CN111751570B - 用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统与方法 - Google Patents
用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统与方法，该系统用于高速磁悬浮列车定位测速，包括光纤传感模块、信号处理模块和数据显示模块，光纤传感模块包括脉冲光源、光分路器、环形器、传感光缆、车载永磁铁，传感光缆上刻有多个光纤布拉格光栅，传感光缆固定高速磁悬浮列车的轨道一侧，车载永磁铁安装于高速磁悬浮列车车头的底部并垂直指向传感光缆；信号处理模块包括信号采集电路、光电转换电路和数据处理电路；数据显示模块包括数据显示器和通讯装置。本发明能够得到1cm超高精度下的高速磁悬浮列车位置及运行速度，实现了对高速磁悬浮列车运行状况在线实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统与方法。
背景技术
轨道交通是我国国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。磁悬浮列车作为一种新型交通工具，具有运行速度快、噪音小、安全性高、适应性强、节能环保等突出优点，在促进我国资源运输分配、加强区域交流合作、解决城市交通拥堵等方面具有广阔的应用前景。列车的测速和定位系统在列车行车调度安全、列车行驶控制中起到非常重要的作用，精准无时延地检测出列车在某一时刻的车速和位置是确保整个列车系统安全运行的首要条件。
现有高速磁悬浮列车定位测速技术主要包括：基于计数轨枕的测速定位技术、基于交叉感应回线的测速定位技术、基于长定子齿槽检测的测速定位技术、脉宽编码感应式测速定位技术、微波测速定位技术等。受制于已有技术的工作原理，难以实现长距离下高精度磁悬浮列车定位及测速。
光纤传感是近些年来发展迅猛的技术之一，它利用光纤来感知和传输相关信息，具有抗电磁干扰、传输远距离、易组网等优点，相较其它传感技术具有显著优势。由于光纤光栅传感技术具有测量精度高、响应快、定位准等突出优点，近十年来已在智能轨道交通安全监测领域得到了广泛研究与应用。因此，设计一种用于高速磁悬浮列车定位测速的阵列光纤光栅系统，对于解决高速磁悬浮列车的长距离定位和测速，具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统与方法，通过构建大容量、长距离、高密度的光纤光栅传感阵列，实现对磁悬浮列车实时精确定位与测速，能实时监测磁悬浮列车运行状况，为列车安全稳定运行提供保障，具有巨大的经济价值和重要的社会价值。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
设计一种阵列光纤光栅传感系统，用于高速磁悬浮列车定位测速，该系统包括光纤传感模块、信号处理模块和数据显示模块，所述光纤传感模块包括脉冲光源、光分路器、环形器、传感光缆、车载永磁铁，所述传感光缆上刻有多个光纤布拉格光栅，所述传感光缆固定高速磁悬浮列车的轨道一侧，所述车载永磁铁安装于高速磁悬浮列车车头的底部并垂直指向传感光缆；所述信号处理模块包括信号采集电路、光电转换电路和数据处理电路；所述数据显示模块包括数据显示器和通讯装置；
所述脉冲光源发出的光线依次通过光分路器和环形器后进入传感光缆，所述车载永磁铁与光纤布拉格光栅产生持续应力作用并使得光纤布拉格光栅的波长发生连续漂移，所述信号采集电路按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅反射的波长信号，所述光电转换电路将信号采集电路采集得到的波长信号转换为相应的电信号，所述数据处理电路根据得到的电信号结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述数据显示器同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述通讯装置将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门。
在上述方案中，所述传感光缆包括两根相同的第一路传感光纤和第二路传感光纤；所述传感光纤上刻写有多个光纤布拉格光栅，位于同一传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅间隔1m，位于同一传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅波长相同或者不同；所述第一路传感光纤和第二路传感光纤平行并以光纤布拉格光栅位置为参考错位50cm放置，利用胶水将靠近光纤布拉格光栅两侧的传感光纤部位粘接在封装套管中。
