缆注入光信号；所述信号探测装置用于接收并处理光缆中的后向瑞利散射光；所述OFDR主机用于解调出由列车运行振动产生的光缆应变信号；所述数字信号处理子系统与OFDR主机连接，用于进一步对上述应变信号进行处理，以获得列车运行的实时位置信息。所述数字信号处理子系统与列车运行控制系统连接，向列车运行控制系统实时发送列车位置信息，为列车自动精确控制提供必要条件。

Description

基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是一种基于OFDR的高速磁浮列车定位技术。

背景技术

高速磁浮是一种列车以磁悬浮方式沿轨道高速运行的新型轨道交通。轨道交通列车运行控制系统是保障行车安全的关键系统，其中，列车的精确定位是实现列车运行自动控制的重要因素。由于磁悬浮列车没有车轮，列车运行时悬浮在轨道上方，列车运行工况与轮轨铁路完全不同，使得轮轨铁路常用的定位设备如轨道电路、计轴等技术手段在高速磁浮交通领域已无法使用。其次，高速磁悬浮列车的运行速度比轮轨列车高得多，一般不低于500公里/小时，应答器/信标等基于RFID射频技术的定位设备只能运用在运行速度低于400公里/小时的轨道交通中，因此应答器/信标也无法满足高速磁浮的更高速度需求。高速磁浮的高速特性要求其运行控制系统具有比轮轨铁路更高的实时性和准确性，因此必须快速、准确地获取列车的实时位置信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统，具有实时、准确的特点。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位系统，包括光源、信号探测装置、OFDR主机、数字信号处理子系统、光缆；

所述光缆沿轨道线路安装于轨道的受力形变处；

所述光源包括激光器和耦合器，耦合器包括探测光输出端和参考光输出端；

所述信号探测装置包括波形发生器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光混频器、平衡光电探测器、模/数转换器，耦合器的探测光输出端和波形发生器连接声光调制器，声光调制器输出至环形器，环形器与光缆的光纤连接，并与光纤放大器连接；光纤放大器和耦合器的参考光输出端皆输出至光混频器，光混频器通过平衡光电探测器和模/数转换器输出至OFDR主机，经数字信号处理子系统获取列车位置信号。

所述光缆为施加了屏蔽措施的单模光纤光缆，光缆沿轨道梁的滑行轨面下侧安装。

本发明还提供一种基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)向沿轨道线路设置并安装于轨道的受力形变处的光缆注入调制后的探测光信号；

2)检测光缆中的后向瑞利散射光，解调出轨道梁的原始应变信号，原始应变信号包括光缆应变位置和幅度的关系；

3)原始应变信号作小波变换后，提取符合列车运行特征的应变信号，由此确定列车位置。

本发明具有如下优点：

一、具备全天候运行的条件。

二、与列车运行控制系统接口，使得列车运行控制系统能够实时获取列车的位置，为列车自动精确控制提供必要条件。

三、对所采用的光缆施加了屏蔽措施，使其具备抗强电磁干扰能力，能够在磁浮电磁环境下正常工作。

四、相较于传统的分布式光纤传感技术，OFDR采用扫频脉冲光作为探测光进行分布式探测，其空间分辨率仅由扫频范围决定，该特性使OFDR可实现较长探测距离下的高空间分辨率的分布式监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统安装示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统数字信号处理子系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光缆安装示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统包括光源、信号探测装置、OFDR主机、数字信号处理子系统、光缆、光缆屏蔽层，分别说明如下：

1、光源

所述光源用于产生并向光缆注入光信号；其中，所述光源包括可调谐窄线宽激光器、耦合器、声光调制器、波形发生器。

所述可调谐窄线宽激光器用于发射连续光，输出给耦合器；

所述耦合器用于将激光器发射的连续光分束为探测光和参考光；

所述波形发生器用于产生扫频信号，作为声光调制器的射频输入信号；

所述声光调制器用于对所述窄线宽激光器输出的连续光进行调制，使其由连续光信号变为扫频光脉冲信号；

2、信号探测装置

所述信号探测装置用于接收并处理光缆中后向的瑞利散射光；其中，所述信号探测装置包括波形发生器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光混频器、平衡光电探测器、模/数转换器。

