CN110497933A - 基于双波长的安全型列车计轴系统及方法 - Google Patents
基于双波长的安全型列车计轴系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：它包括宽带光纤光栅组和解调仪，所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅，所述第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅、第三宽带光纤光栅分别与各自对应的应变片粘接，三个应变片再粘接在轨腰上，且第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅、第三宽带光纤光栅位于同一条直线上；所述解调仪采用2x2取2冗余结构；本发明能够有效提升列车计轴功能的准确性和可靠性，并可实现列车行驶方向判断，系统自检等功能。
Description
技术领域
本发明涉及轨道运输安全监测技术领域，具体地指一种基于双波长的安全型列车计轴系统及方法。
背景技术
随着我国高速铁路技术愈加成熟，铁路运输安全问题尤为突出。轨道列车计轴技术，通过计数列车车轴，判断行车方向，以此确定轨道占用情况，对避免列车间正面冲突或追尾事故，保障行车安全具有关键性作用。传统的电类轨道占用的监测方法主要有轨道电路和电磁计轴器两种。
轨道电路主要由车轴与轨道形成电气回路，是由导体、钢轨绝缘体、送电设备、受电设备及限流电阻构成的设备，用于判断待测区间是否存在列车占用。电磁计轴器实现计轴，需要在轨道两侧分别设置发射线圈和感应线圈，使计轴点处于磁场中。当列车通过计轴点时，导致感应线圈上的感应电动势相对于无车轮时的感应电动势发生变化，以此判断有列车经过，实现计轴，进而实现监测轨道占用的功能。
综上所述，轨道电路及电磁计轴器的实现均须有设备在室外布置，且高度依赖于其优良的电传输特性。
在“雷击对轨道电路的影响分析”(中图分类号：U284.2)文章中，提出特别是在雷雨季节，很容易遭到雷电的侵害，致使设备损坏，给交通运输带来极大的影响，致使列车无法安全的运行，严重时可造成重大事故。在“电磁感应式计轴设备的常见干扰源与抗干扰方法研究”(中图分类号：U284.47)文章中，提出国铁大部分计轴设备干扰故障是由雷害、电涌、过电压等电磁干扰造成的。虽然国内引进计轴技术已10年有余,并且在多个铁路局大面积应用,但电磁干扰问题仍未有效解决。
光纤光栅传感技术自诞生起，因具有电绝缘性、抗电磁干扰、耐腐蚀，化学稳定性强、距离长等特点，其被广泛用于强电磁干扰及湿度多变的环境中。且基于光纤光栅开发的计轴产品，无需将电磁敏感设备置于室外环境，可以避免上述电类设备面临的问题，使得产品不再疲于应对应用场景的电磁干扰等影响。
实用新型专利CN200920088856.3公布了一种基于两只独立光纤光栅传感器的列车计轴及判向方案。当列车以先后次序碾压在两只光纤光栅传感器上时，两传感器的波长飘移值在相邻时刻各产生一个脉冲，以脉冲来临次序判断列车行驶方向。该方案缺点在于，只能通过排序两只光纤光栅测得的第一个脉冲，以此判断行车方向。若第一个脉冲来临次序判断有误，可能导致系统得出错误的行车方向，严重影响轨道运输安全。发明专利CN201610956103.4将两只光纤光栅粘贴在应变片的两面，再将应变片整体固定于铁轨底部，当有列车来临时，两只光纤光栅的波长变化等大反向，可以起到增敏的效果。且因两只光纤光栅处于同一温度环境，可以相互补偿消除温度影响。该方法整体采用机械结构，以弹簧作为应力传输主要器件之一，易随轨道振动发生位移，产生噪声。且轨道易出现高频振动，长期用于该场景下的机械结构易出现老化，威胁轨道运输安全。
上述既有专利描述的光路及电路部分，均为单路数据传输与处理，安全性能局限。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于双波长的安全型列车计轴系统及方法。本发明能够有效提升列车计轴功能的准确性和可靠性，并可实现列车行驶方向判断，系统自检等功能。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：它包括宽带光纤光栅组和解调仪，所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅，所述第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅、第三宽带光纤光栅分别与各自对应的应变片粘接，三个应变片再粘接在轨腰上，且第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅、第三宽带光纤光栅位于同一条直线上；
所述解调仪包括光源控制板、DFB激光器、一分二耦合器A、第一光电转换模块、二分三耦合器、光环形器、第二光电转换模块、主控制板、一分二耦合器B、一分二耦合器C；
所述光源控制板用于控制DFB激光器输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器传输给第一光电转换模块转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路经由二分三耦合器、光环形器分别传输给第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅；
DFB激光器输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器传输给第一光电转换模块转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路经由二分三耦合器、光环形器分别传输给第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅；
所述第一窄线宽滤波器的波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，第二窄线宽滤波器的波长与第二束单一波长的连续光的波长相等；
