CN111147133A - 一种基于φ-OTDR的车流量实时监测系统及方法 - Google Patents

一种基于φ-OTDR的车流量实时监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于
Figure DDA0002333295950000011
的车流量实时监测系统及方法，该系统包括：传感光缆、基于
Figure DDA0002333295950000012
的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；基于
Figure DDA0002333295950000013
的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取传感光缆监测到的振动信号，并对振动信号进行分析处理，得到光信号强度；交换机，通过网线与基于
Figure DDA0002333295950000014
的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；监控端，用于根据光信号强度以振动信号瀑布图的形式进行展示，实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。本发明可以二十四小时全天候地对公路上方车流量进行直观可靠的实时监测，实用价值高。

Description

一种基于*的车流量实时监测系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于
Figure BDA0002333295930000012
的车流量实时监测系统及方法。
背景技术
伴随我国经济不断发展，道路交通建设不断完善，对公路上车流量进行实时监测逐渐成为交通领域的研究热点。一方面，城市智能交通已得到社会各界的广泛关注，这样一个稳定可靠能全天24小时对公路路况车流量进行实时监测的系统对于保障交通安全畅通和智能控制提供了基础；另一方面，一个方便的车流量实时监测系统也为广大司乘人员出行提供了参考便利。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于
Figure BDA0002333295930000013
的车流量实时监测系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于
Figure BDA0002333295930000016
的车流量实时监测系统，该系统包括：传感光缆、基于
Figure BDA0002333295930000014
的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：
传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；
基于
Figure BDA0002333295930000015
的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号；通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，并提取拍频信号的交流部分信号，对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
交换机，通过网线与基于
Figure BDA0002333295930000021
的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；
监控端，用于根据光信号强度建立信号瀑布图，通过信号瀑布图实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。
进一步地，本发明的基于
Figure BDA0002333295930000022
的光纤振动监测主机中获得瑞利后向散射信号的方式为：
当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号。
进一步地，本发明的基于
Figure BDA0002333295930000023
的光纤振动监测主机包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光衰减器、环形器、平衡探测器、数字采集卡、工控板；其中：
激光器作为光源提供窄线宽的连续光，由第一耦合器分路为本地光与调制光；
声光调制器将调制光路连续光斩波调制为连续脉冲光；
掺铒光纤放大器将调制光路脉冲光进行放大；
光衰减器用于调节光功率；
调制光路中脉冲光与环形器第一端口连接，第二端口与传感光缆连接，第三端口即瑞利散射信号光；
第二耦合器两输入端为本地光与瑞利散射信号光，两者相干后经过平衡探测器输出为电信号传输至数字采集卡；
数字采集卡对信号进行数据采集，采集数据送入工控板进一步分析。
进一步地，本发明的传感光缆为普通通信单模光缆。
进一步地，本发明的监控端展示车流量形式为光缆振动信号瀑布图，通过对振动信号瀑布图进行分析，得到车辆数量、车辆行驶速度的信息；监控端还包括远程移动终端。
本发明提供一种基于
Figure BDA0002333295930000024
的车流量实时监测方法，该方法包括以下步骤：
