CN111855009A - 一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，涉及铁轨监测技术领域，包括以下步骤：S1、将用于监测铁轨的光纤固定分布到铁轨底部，形成监测光纤，与轨道上方铺设的光缆连接，S2、在轨道外侧等距安装多组超声波发射探头和超声波接收探头，S3、由激光器发出脉冲光信号，脉冲信号经过定向耦合器进行耦合处理。该基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，利用光纤的拉曼散射，可以全面的对高铁铁轨进行温度的监测，节省人力和成本，能够在取得监测温度后，利用超声波，监测高铁铁轨温度应力，避免引起安全问题，提升了高铁铁轨使用时的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及铁轨监测技术领域，具体为一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法。
背景技术
分布式光纤温度传感技术于20世纪末被提出，目前这项技术已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。现代城市在高铁铁轨运行中，电缆在运行中，由于高铁轮轨与铁轨不断地摩擦接触，会导致铁轨温度升高，尤其是夏天或高气温天气时，铁轨升温尤其明显，高铁铁轨就有可能会发生断裂的情况，存在一定的安全隐患，因此需要对高铁铁轨进行稳定的监测。
传统的高铁铁轨温度检测方法，需要人工携带温度监测仪进行监测，耗费人力，在高铁铁轨两个安装监测装置，对于高铁铁轨的监测点固定，难以做到全面监测，同时，在监测后，无法根据温度得到高铁铁轨的温度应力情况，对于高铁铁轨的安全性难以监控，无法满足市场的需求。
发明内容
本发明提供的发明目的在于提供一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法。该基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，可以解决全面监测高铁铁轨和得到温度应力的问题。
为了解决上述精度不佳和难以探测数据包延迟时间的问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，包括以下步骤：
S1、将用于监测铁轨的光纤固定分布到铁轨底部，形成监测光纤，与轨道上方铺设的光缆连接。
S2、在轨道外侧等距安装多组超声波发射探头和超声波接收探头。
S3、由激光器发出脉冲光信号，脉冲信号经过定向耦合器进行耦合处理。
S4、定向耦合器将后散射光耦合到接收通道。
S5、WDM分光器对后散射光进行光学过滤。
S6、光电接收器APD进行光电信号转换，前置放大器和主放大器对光电信号进行前置放大与主放大。
S7、双高速A/D采集卡接收到放大后的电信号后，将模拟信号转换成数字信号，并将采集的数字信号传输至信息处理中心，信息处理中心对采集的数字信号进行存储。
S8、超声波发射探头向铁轨发射超声波，超声波接收探头接收发射的超声波。
S9、信息处理中心记录超声波发射时的时间和接收时的时间。
S10、信息处理中心计算铁轨温度下的应力。
进一步的，根据S2中的操作步骤，还包括记录超声波发射探头的位置和超声波接收探头的位置，得出两则之间的间距。
进一步的，根据S3中的操作步骤，激光器采用周期性发出脉冲光信号。
进一步的，根据S5中的操作步骤，进行光学过滤后，对噪声进行抑制处理。
进一步的，根据S7中的操作步骤，重复S3至S5，采集多组数字信息数据，并对数字信息数据进行统计分析，得到数字平均值的分布表，即可得到测量点处的温度。
进一步的，根据S7中的操作步骤，用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比，计算测量点处的绝对温度。
进一步的，根据S10中的操作步骤，计算铁轨温度下的应力时，增加补偿距离，进行计算校准。
进一步的，所述监测光纤为多模阶梯光纤。
本发明提供了一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，具备以下有益效果：
(1)、该基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，利用光纤的拉曼散射，即提取光纤中传输的后向拉曼散射光，经光电转换及信号处理后解调出对应测温光纤实时位置的温度信息，可以全面的对高铁铁轨进行温度的监测，节省人力和成本。
(2)、该基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，能够在取得监测温度后，利用超声波，监测高铁铁轨温度应力，避免引起安全问题，提升了高铁铁轨使用时的安全性。
附图说明