第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅输出的三束反射光分别依次通过光环形器、一分二耦合器B、一分二耦合器C后分别分成两路进入对应的第一光滤波器和第二光滤波器进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
第一光滤波器的中心波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第二束单一波长的连续光通过；第二光滤波器的中心波长与第二束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第一束单一波长的连续光通过；
第二光电转换模块用于将第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光转换为第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号；
主控制板用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴。
一种利用上述系统的列车计轴方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述光源控制板用于控制DFB激光器输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器传输给第一光电转换模块转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路经由二分三耦合器、光环形器分别传输给第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅；
步骤2：DFB激光器输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器传输给第一光电转换模块转换为电信号，并由光源控制板进行光源自检，另一路经由二分三耦合器、光环形器分别传输给第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅；
步骤3：第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
步骤4：第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅输出的三束反射光分别依次通过光环形器、一分二耦合器B、一分二耦合器C后分别分成两路进入对应的第一光滤波器和第二光滤波器进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
主控制板用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
第一宽带光纤光栅、第二宽带光纤光栅和第三宽带光纤光栅输出的三束反射光分别依次通过光环形器、一分二耦合器B、一分二耦合器D后分别分成两路进入对应的第一光滤波器和第二光滤波器进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
辅控制板用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
步骤5：所述主控制板输出的列车计轴结果与辅控制板输出的列车计轴结果进行比较，如果结果相同，则主控制板输出列车计轴结果，如果结果不同，则主控制板报警。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性：
该系统通过一分二耦合器将搭载在光信号上的应力变化信息复制为两份，各使其经过一套光路模块及电路模块均独立的数据传输及处理方案，通过对比分析轴数，若两套系统的计轴数一致，则对外输出；若计轴数不同，则输出警告信息。有效提升列车计轴产品的安全性。同时结合一种三点布栅的计轴方案，有效避免传统的两点布栅方案存在的判向失误隐患，进一步提升系统安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中解调仪的结构示意图；
图3为本发明中本发明涉及的宽带光纤光栅及调制原理示意图；
图4为基于图1解调原理的双波长匹配反射光光强变化趋势图；
图5为本发明中解调特性曲线图。
图2中虚线框内为光路部分。
图3中，λ1是光栅光谱左侧谷底，Δλ2DFB是左侧激光器的光谱宽度，Δλ3DFB是右侧激光器的光谱宽度，λ4是光栅光谱右侧谷底，Δλ是光栅光谱底部带宽，str表示应变方向，就是列车运行方向；
其中，1—第一宽带光纤光栅、1.1—第二宽带光纤光栅、1.2—第三宽带光纤光栅、2—光纤接续盒、3—解调仪、4—应变片、5—光源控制板、6—DFB激光器、7—一分二耦合器A、8—第一光滤波器、9—第一光电转换模块、10—二分三耦合器、11—光环形器、12—第二光电转换模块、13—主控制板、14—第三光电转换模块、15—辅控制板、16—一分二耦合器B、17—一分二耦合器C、18—一分二耦合器D、19—第二光滤波器、20—第一窄线宽滤波器、21—第二窄线宽滤波器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示的基于双波长的安全型列车计轴系统，它包括宽带光纤光栅组和解调仪3，所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2，所述第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1、第三宽带光纤光栅1.2分别与各自对应的应变片4粘接，三个应变片4再粘接在轨腰上，且第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1、第三宽带光纤光栅1.2位于同一条直线上；
所述解调仪3包括光源控制板5、DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)激光器6、一分二耦合器A7、第一光电转换模块9、二分三耦合器10、光环形器11、第二光电转换模块12、主控制板13、一分二耦合器B16、一分二耦合器C17；