S1、通过平行铺设在监测路段道路两侧的传感光缆实时监测道路车辆行驶过程引起的光纤振动信号；
S2、通过基于
Figure BDA0002333295930000031
的光纤振动监测主机获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；
S3、通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，通过平衡探测器得到拍频信号的交流部分信号，并对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
S4、将解调得到的光信号强度发送给监控端，建立信号瀑布图，信号瀑布图为光信号强度在空间、时间域上的实时分布情况；信号瀑布图中横坐标为光纤距离，纵坐标为时间，信号瀑布图中单点颜色反映光信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，光信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大；通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示。
进一步地，本发明的步骤S2中得到的瑞利后向散射信号具体为：
光纤内光信号后向散射过程为一系列反射镜的反射过程，这些反射镜是在特定长度ΔL的光纤内随机分布的散射体后向散射的矢量和；
在特定长度ΔL的光纤内有M个随机分布的独立的瑞利散射单元，其偏振均相同，M个散射单元的场矢量为：
Figure BDA0002333295930000032
其中，rk和φk分别为脉冲跨度内第K段光纤的M个后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分别是ΔL长度光纤内第i个后向散射的幅度和相位；rk、φk、ai和Ωi为随机变量；
振动点散射回来的瑞利后向散射信号包含非振动光场与振动光场信号，后向散射幅值Es表示为：
ES(t)＝E0expi[2πft+Φ0(t)]+E1expi[2πft+Φ1(t)]
为了方便解调过程提取特征分量，在光器件上引入频移Δf：
ES(t)＝E0expi[2π(f+Δf)t+Φ0(t)]+E1expi[2π(f+Δf)t+Φ1(t)]
其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位，即第一项为平静状态未调制光信号光场，第二项为振动点受调制光信号光场，此处将模型简化振动点未受调制瑞利散射单元与受调制瑞利散射单元数量相等；
t时刻的本地光光路光场为：EL0(t)＝ELexpi2πft
其中，EL为本地光光场强度。
进一步地，本发明的步骤S3中的拍频信号具体为：
瑞利后向散射信号与本地光源信号进行拍频后为：
Figure BDA0002333295930000041
其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，EL为本地光光场强度，EL0为t时刻的本地光光路光场，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位。
进一步地，本发明的步骤S3中在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度的具体方法为：
拍频信号与本地光相干接收后表示为：
Figure BDA0002333295930000042
其中第一项IL＝E0 2+El 2+EL 2表示直流分量，直流分量通过交流耦合滤除；
第二项和第三项分量包含振动信息对光信号的调制，其中散射系数
Figure BDA0002333295930000043
为10-7，
Figure BDA0002333295930000044
约为10-3～10-4量级，第三项分量远大于第二项，通过第三项分量提取振动信息，因此通过带通滤波消除第二项得到特征分量；
I∝ELO*[E0*cos(2πΔft+Φ0(t))+E1*cos(2πΔft+Φ1(t))]
对信号平方处理得到：
ELO 2[E0 2+E1 2+2E0E1cos[2πΔft+Φ0(t)]cos[Φ1(t)*cos[2πΔft+Φ1(t)]
低通滤波后：
ELO 2*[E0 2+E1 2+2E0E1cos(Φ0(t)-Φ1(t))]
＝ELO(t)2*[E0(t)2+E1(t)2+2E0E1cosΔΦ(t)]
其中，ΔΦ(t)为振动导致光信号相位变化；
得到光电流强度在一定范围内与光场幅值线性对应。
进一步地，本发明的步骤S5中通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示的具体方法为：
当有车辆沿与传感光缆平行铺设的马路行驶时，车辆行驶轨迹在瀑布图上展示，形成一条斜线，斜线斜率倒数即为车辆行驶速度；当有多辆车沿线行驶时，瀑布图上信号反映为多条斜线；
瀑布图单条斜线颜色深度表示单点振动强度，斜线粗细表示振动信号影响范围，通过斜线颜色深度和斜线粗细反映经过车辆的重量大小。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于
Figure BDA0002333295930000051