在上述方案中，所述光纤布拉格光栅为磁性反应低反射率光纤布拉格光栅。
在上述方案中，所述车载永磁铁呈等腰梯形状，顶端长度为50cm，底端长度为1-2cm，最大高度为5-10cm，最大厚度为5-10cm。
本发明还提供一种高速磁悬浮列车定位测速的方法，其采用上述阵列光纤光栅传感系统，该方法包括如下步骤：
步骤1)，所述阵列光纤光栅传感系统开启，自动检查高速磁悬浮列车起始位置，数据显示模块进行初始化；
步骤2)，高速磁悬浮列车开始运行，所述车载永磁铁对轨道上的传感光缆内的光纤布拉格光栅产生持续应力作用，使得光纤布拉格光栅的波长发生连续漂移；
步骤3)，所述信号采集电路按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅反射的波长信号，并对其做滤波处理以消除干扰噪声；
步骤4)，所述光电转换电路将经过信号采集电路处理的波长信号转换为相应的电信号；
步骤5)，所述数据处理电路根据光电转换电路得到的电信号结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度；
步骤6)，所述数据显示器同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述通讯装置将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门。
在上述方案中，在所述步骤2)至步骤5)中，所述车载永磁铁对第一路传感光纤的第一个光纤布拉格光栅λ1-1的作用力在t1时刻达到最大值，该时刻也是所述信号采集电路采集到的第一个波长信号最大值时刻，所述车载永磁铁对第二路传感光纤的第一个光纤布拉格光栅λ2-1后在t2时刻作用力达到最大值，计算这两个时刻时间差，确定第一个定位区域L＝0.5m内高速磁悬浮列车的平均速度将/>视为下一段定位区域的起始速度；当高速磁悬浮列车行驶0.5m后进入下一个定位区域，记录所述第一路传感光纤的第二个光纤布拉格光栅λ1-2受磁力作用最大时刻t3，所述第二路传感光纤的第二个光纤布拉格光栅λ2-2受磁力作用最大时刻t4，同理得到第二个定位区域内的高速磁悬浮列车的平均速度/>依次类推，获得各个定位区域高速磁悬浮列车的平均速度；列车运行速度快，将高速磁悬浮列车在单个定位区域内的运动视为匀速运动，将当前定位区域内的平均速度/>作为下一段定位区域的起始速度，依此类推，获得高速磁悬浮列车的实时运行速度。
在上述方案中，在所述步骤2)至步骤5)中，所述信号采集电路的固定采样时间间隔为Δt＝1cm/Vm，其中，高速磁悬浮列车的最高运行速度Vm；当高速磁悬浮列车以最高速度Vm运行时，其每运行1cm的距离，所述信号采集电路就会采集到一个波长信号；当高速磁悬浮列车运行速度下降时，其运行1cm距离所需的时间大于固定采样时间间隔Δt，则在1cm距离内所述信号采集电路采集到多个波长信号；每个波长信号对应高速磁悬浮列车的一个位置坐标。
在上述方案中，在所述步骤2)至步骤5)中，当高速磁悬浮列车开始运行，波长信号从tn时刻开始发生变化，经过多个采样点后到达第一个峰值采样点tn+a，表明高速磁悬浮列车已运行的距离为L1，L1的数值为0.25m；高速磁悬浮列车继续运行至下一个峰值采样点tn+b，表明高速磁悬浮列车又运行了0.5m，依次类推，每当所述信号采集电路(6)检测出一个最大波长值时，表明高速磁悬浮列车在前一个波长最大值对应的位置基础上又行驶了0.5m，设x表示第一个波长最大值对应时刻tn+a到最后一个波长最大值对应时刻tn+x内系统采集到的最大波长值的数量，则在此时间内列车行驶的距离为L2＝0.5*x，单位为m；高速磁悬浮列车继续运行至下一个定位区域(0.5m内)，利用最后一个波长最大值对应时刻tn+x到当前时刻tn+y内采集到的波长的个数y，乘以采样时间间隔Δt，得出该定位区域内所述光纤布拉格光栅(5.1)被持续作用的时间t＝y*Δt，则高速磁悬浮列车相对于最后一个波长最大值对应的位置继续行驶的距离为单位为m，其中，/>为前一定位区域内的平均速度；因此，高速磁悬浮列车从开始行驶至当前时刻已经行驶的距离为：L＝L1+L2+L3。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的阵列光纤光栅传感系统结构合理、设计及安装较为简单，灵敏度高、本征安全、抗电磁干扰能力强；通过对光纤布拉格光栅反射的波长信号进行采集与处理，能够得到1cm超高精度下的高速磁悬浮列车位置及运行速度，实现了对高速磁悬浮列车运行状况在线实时监测。