所述光源控制板5用于在主控制板13的许可下控制DFB激光器6输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A7分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器20传输给第一光电转换模块9转换为电信号，并由光源控制板5进行光源自检(若光源出光异常，导致出光的中心波长飘出第一窄线宽滤波器，则光源控制板5报警，保证光源出光部分正常)，另一路经由二分三耦合器10、光环形器11分别传输给第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2；
DFB激光器6输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A7分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器21传输给第一光电转换模块9转换为电信号，并由光源控制板5进行光源自检，另一路经由二分三耦合器10、光环形器11分别传输给第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2；
所述第一窄线宽滤波器20的波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，第二窄线宽滤波器21的波长与第二束单一波长的连续光的波长相等；
第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2输出的三束反射光分别依次通过光环形器11、一分二耦合器B16、一分二耦合器C17后分别分成两路进入对应的第一光滤波器8和第二光滤波器19进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
第一光滤波器8的中心波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第二束单一波长的连续光通过；第二光滤波器19的中心波长与第二束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第一束单一波长的连续光通过；
第二光电转换模块12用于将第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光转换为第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号；
主控制板13用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴。
上述技术方案中，第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2反射光光谱中心波长1550nm，底部带宽8nm(即Δλ＝λ4-λ1＝8nm，λ1是光栅光谱左侧谷底，λ4是光栅光谱右侧谷底，Δλ是光栅光谱底部带宽)。
上述技术方案中，第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2采用相位掩膜板法制作，控制刻写参数如下：条纹周期np＝0.00000053356m、光栅长度L＝0.16mm、纤芯原始折射率n1＝1.446、边缘可见度V＝1、折射率调制深度DeltaN＝0.0034。两束单一波长连续光的波长稳定不变且分别对应于宽带光纤光栅反射光谱的波峰及右侧波谷处，此时波峰处反射光强最大，波谷处反射光强最小(上述参数为实现8nm底部带宽，增大解调系统对应变值检测的量程(保证应变的检测的量程到4nm))。
如图4所示，当有应力来临时，光栅反射光光谱向右偏移，则两处回光光强一个增大一个减小。反射光经光电转换之后所得电压(mv)与应变(με)曲线交叉呈“X”型。
如图5所示，将图3所得两反射光转换得到的电压值求对数再作差之后，得到解调特性曲线。其中线性区域为可用的解调区域，应当将待测计轴点反馈给光纤光栅的应变值限制于该线性区间内。
上述技术方案中，它还包括第三光电转换模块14、辅控制板15和一分二耦合器D18，第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2输出的三束反射光分别依次通过光环形器11、一分二耦合器B16、一分二耦合器D18后分别分成两路进入对应的第一光滤波器8和第二光滤波器19进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
第三光电转换模块14用于将与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光转换为与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号；
辅控制板15用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴。
上述技术方案中，所述第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1、第三宽带光纤光栅1.2位于相邻的两个轨道枕木之间。
上述技术方案中，所述DFB激光器6输出的第一束单一波长的连续光的波长等于第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1、第三宽带光纤光栅1.2反射光谱的波峰；
所述DFB激光器6输出的第二束单一波长的连续光的波长等于第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1、第三宽带光纤光栅1.2反射光谱的右侧波谷。
上述技术方案中，所述第一束单一波长的连续光的波长为1550nm，第二束单一波长的连续光的波长为1554nm(该波段的光器件成本较低)。
上述技术方案中，所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2均通过光纤接续盒2接入光环形器11。光纤接续盒2用于将光纤汇集成缆，接入放在解调仪3的光环形器11。
本发明中置于室外的设备无电磁敏感器件，且耐高温高寒，有效减弱室外环境影响，提升安全性。