的车流量实时监测系统及方法，将分布式光纤传感技术引入车流量监控领域，可与现有车流量监控体系相结合，可以更有效精确实现对公路沿线车辆行驶情况的24小时实时监测；本发明的信号处理方法中引入对瑞利后向散射信号的处理，将其与本地光源信号进行拍频，对拍频信号中的交流部分提取数字信号，进而解调得到光信号强度，本发明的解调方法解调效果好，能够有效提高计算的准确度；并通过信号瀑布图的形式对车流量等信息进行直观展示，能够提高监测的便利性，尤其针对晚上光线暗、大雾和雨天等视线不明情况导致摄像头等其他监测系统受限制情况对马路上双向车辆进行实时监测，为广大司乘人员出行提供便利，为道路交通管理提供基础。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明基于
Figure BDA0002333295930000052
分布式光纤传感车流量监测结构示意图；
图2为本发明中测震主机结构图；
图3为车流量信号图；
图4为光纤内光信号后向散射的反射镜反射图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于
Figure BDA0002333295930000064
的车流量实时监测系统，该系统包括：传感光缆、基于
Figure BDA0002333295930000061
的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：
传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；
基于
Figure BDA0002333295930000062
的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号；通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，并提取拍频信号的交流部分信号，对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；获得瑞利后向散射信号的方式为：
当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；
交换机，通过网线与基于
Figure BDA0002333295930000063
的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；
监控端，用于根据光信号强度建立信号瀑布图，通过信号瀑布图实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。
图2为分布式测震主机原理图，包括窄线宽激光器、耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光衰减器、环形器、平衡探测器、数字采集卡、工控板等主要部件。
各部件功能分别如下：
激光器作为光源提供窄线宽的连续光，由耦合器1分路为本地光与调制光；
AOM声光调制器将调制光路连续光斩波调制为连续脉冲光；
EDFA掺铒光纤放大器将调制光路脉冲光进行放大；
VOA光衰减器可调节光功率；
调制光路中脉冲光与环形器1端口连接，2端口与传感光纤连接，3端口即瑞利散射信号光；
耦合器2两输入端为本地光与瑞利散射信号光，两者相干后经过平衡探测器输出为电信号传输至采集卡；
采集卡对信号进行数据采集，采集数据送入工控板进一步分析。
图3为现场车辆行驶引起平行公路光缆振动的信号瀑布图，可根据信号瀑布图分析车辆数量、车辆行驶速度等信息。
本发明实施例的基于
Figure BDA0002333295930000071
的车流量实时监测方法，该方法包括以下步骤：
S1、通过平行铺设在监测路段道路两侧的传感光缆实时监测道路车辆行驶过程引起的光纤振动信号；
S2、通过基于
Figure BDA0002333295930000072
的光纤振动监测主机获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，由于弹光效应，光纤相应位置的折射率将发生变化，导致该处光相位发生变化，由于干涉作用，相位的变化将引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；
S3、通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，通过平衡探测器得到拍频信号的交流部分信号，并对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
S4、将解调得到的光信号强度发送给监控端，建立信号瀑布图，信号瀑布图为光信号强度在空间、时间域上的实时分布情况；信号瀑布图中横坐标为光纤距离，纵坐标为时间，信号瀑布图中单点颜色反映光信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，光信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大；通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示。
该方法中进行信号采集处理、解调和瀑布图展示的具体方法为：
1.信号采集处理过程
(1)光纤振动信号转换为光纤内瑞利后向散射信号