附图说明
图1是本发明提供的一种阵列光纤光栅传感系统的结构示意图；
图2是本发明提供的一种阵列光纤光栅传感系统的工作原理示意图；
图3是本发明提供的传感光缆结构示意图；
图4是本发明提供的车载永磁铁结构示意图；
图5是本发明提供的高速磁悬浮列车行驶距离的计算过程示意图。
图中：1、脉冲光源；2、光分路器；3、环形器；4、车载永磁铁；5、传感光缆；5.1、光纤布拉格光栅；6、信号采集电路；7、光电转换电路；8、数据处理电路；9、数据显示器；10、第一路传感光纤；11、第二路传感光纤；12、高速磁悬浮列车车头；13、胶水；14、封装套管；15、通讯装置。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1-2所示，本发明提供一种阵列光纤光栅传感系统，其用于高速磁悬浮列车定位测速，该系统包括光纤传感模块、信号处理模块和数据显示模块，其中，光纤传感模块包括脉冲光源1、光分路器2、环形器3、传感光缆5、车载永磁铁4。如图3所示，传感光缆5固定高速磁悬浮列车的轨道一侧，包括两根相同的第一路传感光纤10和第二路传感光纤11；传感光纤上刻写有多个光纤布拉格光栅5.1，光纤布拉格光栅5.1为磁性反应光纤布拉格光栅，位于同一传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅5.1间隔1m，位于同一相邻传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅5.1波长相同或者不同；两根相同的第一路传感光纤10和第二路传感光纤11平行并以光纤布拉格光栅5.1位置为参考错位50cm放置，利用胶水13将靠近光纤布拉格光栅5.1两侧的传感光纤部位粘接在封装套管14中，保证光纤布拉格光栅5.1悬空以产生形变。如图4所示，车载永磁铁4安装于高速磁悬浮列车车头12的底部并垂直指向传感光缆5，车载永磁铁4呈等腰梯形状，顶端长度为50cm，底端长度为1-2cm，最大厚度为5-10cm，最大高度为5-10cm，最大厚度为5-10cm。车载永磁铁4的顶端长度为50cm，与分别位于第一路传感光纤10和第二路传感光纤11的相邻光纤布拉格光栅5.1的间隔一致，使得在某一时刻有且仅有一个光纤布拉格光栅5.1与车载永磁铁4发生应力作用，车载永磁铁4与任何一个光纤布拉格光栅5.1的作用力变化趋势均为先由小变大、再由大变小，该作用力存在一个最大值。
信号处理模块包括信号采集电路6、光电转换电路7和数据处理电路8，信号采集电路6按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅5.1反射的波长信号，光电转换电路7将信号采集电路6采集得到的波长信号转换为相应的电信号，数据处理电路8根据得到的电信号结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度。
数据显示模块包括数据显示器9和通讯装置15，数据显示器9同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，通讯装置15将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门，以便于他们及时了解列车情况。
本发明的工作原理如下：脉冲光源1发出的光线依次通过光分路器2和环形器3后进入传感光缆5，车载永磁铁4对第一路传感光纤10和第二路传感光纤11上的光纤布拉格光栅5.1产生持续应力作用，使得光纤布拉格光栅5.1的波长发生连续漂移，且光纤布拉格光栅5.1受力越大其波长的漂移量越大，信号采集电路6采集光纤布拉格光栅5.1反射的波长信号。假设车载永磁铁4对第一路传感光纤10的第一个光纤布拉格光栅λ1-1的作用力在t1时刻达到最大值，该时刻也为信号采集电路6采集到的第一个波长信号最大值时刻，车载永磁铁4对第二路传感光纤11的第一个光纤布拉格光栅λ2-1后在t2时刻作用力达到最大值，计算这两个时刻时间差，即可确定第一个定位区域L＝0.5m距离内高速磁悬浮列车的平均速度在算法设计上将其视为下一段定位区域(0.5m)的起始速度，当高速磁悬浮列车行驶0.5m后进入下一个光栅感应区域，记录第一路传感光纤10的第二个光纤布拉格光栅λ1-2受磁力作用最大时刻t3，第二路传感光纤11的第二个光纤布拉格光栅λ2-2受磁力作用最大时刻t4，采用同样的方法得到第二个定位区域内的高速磁悬浮列车的平均速度/>由于列车运行速度快，单位时间内通过的距离长，因此可以近似将单个定位区域(0.5m)内的高速磁悬浮列车运动视为匀速运动，将当前定位区域内的高速磁悬浮列车的平均速度/>作为下一段定位区域的起始速度。依此类推，高速磁悬浮列车的速度实时刷新，不会产生累积误差。