一种利用上述系统的列车计轴方法，包括如下步骤：
步骤1：所述光源控制板5用于控制DFB激光器6输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A7分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器20传输给第一光电转换模块9转换为电信号，并由光源控制板5进行光源自检，另一路经由二分三耦合器10、光环形器11分别传输给第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2；
步骤2：DFB激光器6输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A7分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器21传输给第一光电转换模块9转换为电信号，并由光源控制板5进行光源自检，另一路经由二分三耦合器10、光环形器11分别传输给第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2；
步骤3：第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
步骤4：第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2输出的三束反射光分别依次通过光环形器11、一分二耦合器B16、一分二耦合器C17后分别分成两路进入对应的第一光滤波器8和第二光滤波器19进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
主控制板13用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
第一宽带光纤光栅1、第二宽带光纤光栅1.1和第三宽带光纤光栅1.2输出的三束反射光分别依次通过光环形器11、一分二耦合器B16、一分二耦合器D18后分别分成两路进入对应的第一光滤波器8和第二光滤波器19进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
辅控制板15用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
步骤5：所述主控制板13输出的列车计轴结果与辅控制板15输出的列车计轴结果进行比较，如果结果相同，则主控制板13输出列车计轴结果，如果结果不同，则主控制板13报警。
上述技术方案的步骤4中，主控制板13将第一宽带光纤光栅1输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第一宽带光纤光栅1感应到的应变值；
主控制板13将第二宽带光纤光栅1.1输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第二宽带光纤光栅1.1感应到的应变值；
主控制板13将第三宽带光纤光栅1.2输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第三宽带光纤光栅1.2感应到的应变值；
主控制板13将第一宽带光纤光栅1感应到的应变值转换为第一宽带光纤光栅1的光栅中心波长变化量；
主控制板13将第二宽带光纤光栅1.1感应到的应变值转换为第二宽带光纤光栅1.1的光栅中心波长变化量；
主控制板13将第三宽带光纤光栅1.2感应到的应变值转换为第三宽带光纤光栅1.2的光栅中心波长变化量；
主控制板13获取第一宽带光纤光栅1的光栅中心波长变化量与第二宽带光纤光栅1.1的光栅中心波长变化量的差值序列，从而确定该差值序列的峰值点和谷值点；
主控制板13获取第二宽带光纤光栅1.1的光栅中心波长变化量与第三宽带光纤光栅1.2的光栅中心波长变化量的差值序列，从而确定该差值序列的峰值点和谷值点；
对于第一宽带光纤光栅1的光栅中心波长变化量与第二宽带光纤光栅1.1的光栅中心波长变化量的差值序列，该差值序列的峰值点对应车轮行驶到第一宽带光纤光栅1时形成的应变极大值点，标记为A，该差值序列的谷值点对应车轮行驶到第二宽带光纤光栅1.1时形成的应变极大值点，标记为B；
对于第二宽带光纤光栅1.1的光栅中心波长变化量与第三宽带光纤光栅1.2的光栅中心波长变化量的差值序列，该差值序列的峰值点对应车轮行驶到第二宽带光纤光栅1.1时形成的应变极大值点，标记为B1，该差值序列的谷值点对应车轮行驶到第三宽带光纤光栅1.2时形成的应变极大值点，标记为C；
主控制板13按时间顺序将各个宽带光纤光栅的应变极大值点进行排序，排序中标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列表示有车轴通过，且标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列表示了列车行驶的方向(即两个相反的方向)，对标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列进行计数，实现列车计轴和列车行驶方向判断。
本发明中在辅控制板15中也采用步骤4中主控制板13内相同的方法进行列车计轴和列车行驶方向判断。
在本发明使用时，采用两套基于双波长的安全型列车计轴系统同时进行列车计轴和列车行驶方向判断，及两套宽带光纤光栅组和解调仪3，形成2x2取2冗余结构，两套宽带光纤光栅组均位于相邻的两个轨道枕木之间。两套基于双波长的安全型列车计轴系统可采用双机热备或并用方式。
双机热备：两套系统一主一辅，同时工作。主设备向外输出计轴及判向结果，当主设备异常时，由辅设备接替工作。
并用方式：即同时向外输出计轴及判向结果。对比一致，向外输出；不一致则报警。可以提升系统安全性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：它包括宽带光纤光栅组和解调仪(3)，所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)，所述第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)、第三宽带光纤光栅(1.2)分别与各自对应的应变片(4)粘接，三个应变片(4)再粘接在轨腰上，且第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)、第三宽带光纤光栅(1.2)位于同一条直线上；