如图4所示，光纤内光信号后向散射可理解为一系列反射镜反射，这些反射镜可以看作是在一个特定长度光纤内随机分布的散射体后向散射的矢量和。这些散射体的后向散射光的电场具有随机的相位和幅度。因此，这些散射的矢量和将会随机落在一个复平面内。
为了得到这些反射镜的反射率和相位的统计值，我们假设在ΔL内有M个随机分布的独立的瑞利散射元。而且这些散射的偏振都是相同的，M个散射的场矢量和可以表示为：
Figure BDA0002333295930000081
其中，rk和φk分别为脉冲跨度内第K段光纤的M个后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分别是ΔL长度光纤内第i个后向散射的幅度和相位。rk、φk、ai和Ωi都假定为随机变量。为了使分析简单，假设ai和Ωi都是独立并对于所有的i分布都是一样的，而且Ωi是均匀分布在区间(-π,π)上的。那么，反射镜的反射率r和相位φ的概率密度函数如下：
Figure BDA0002333295930000082
Figure BDA0002333295930000083
-π＜φ＜π
其中，σ2近似等于0.5×10-7。随机变量r和φ分别满足瑞利分布和均匀分布。当脉冲宽度为NΔL，从距离mΔL处的后向散射光的干涉场可以表示为：
Figure BDA0002333295930000084
其中，Pk、rk和φk分别表示第k个反射镜的偏振、反射率和相位，它们都是随机变量。θk则表示入侵扰动引入到第k个反射镜中的相位变化。
一维脉冲响应模型：假设在t＝0时刻，我们将一个相干光脉冲入射到光纤中，其脉冲宽度为W，频率为v，在光纤的入射端处后向瑞利散射光波e(t)可以表示为：
Figure BDA0002333295930000091
其中，ai和τi分别表示第i个散射波的振幅和往返时间，N表示散射点的总数，α表示光纤的衰减常数，c表示真空中的光速，nf表示光纤的折射率。
其中：
Figure BDA0002333295930000092
第i个散射点往返时间和离光纤入射段之间距离zi可以表示成τi＝2nfzi/c。因此后向散射光功率可以表示成如下：
p(t)＝|e(t)|2＝p1(t)+p2(t)
Figure BDA0002333295930000093
Figure BDA0002333295930000094
其中，φij＝2πv(τi-τj)，表示第i个和第j个散射点的相位差。上式中p1(t)代表N个散射点各自散射功率之和，该项不随着光纤温度或应变的变化，也不随着激光频率的改变。而p2(t)表示了不同散射点之间干涉的结果，使得瑞利散射回波呈现出干涉衰落波形。在p2(t)表达式中有一项cos(φij)，其中相邻散射点之间的相位差φij正比于激光器的频率v，折射率nf，散射点间距sij＝zi-zj，其关系是可以表示为φij＝4πvnfsij/c。因此干涉项p2(t)是v，nf和sij的函数，而nf和sij取决于光纤温度和应变的变化。
当光纤线路上发生外界扰动时，由于弹光效应，光纤相应位置的折射率将发生变化，这将导致该处光相位发生变化，由于干涉作用，相位的变化将引起后向散射光光强发生变化。
振动点散射回来的瑞利后向散射信号包含非振动光场与振动光场信号，后向散射幅值Es表示为：
ES(t)＝E0expi[2πft+Φ0(t)]+E1expi[2πft+Φ1(t)]
从光纤中散射回来的瑞利信号(传感光信号)表示为：
Figure BDA0002333295930000101
为了方便解调过程提取特征分量，在光器件上引入频移Δf：
ES(t)＝E0expi[2π(f+Δf)t+Φ0(t)]+E1expi[2π(f+Δf)t+Φ1(t)]
其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位，即第一项为平静状态未调制光信号光场，第二项为振动点受调制光信号光场，此处将模型简化振动点未受调制瑞利散射单元与受调制瑞利散射单元数量相等；
t时刻的本地光光路光场为：EL0(t)＝ELexpi2πft
其中，EL为本地光光场强度。
(2)相干检测方法对原始光信号解调处理
通过相干检测方法，将后向瑞利散射光与本地光进行拍频，拍频之后信号经过一个双平衡探测器接收，得到拍频信号的交流部分。接着利用数据采集卡对得到的交流信号进行采样，获得数字信号就可以在数字域中实现幅度和相位的解调。具体过程如下：
瑞利散射信号为：
Figure BDA0002333295930000102
与本地光相干接收后可以表示为：
Figure BDA0002333295930000103
针对解调光信号第一项，通过平衡探测器BPD进行交流耦合滤除，第二项则通过带通滤除，得到交流拍频信号(振动信号)。
其中第一项IL＝E0 2+El 2+EL 2表示直流分量，直流分量通过交流耦合滤除；
第二项和第三项分量包含振动信息对光信号的调制，其中散射系数
Figure BDA0002333295930000114
为10-7，
Figure BDA0002333295930000115
约为10-3～10-4量级，第三项分量远大于第二项，通过第三项分量提取振动信息，因此通过带通滤波消除第二项得到特征分量；
I∝ELO*[E0*cos(2πΔft+Φ0(t))+E1*cos(2πΔft+Φ1(t))]
对信号平方处理得到：
ELO 2[E0 2+E1 2+2E0E1cos[2πΔft+Φ0(t)]cos[Φ1(t)*cos[2πΔft+Φ1(t)]