所述光纤放大器用于将所述扫频光脉冲信号的功率放大到合适值；

所述环形器用于将调整后的扫频光脉冲信号经其第一端口到第二端口注入光缆，产生的后向瑞利散射光经其第二端口到第三端口输出；

所述光混频器用于将光缆中的后向瑞利散射光与参考光进行拍频处理并将拍频后的光信号输出至光电探测器；

所述平衡光电探测器用于将光信号转换为电信号；

模/数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，以便于计算机处理；

3、OFDR主机

OFDR主机用于对上述拍频光信号的瑞利散射光谱信息做互相关分析，以解调出轨道梁发生振动的位置和幅度信息，即应变信号；轨道梁振动将导致沿轨道梁滑行轨面下侧安装的光缆产生应变，此时互相关分析结果会在产生应变的位置出现一个明显的峰值，且该峰值的幅度和应变大小成正比；其特征在于，由光源发出的光具有振幅和相位项，而相位项是随时间变化的一个非线性函数，可用下式表示：

式中，f₀和是光源的初始频率和初始相位；γ为可调谐光源的调谐速率。则参考光的光场可表示为：

式中，E₀是光场的初始振幅，j为虚数符号。探测光的光场可表示为：

式中，R(τ_x)表示光纤的反射系数；τ_x表示光纤中后向瑞利散射光与参考光的时间延迟，它与光纤上散射点的位置相关，可用下式表示：

式中，x代表光纤上一个反射点的位置，n为光纤的有效折射率，c为光在真空中的传播速度。

光混频器将光纤中的后向瑞利散射光与参考光进行拍频处理，发生拍频干涉的光强信号表达式为：

式中，f_b探测光与参考光在形成拍频干涉时的拍频大小。光纤对应的光纤某位置x处出现应变时，光强信号可表示为：

式中，Asin(2πf_kt)是由于光纤应变引起的光信号的相位变化，其中A是相位的调制幅值，f_k是应变的频率大小。

对两组无应变信号，以及无应变与有应变信号之间分别进行互相关处理：

式中，J_m(·)为m阶贝塞尔函数。从上式可以看出，两组无应变信号的互相关分析结果，将出现非常明显的互相关峰且仅出现在中心位置；而有应变和无应变信号的互相关分析结果，中心互相关峰的峰值会很低，但在有应变发生的位置互相关曲线会出现一处非常明显的突变，并且发生突变的起始位置就是当前应变发生的位置。因此，可以通过互相关曲线的突变点判断光纤发生应变的位置。

4、数字信号处理子系统

所述数字信号处理子系统用于对所述光纤的应变信号进行处理，获得列车运行的实时位置信息，其特征在于，磁浮列车运行产生的振动通过轨道梁传递到光缆，对光缆施加应变；数字信号处理子系统不断探测整条光缆的应变情况判断磁浮列车的位置；

所述信号预处理模块用于对上述应变信号进行预处理；原始应变信号Y_T(x)包含大量噪声，通过对原始应变信号进行小波变换以获得信噪比较高的应变信号。

所述列车位置解析模块通过光缆位置与该位置应变幅度的关系Y_T(x)的上升沿和下降沿位置获取该时刻磁浮列车的位置；列车运行产生振动导致光缆发生应变，因此在Y_T(x)中存在一段与列车位置对应的信号，其幅值高于其他位置信号的幅值，且这段信号的边界即为列车车头与车尾的位置，进一步对Y_T(x)进行峰值检测，求取信号的上升沿和下降沿出现的位置，即可准确获取定位周期内磁浮列车的位置。

所述与列控系统接口模块用于与分区列车运行控制系统接口，向其发送磁浮列车实时位置信息。

特别地，所述光源、信号探测装置、OFDR主机以及数字信号处理子系统安装在列车运行控制系统设备室，并与列车运行控制系统接口，向其提供列车实时位置信息。

特别地，所述光缆选用施加了屏蔽措施的单模光纤光缆，沿着轨道梁的滑行轨面下侧安装；屏蔽层将光缆封闭，用于屏蔽磁浮列车产出的电磁干扰对光缆的影响。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例提供的基于OFDR的高速磁浮列车定位系统安装示意图。

本实施例中基于OFDR的高速磁浮列车定位系统102安装在分区列车运行控制系统设备室101中，并与同样安装在分区列车运行控制系统设备室101中的分区列车运行控制系统103接口。当磁浮列车106在轨道梁104和滑行轨的上方运行时会在轨道梁104及滑行轨上产生振动，振动会使轨道梁104下方安装的光缆105产生应变。高速磁浮列车定位系统102通过不断探测整条光缆的应变情况判断磁浮列车106的位置。