所述解调仪(3)包括光源控制板(5)、DFB激光器(6)、一分二耦合器A(7)、第一光电转换模块(9)、二分三耦合器(10)、光环形器(11)、第二光电转换模块(12)、主控制板(13)、一分二耦合器B(16)、一分二耦合器C(17)；
所述光源控制板(5)用于控制DFB激光器(6)输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A(7)分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器(20)传输给第一光电转换模块(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路经由二分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)；
DFB激光器(6)输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A(7)分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器(21)传输给第一光电转换模块(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路经由二分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)；
所述第一窄线宽滤波器(20)的波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，第二窄线宽滤波器(21)的波长与第二束单一波长的连续光的波长相等；
第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(16)、一分二耦合器C(17)后分别分成两路进入对应的第一光滤波器(8)和第二光滤波器(19)进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
第一光滤波器(8)的中心波长与第一束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第二束单一波长的连续光通过；第二光滤波器(19)的中心波长与第二束单一波长的连续光的波长相等，且具有一定光谱宽度，但不会使第一束单一波长的连续光通过；
第二光电转换模块(12)用于将第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光转换为第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号；
主控制板(13)用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴。
2.根据权利要求1所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)反射光光谱中心波长1550nm，底部带宽8nm；
所述第一束单一波长的连续光的波长为1550nm，第二束单一波长的连续光的波长为1554nm。
3.根据权利要求2所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)采用相位掩膜板法制作，控制刻写参数如下：条纹周期np＝0.00000053356m、光栅长度L＝0.16mm、纤芯原始折射率n1＝1.446、边缘可见度V＝1、折射率调制深度DeltaN＝0.0034。
4.根据权利要求1所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：它还包括第三光电转换模块(14)、辅控制板(15)和一分二耦合器D(18)，第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(16)、一分二耦合器D(18)后分别分成两路进入对应的第一光滤波器(8)和第二光滤波器(19)进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
第三光电转换模块(14)用于将与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光转换为与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号；
辅控制板(15)用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴。
5.根据权利要求1所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：所述第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)、第三宽带光纤光栅(1.2)位于相邻的两个轨道枕木之间。
6.根据权利要求1所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：所述DFB激光器(6)输出的第一束单一波长的连续光的波长等于第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)、第三宽带光纤光栅(1.2)反射光谱的波峰；
所述DFB激光器(6)输出的第二束单一波长的连续光的波长等于第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)、第三宽带光纤光栅(1.2)反射光谱的右侧波谷。
7.根据权利要求1所述的基于双波长的安全型列车计轴系统，其特征在于：所述宽带光纤光栅组包括第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)均通过光纤接续盒(2)接入光环形器(11)。