低通滤波后：
ELO 2*[E0 2+E1 2+2E0E1cos(Φ0(t)-Φ1(t))]
＝ELO(t)2*[E0(t)2+E1(t)2+2E0E1cosΔΦ(t)]
其中，ΔΦ(t)为振动导致光信号相位变化；
得到光电流强度在一定范围内与光场幅值线性对应。
在直接探测系统中，第3项光谱积分为零，信号出自第2项。散射系数
Figure BDA0002333295930000111
很小，约为10-7。而
Figure BDA0002333295930000112
就大的多，约为10-3～10-4量级。因此，采用相干探测方法具有较强信号功率。拍频之后信号经过一个双平衡探测器接收，得到拍频信号的交流部分表示为
Figure BDA0002333295930000113
上式中相位因子φ(t)＝2βz+δ。光信号强度在一定范围内与振动强度线性相关。
2.信号瀑布图
信号瀑布图实际为解调光信号强度(振动信号强度)在空间、时间域上的实时分布情况。
信号瀑布图横坐标为光纤距离(空间域)，将整段光纤分区为多个小段采集数据，实现高定位精度(考虑到采样数据量限制，一般为50km，10m空间分辨率)。
信号瀑布图纵坐标为时间，瀑布图下降速度由采样帧数决定。
信号瀑布图中单点颜色反映信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大。
当有车辆沿与传感光缆平行铺设的马路行驶，车辆行驶轨迹可在瀑布图上展示，形成一条斜线，斜线斜率倒数即为车辆行驶速度；当有多辆车沿线行驶，瀑布图上信号反映为多条斜线；瀑布图单条斜线颜色深度(单点振动强度)以及斜线粗细(振动信号影响范围)反映经过车辆的重量大小。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于
Figure FDA0002333295920000011
的车流量实时监测系统，其特征在于，该系统包括：传感光缆、基于
Figure FDA0002333295920000012
的光纤振动监测主机、交换机和监控端；其中：
传感光缆，平行铺设在监测路段的道路两侧，对道路车辆行驶过程中引起的振动信号进行实时监测；
基于
Figure FDA0002333295920000013
的光纤振动监测主机，与传感光缆相连，用于获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号；通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，并提取拍频信号的交流部分信号，对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
交换机，通过网线与基于
Figure FDA0002333295920000014
的光纤振动监测主机相连，以网络通信的方式将光信号强度传输至监控端；
监控端，用于根据光信号强度建立信号瀑布图，通过信号瀑布图实时监控公路上车辆行驶引起的振动信号。
2.根据权利要求1所述的基于
Figure FDA0002333295920000015
的车流量实时监测系统，其特征在于，基于
Figure FDA0002333295920000016
的光纤振动监测主机中获得瑞利后向散射信号的方式为：
当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号。
3.根据权利要求1所述的基于
Figure FDA0002333295920000017
的车流量实时监测系统，其特征在于，基于
Figure FDA0002333295920000018
的光纤振动监测主机包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第二耦合器、声光调制器、掺铒光纤放大器、光衰减器、环形器、平衡探测器、数字采集卡、工控板；其中：
激光器作为光源提供窄线宽的连续光，由第一耦合器分路为本地光与调制光；
声光调制器将调制光路连续光斩波调制为连续脉冲光；
掺铒光纤放大器将调制光路脉冲光进行放大；
光衰减器用于调节光功率；
调制光路中脉冲光与环形器第一端口连接，第二端口与传感光缆连接，第三端口即瑞利散射信号光；
第二耦合器两输入端为本地光与瑞利散射信号光，两者相干后经过平衡探测器输出为电信号传输至数字采集卡；
数字采集卡对信号进行数据采集，采集数据送入工控板进一步分析。
4.根据权利要求1所述的基于
Figure FDA0002333295920000021
的车流量实时监测系统，其特征在于，传感光缆为普通通信单模光缆。
5.根据权利要求1所述的基于
Figure FDA0002333295920000022
的车流量实时监测系统，其特征在于，监控端展示车流量形式为光缆振动信号瀑布图，通过对振动信号瀑布图进行分析，得到车辆数量、车辆行驶速度的信息；监控端还包括远程移动终端。
6.一种基于
Figure FDA0002333295920000023
的车流量实时监测方法，采用权利要求1所述的基于
Figure FDA0002333295920000024
的车流量实时监测系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、通过平行铺设在监测路段道路两侧的传感光缆实时监测道路车辆行驶过程引起的光纤振动信号；