光源107用于产生并向光缆注入光信号，信号探测装置108通过光缆105接收并处理后向的瑞利散射光，所述光缆105选用施加了屏蔽措施的单模光纤光缆，沿着轨道梁104的滑行轨下表面安装。

所述OFDR主机109通过互相关分析，解调出轨道梁104发生振动的位置和幅度信息，即光缆105的应变信号；轨道梁104振动将导致沿轨道梁104滑行轨面下侧安装的光缆105产生应变，此时互相关分析结果会在产生应变的位置出现一个明显的峰值，且该峰值的幅度和应变大小成正比；

所述数字信号处理子系统110用于对所述光缆105的应变信号进行处理，获得磁浮列车106运行的实时位置信息，其特征在于，磁浮列车106运行产生的振动通过轨道梁104传递到光缆105，对光缆105施加应变；数字信号处理子系统110不断探测整条光缆的应变情况判断磁浮列车的位置；

图2为本发明实施例提供的基于OFDR光纤的高速磁浮列车定位系统结构框图。

于本实施例，所述光源包括激光器201、耦合器202；所述信号探测装置包括波形发生器211、声光调制器203、光纤放大器205、环形器204、光混频器206、平衡光电探测器208、模/数转换器209。激光器201产生连续光信号，再通过耦合器202用于将连续光分束为探测光和参考光；声光调制器203结合波形发生器211产生的射频信号对探测光进行调制，使其由连续光信号变为扫频光脉冲信号；环形器204将调整后的扫频光脉冲信号经其第一端口到第二端口注入光缆，产生的后向瑞利散射光经其第二端口到第三端口输出；光纤放大器205将扫频光脉冲信号的功率放大到合适值；光混频器206用于将光缆中的后向瑞利散射光与参考光进行拍频处理；平衡光电探测器208将光信号转换为电信号；模/数转换器209将模拟信号转换为数字信号；OFDR主机210用于对上述数字信号进行处理解调出光缆的应变信号；数字信号处理子系统212用于对上述应变信号进行处理，获得列车运行的实时位置信息，并将该信息发送给列车运行控制系统。

图3为本发明实施例提供的数字信号处理子系统结构框图。

信号预处理模块301用于对应变信号进行小波变换得到信噪比较高的应变信号Y_T(x)；列车位置解析模块302通过Y_T(x)的上升沿与下降沿判断该时刻列车的位置；与列控系统接口模块303用于与分区列车运行控制系统接口，向其发送列车实时位置信息。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种光缆安装示意图。

轨道梁401用于支撑车辆及滑行轨；滑行轨402用于支撑低速或故障车辆的运行，磁浮车辆运行时会在滑行轨402产生振动；光缆403选用单模光纤光缆，沿着轨道梁401的滑行轨402下表面安装，用于探测由磁浮车辆运行时在滑行轨402产生的振动；光缆屏蔽层404沿着轨道梁401的滑行轨402下表面安装，将光缆403封闭，用于屏蔽磁浮列车产出的电磁干扰对光缆的影响。

Claims (3)

1.基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位系统，其特征在于，包括光源、信号探测装置、OFDR主机、数字信号处理子系统、光缆；

所述光缆沿轨道线路安装于轨道的受力形变处；

所述光源包括激光器和耦合器，耦合器包括探测光输出端和参考光输出端；

所述信号探测装置包括波形发生器、声光调制器、光纤放大器、环形器、光混频器、平衡光电探测器、模/数转换器，耦合器的探测光输出端和波形发生器连接声光调制器，声光调制器输出至环形器，环形器与光缆的光纤连接，并与光纤放大器连接；光纤放大器和耦合器的参考光输出端皆输出至光混频器，光混频器通过平衡光电探测器和模/数转换器输出至OFDR主机，经数字信号处理子系统获取列车位置信号。

2.如权利要求1所述的基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位系统，其特征在于，所述光缆为施加了屏蔽措施的单模光纤光缆，光缆沿轨道梁的滑行轨面下侧安装。

3.基于光频域反射技术的高速磁浮列车定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)向沿轨道线路设置并安装于轨道的受力形变处的光缆注入调制后的探测光信号；

2)检测光缆中的后向瑞利散射光，解调出轨道梁的原始应变信号，原始应变信号包括光缆应变位置和幅度的关系；

3)原始应变信号作小波变换后，提取符合列车运行特征的应变信号，由此确定列车位置。