为了保证高速磁悬浮列车在不同运行速度下均能实现1cm的定位精度，要求本发明系统的采样时间间隔Δt小于等于最高运行速度Vm下运行1cm所用的时间，即：Δt≤1cm/Vm，则设定信号采集电路6的固定采样时间间隔为Δt＝1cm/Vm，即可保证在高速磁悬浮列车最高运行速度下，本发明系统仍能采集到1cm行驶距离内返回的光栅波长值。车载永磁铁4的底端长度为1-2cm，就是为了保证在高速磁悬浮列车最高运行速度下系统仍能够采到反射的波长信号最大值。当高速磁悬浮列车以最高速度运行时，其每运行1cm的距离，系统就会采集到一个波长信号；而当高速磁悬浮列车运行速度下降时，其运行1cm距离所需的时间大于系统固定采样时间间隔，那么在1cm距离内系统会采集到返回的若干个波长信号，而每个波长信号对应高速磁悬浮列车的一个位置坐标，从而能够实现比1cm更小的定位精度。
当系统开始工作而高速磁悬浮列车尚未运行时，系统采集到的是数值不变的波长信号；如图5所示，当高速磁悬浮列车开始运行，波长信号从tn时刻开始发生变化，经过多个采样点后到达第一个峰值采样点tn+a，表明高速磁悬浮列车已运行的距离为L1，L1的数值为0.25m；高速磁悬浮列车继续运行至下一个峰值采样点tn+b，表明高速磁悬浮列车又运行了0.5m，依次类推，每当所述信号采集电路(6)检测出一个最大波长值时，表明高速磁悬浮列车在前一个波长最大值对应的位置基础上又行驶了0.5m，设x表示第一个波长最大值对应时刻tn+a到最后一个波长最大值对应时刻tn+x内系统采集到的最大波长值的数量，则在此时间内列车行驶的距离为L2＝0.5*x，单位为m；高速磁悬浮列车继续运行至下一个定位区域(0.5m内)，利用最后一个波长最大值对应时刻tn+x到当前时刻tn+y内采集到的波长的个数y，乘以采样时间间隔Δt，得出该定位区域内所述光纤布拉格光栅(5.1)被持续作用的时间t＝y*Δt，则高速磁悬浮列车相对于最后一个波长最大值对应的位置继续行驶的距离为单位为m，其中，/>为前一定位区域内的平均速度；因此，高速磁悬浮列车从开始行驶至当前时刻已经行驶的距离为：L＝L1+L2+L3。
当高速磁悬浮列车在某一时刻停止，其所表现出来的是从这个时刻起，信号采集电路6采集到的波长信号维持在一个恒定的值(不一定是初值)保持不变，则记录下这个特殊的时间，进而计算出列车停下的具体位置，其计算方法与求解L3方法相同。
本发明还提供一种高速磁悬浮列车定位测速的方法，其采用上述阵列光纤光栅传感系统，该方法包括如下步骤：
步骤1)，阵列光纤光栅传感系统开启，自动检查高速磁悬浮列车起始位置，数据显示模块进行初始化；
步骤2)，高速磁悬浮列车开始运行，车载永磁铁4对轨道上的传感光缆5内的光纤布拉格光栅5.1产生持续应力作用，使得光纤布拉格光栅5.1的波长发生连续漂移；
步骤3)，信号采集电路6按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅(5.1)反射的波长信号，并对其做滤波处理以消除干扰噪声；
步骤4)，光电转换电路7将经过信号采集电路6处理的波长信号转换为相应的电信号；
步骤5)，数据处理电路8根据光电转换电路7得到的电信号，结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度；
步骤6)，数据显示器9同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，通讯装置15将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门，以便于他们及时了解列车情况。
附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种用于磁悬浮列车测速定位的阵列光纤光栅传感系统，该系统包括光纤传感模块、信号处理模块和数据显示模块，其特征在于，所述光纤传感模块包括脉冲光源(1)、光分路器(2)、环形器(3)、传感光缆(5)、车载永磁铁(4)，所述传感光缆(5)上刻有多个光纤布拉格光栅(5.1)，所述传感光缆(5)固定高速磁悬浮列车的轨道一侧，所述车载永磁铁(4)安装于高速磁悬浮列车车头(12)的底部并垂直指向传感光缆(5)；所述信号处理模块包括信号采集电路(6)、光电转换电路(7)和数据处理电路(8)；所述数据显示模块包括数据显示器(9)和通讯装置(15)；