S2、通过基于
Figure FDA0002333295920000025
的光纤振动监测主机获取光纤振动信号，将光纤振动信号转换为光纤内的瑞利后向散射信号：当传感光缆的光纤线路上发生外界扰动时，光纤相应位置的折射率发生变化，导致该处光相位发生变化，引起后向散射光光强发生变化，进而得到从光纤中散射回来的瑞利后向散射信号；
S3、通过相干检测方法，将后向瑞利散射信号与本地光源信号进行拍频，通过平衡探测器得到拍频信号的交流部分信号，并对交流部分信号进行采样，得到数字信号，在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度；
S4、将解调得到的光信号强度发送给监控端，建立信号瀑布图，信号瀑布图为光信号强度在空间、时间域上的实时分布情况；信号瀑布图中横坐标为光纤距离，纵坐标为时间，信号瀑布图中单点颜色反映光信号强度，设定阈值，对超过阈值信号视为振动信号，光信号强度越大与无振动点背景信号颜色对比度越大；通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示。
7.根据权利要求6所述的基于
Figure FDA0002333295920000026
的车流量实时监测方法，其特征在于，步骤S2中得到的瑞利后向散射信号具体为：
光纤内光信号后向散射过程为一系列反射镜的反射过程，这些反射镜是在特定长度ΔL的光纤内随机分布的散射体后向散射的矢量和；
在特定长度ΔL的光纤内有M个随机分布的独立的瑞利散射单元，其偏振均相同，M个散射单元的场矢量为：
Figure FDA0002333295920000031
其中，rk和φk分别为脉冲跨度内第K段光纤的M个后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分别是ΔL长度光纤内第i个后向散射的幅度和相位；rk、φk、ai和Ωi为随机变量；
振动点散射回来的瑞利后向散射信号包含非振动光场与振动光场信号，后向散射幅值Es表示为：
ES(t)＝E0expi[2πft+Φ0(t)]+E1expi[2πft+Φ1(t)]
为了方便解调过程提取特征分量，在光器件上引入频移Δf：
Es(t)＝E0expi[2π(f+Δf)t+Φ0(t)]+E1expi[2π(f+Δf)t+Φ1(t)]
其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位，即第一项为平静状态未调制光信号光场，第二项为振动点受调制光信号光场，此处将模型简化振动点未受调制瑞利散射单元与受调制瑞利散射单元数量相等；
t时刻的本地光光路光场为：EL0(t)＝ELexpi2πft
其中，EL为本地光光场强度。
8.根据权利要求7所述的基于
Figure FDA0002333295920000032
的车流量实时监测方法，其特征在于，步骤S3中的拍频信号具体为：
瑞利后向散射信号与本地光源信号进行拍频后为：
Figure FDA0002333295920000033
其中，E0为平静时光场强度，E1为振动点光场强度，EL为本地光光场强度，EL0为t时刻的本地光光路光场，Φ0、Φ1分别表示平静与振动条件光场相位。
9.根据权利要求8所述的基于
Figure FDA0002333295920000041
的车流量实时监测方法，其特征在于，步骤S3中在数字域中实现幅度和相位的解调，解调得到光信号强度的具体方法为：
拍频信号与本地光相干接收后表示为：
Figure FDA0002333295920000042
其中第一项IL＝E0 2+El 2+EL 2表示直流分量，直流分量通过交流耦合滤除；
第二项和第三项分量包含振动信息对光信号的调制，其中散射系数
Figure FDA0002333295920000043
为10-7，
Figure FDA0002333295920000044
约为10-3～10-4量级，第三项分量远大于第二项，通过第三项分量提取振动信息，因此通过带通滤波消除第二项得到特征分量；
I∝ELO*[E0*cos(2πΔft+Φ0(t))+E1*cos(2πΔft+Φ1(t))]
对信号平方处理得到：
ELO 2[E0 2+E1 2+2E0E1cos[2πΔft+Φ0(t)]cos[Φ1(t)*cos[2πΔft+Φ1(t)]
低通滤波后：
ELO 2*[E0 2+E1 2+2E0E1cos(Φ0(t)-Φ1(t))]
＝ELO(t)2*[E0(t)2+E1(t)2+2E0E1cosΔΦ(t)]
其中，ΔΦ(t)为振动导致光信号相位变化；
得到光电流强度在一定范围内与光场幅值线性对应。
10.权利要求6所述的基于
Figure FDA0002333295920000045
的车流量实时监测方法，其特征在于，步骤S5中通过信号瀑布图实现对车流量、车重量的实时显示的具体方法为：
当有车辆沿与传感光缆平行铺设的马路行驶时，车辆行驶轨迹在瀑布图上展示，形成一条斜线，斜线斜率倒数即为车辆行驶速度；当有多辆车沿线行驶时，瀑布图上信号反映为多条斜线；
瀑布图单条斜线颜色深度表示单点振动强度，斜线粗细表示振动信号影响范围，通过斜线颜色深度和斜线粗细反映经过车辆的重量大小。
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