8.一种利用权利要求1所述系统的列车计轴方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：所述光源控制板(5)用于控制DFB激光器(6)输出两束波长不同的单一波长连续光，其中第一束单一波长的连续光经过第一个一分二耦合器A(7)分成两路，一路经由对应的第一窄线宽滤波器(20)传输给第一光电转换模块(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路经由二分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)；
步骤2：DFB激光器(6)输出的第二束单一波长连续光经过第二个一分二耦合器A(7)分成两路，一路经由对应的第二窄线宽滤波器(21)传输给第一光电转换模块(9)转换为电信号，并由光源控制板(5)进行光源自检，另一路经由二分三耦合器(10)、光环形器(11)分别传输给第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)；
步骤3：第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)中的光栅分别对两束单一波长连续光中与光栅对应的光强进行调制，当列车驶过时，应力经由铁轨传输至宽带光纤光栅组上时，光栅反射光的中心波长发生偏移，两束单一波长连续光的反射光强随之发生规律变化；
步骤4：第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(16)、一分二耦合器C(17)后分别分成两路进入对应的第一光滤波器(8)和第二光滤波器(19)进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
主控制板(13)用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
第一宽带光纤光栅(1)、第二宽带光纤光栅(1.1)和第三宽带光纤光栅(1.2)输出的三束反射光分别依次通过光环形器(11)、一分二耦合器B(16)、一分二耦合器D(18)后分别分成两路进入对应的第一光滤波器(8)和第二光滤波器(19)进行滤波，并得到每个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光；
辅控制板(15)用于根据三个宽带光纤光栅发出的与第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号，和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号得到三个宽带光纤光栅处的轨道应变信息，根据列车来临时三个宽带光纤光栅处的应变及应变信号的先后顺序进行列车计轴；
步骤5：所述主控制板(13)输出的列车计轴结果与辅控制板(15)输出的列车计轴结果进行比较，如果结果相同，则主控制板(13)输出列车计轴结果，如果结果不同，则主控制板(13)报警。
9.根据权利要求8所述的列车计轴方法，其特征在于：所述步骤4中，主控制板(13)将第一宽带光纤光栅(1)输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第一宽带光纤光栅(1)感应到的应变值；
主控制板(13)将第二宽带光纤光栅(1.1)输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第二宽带光纤光栅(1.1)感应到的应变值；
主控制板(13)将第三宽带光纤光栅(1.2)输出的第一束单一波长的连续光对应的反射光电信号和与第二束单一波长的连续光对应的反射光电信号进行双波长的光强解调得到第三宽带光纤光栅(1.2)感应到的应变值；
主控制板(13)将第一宽带光纤光栅(1)感应到的应变值转换为第一宽带光纤光栅(1)的光栅中心波长变化量；
主控制板(13)将第二宽带光纤光栅(1.1)感应到的应变值转换为第二宽带光纤光栅(1.1)的光栅中心波长变化量；
主控制板(13)将第三宽带光纤光栅(1.2)感应到的应变值转换为第三宽带光纤光栅(1.2)的光栅中心波长变化量；
主控制板(13)获取第一宽带光纤光栅(1)的光栅中心波长变化量与第二宽带光纤光栅(1.1)的光栅中心波长变化量的差值序列，从而确定该差值序列的峰值点和谷值点；
主控制板(13)获取第二宽带光纤光栅(1.1)的光栅中心波长变化量与第三宽带光纤光栅(1.2)的光栅中心波长变化量的差值序列，从而确定该差值序列的峰值点和谷值点；
对于第一宽带光纤光栅(1)的光栅中心波长变化量与第二宽带光纤光栅(1.1)的光栅中心波长变化量的差值序列，该差值序列的峰值点对应车轮行驶到第一宽带光纤光栅(1)时形成的应变极大值点，标记为A，该差值序列的谷值点对应车轮行驶到第二宽带光纤光栅(1.1)时形成的应变极大值点，标记为B；
对于第二宽带光纤光栅(1.1)的光栅中心波长变化量与第三宽带光纤光栅(1.2)的光栅中心波长变化量的差值序列，该差值序列的峰值点对应车轮行驶到第二宽带光纤光栅(1.1)时形成的应变极大值点，标记为B1，该差值序列的谷值点对应车轮行驶到第三宽带光纤光栅(1.2)时形成的应变极大值点，标记为C；
主控制板(13)按时间顺序将各个宽带光纤光栅的应变极大值点进行排序，排序中标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列表示有车轴通过，且标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列表示了列车行驶的方向，对标记为A、B、B1、C的应变极大值点序列和标记为C、B1、B、A的应变极大值点序列进行计数，实现列车计轴和列车行驶方向判断。
10.根据权利要求9所述的列车计轴方法，其特征在于：采用两套基于双波长的安全型列车计轴系统同时进行列车计轴和列车行驶方向判断，及两套宽带光纤光栅组和解调仪(3)，形成2x2取2冗余结构。
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