所述脉冲光源(1)发出的光线依次通过光分路器(2)和环形器(3)后进入传感光缆(5)，所述车载永磁铁(4)与光纤布拉格光栅(5.1)产生持续应力作用并使得光纤布拉格光栅(5.1)的波长发生连续漂移，所述信号采集电路(6)按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅(5.1)反射的波长信号，所述光电转换电路(7)将信号采集电路(6)采集得到的波长信号转换为相应的电信号，所述数据处理电路(8)根据得到的电信号结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述数据显示器(9)同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述通讯装置(15)将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门；所述传感光缆(5)包括两根相同的第一路传感光纤(10)和第二路传感光纤(11)；所述传感光纤上刻写有多个光纤布拉格光栅(5.1)，位于同一传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅(5.1)间隔1m，位于同一传感光纤上相邻的光纤布拉格光栅(5.1)波长相同或者不同；所述第一路传感光纤(10)和第二路传感光纤(11)平行并以光纤布拉格光栅(5.1)位置为参考错位50cm放置，利用胶水(13)将靠近光纤布拉格光栅(5.1)两侧的传感光纤部位粘接在封装套管(14)中；所述车载永磁铁(4)呈等腰梯形状，底端长度为1-2cm，最大高度为5-10cm，最大厚度为5-10cm；车载永磁铁的顶端长度为50cm，与分别位于第一路传感光纤和第二路传感光纤的相邻光纤布拉格光栅的间隔一致，使得在某一时刻有且仅有一个光纤布拉格光栅与车载永磁铁发生应力作用，车载永磁铁与任何一个光纤布拉格光栅的作用力变化趋势均为先由小变大、再由大变小，该作用力存在一个最大值；所述光纤布拉格光栅(5.1)为磁性反应光纤布拉格光栅；为了保证高速磁悬浮列车在不同运行速度下均能实现1cm的定位精度，系统的采样时间间隔Δt小于等于最高运行速度Vm下运行1cm所用的时间，即：Δt≤1cm/Vm，则设定信号采集电路的固定采样时间间隔为Δt＝1cm/Vm，即可保证在高速磁悬浮列车最高运行速度下，系统仍能采集到1cm行驶距离内返回的光栅波长值；车载永磁铁的底端长度为1-2cm，就是为了保证在高速磁悬浮列车最高运行速度下系统仍能够采到反射的波长信号最大值；当高速磁悬浮列车以最高速度运行时，其每运行1cm的距离，系统就会采集到一个波长信号；而当高速磁悬浮列车运行速度下降时，其运行1cm距离所需的时间大于系统固定采样时间间隔，那么在1cm距离内系统会采集到返回的若干个波长信号，而每个波长信号对应高速磁悬浮列车的一个位置坐标，从而能够实现比1cm更小的定位精度。
2.一种高速磁悬浮列车定位测速的方法，其特征在于，其采用权利要求1所述的阵列光纤光栅传感系统，该方法包括如下步骤：
步骤1)，所述阵列光纤光栅传感系统开启，自动检查高速磁悬浮列车起始位置，数据显示模块进行初始化；
步骤2)，高速磁悬浮列车开始运行，所述车载永磁铁(4)对轨道上的传感光缆(5)内的光纤布拉格光栅(5.1)产生持续应力作用，使得光纤布拉格光栅(5.1)的波长发生连续漂移；
步骤3)，所述信号采集电路(6)按照设定的采样时间间隔采集光纤布拉格光栅(5.1)反射的波长信号，并对其做滤波处理以消除干扰噪声；
步骤4)，所述光电转换电路(7)将经过信号采集电路(6)处理的波长信号转换为相应的电信号；
步骤5)，所述数据处理电路(8)根据光电转换电路(7)得到的电信号结合定位算法解调出高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度；
步骤6)，所述数据显示器(9)同步在线显示高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度，所述通讯装置(15)将高速磁悬浮列车的实时位置及运行速度传输至驾驶室及相关交通部门。
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