图1为本发明一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种技术方案：一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将用于监测铁轨的光纤固定分布到铁轨底部，形成监测光纤，与轨道上方铺设的光缆连接。
步骤二、在轨道外侧等距安装多组超声波发射探头和超声波接收探头。
步骤三、由激光器发出脉冲光信号，脉冲信号经过定向耦合器进行耦合处理。
步骤四、定向耦合器将后散射光耦合到接收通道。
步骤五、WDM分光器对后散射光进行光学过滤。
步骤六、光电接收器APD进行光电信号转换，前置放大器和主放大器对光电信号进行前置放大与主放大。
步骤七、双高速A/D采集卡接收到放大后的电信号后，将模拟信号转换成数字信号，并将采集的数字信号传输至信息处理中心，信息处理中心对采集的数字信号进行存储。
步骤八、超声波发射探头向铁轨发射超声波，超声波接收探头接收发射的超声波。
步骤九、信息处理中心记录超声波发射时的时间和接收时的时间。
步骤十、信息处理中心计算铁轨温度下的应力。
具体的，根据步骤二中的操作步骤，还包括记录超声波发射探头的位置和超声波接收探头的位置，得出两则之间的间距。
具体的，根据步骤三中的操作步骤，激光器采用周期性发出脉冲光信号。
具体的，根据步骤五中的操作步骤，进行光学过滤后，对噪声进行抑制处理。
具体的，根据步骤七中的操作步骤，重复步骤三至步骤五，采集多组数字信息数据，并对数字信息数据进行统计分析，得到数字平均值的分布表，即可得到测量点处的温度。
具体的，根据步骤七中的操作步骤，用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比，计算测量点处的绝对温度。
具体的，根据步骤十中的操作步骤，计算铁轨温度下的应力时，增加补偿距离，进行计算校准。
具体的，监测光纤为多模阶梯光纤。
实施例的方法进行检测分析，并与现有技术进行对照，得出如下数据：
| 监测效果 | 温度应力 | |
| 实施例 | 全面监测 | 能够得到 |
| 现有技术 | 部分监测 | 无法得到 |
根据上述表格数据可以得出，当实施实施例时，通过本发明一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法获得全面监测高铁铁轨的温度，获得温度应力的效果。
如图1所示，本发明提供了一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，包括以下步骤：步骤一、将用于监测铁轨的光纤固定分布到铁轨底部，形成监测光纤，与轨道上方铺设的光缆连接,监测光纤为多模阶梯光纤，步骤二、在轨道外侧等距安装多组超声波发射探头和超声波接收探头，还包括记录超声波发射探头的位置和超声波接收探头的位置，得出两则之间的间距，步骤三、由激光器发出脉冲光信号，脉冲信号经过定向耦合器进行耦合处理，激光器采用周期性发出脉冲光信号，步骤四、定向耦合器将后散射光耦合到接收通道，步骤五、WDM分光器对后散射光进行光学过滤，采集Pavel Holoborodko滤波方式，进行光学过滤后，对噪声进行抑制处理，步骤六、光电接收器APD进行光电信号转换，前置放大器和主放大器对光电信号进行前置放大与主放大，步骤七、双高速A/D采集卡接收到放大后的电信号后，将模拟信号转换成数字信号，并将采集的数字信号传输至信息处理中心，信息处理中心对采集的数字信号进行存储，重复步骤三至步骤五，采集多组数字信息数据，并对数字信息数据进行统计分析，得到数字平均值的分布表，即可得到测量点处的温度，用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比，频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线，计算测量点处的绝对温度，R(T)＝Ias/Is＝(Vas/Vs)4exp(-hvo/kT),式中，R(T)为待测量温度的函数，Ias为反斯托克斯光强，Is为斯托克斯光强，Vas为反斯托克斯光频率，Vs为斯托克斯光频率，vo为瑞利散射光频率，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T对绝对温度，步骤八、超声波发射探头向铁轨发射超声波，超声波接收探头接收发射的超声波，步骤九、信息处理中心记录超声波发射时的时间和接收时的时间，传播时间为T＝Tn-T0，T0为发射探头的发射时间，Tn为接受探头接收时间，步骤十、信息处理中心计算铁轨温度下的应力计算铁轨温度下的应力时，增加补偿距离，进行计算校准。
激光器发出的脉冲光信号，同时通过外触发端口发出电信号驱动A/D采集卡开始工作，脉冲光信号经过定向耦合器耦合到监测光纤中，监测光纤则置身于待测温度场中，在监测光纤中传播的光脉冲，其传播过程中各点位置上引发的散射光(拉曼散射光中的斯托克斯和反斯托克斯)中的后向散射部分再次经过光纤传输通道进入定向耦合器耦合到接收通道，通过光学滤波后，滤掉能量相对较强的瑞利后向散射光，分离出载有温度信息的反斯托克斯光和参考用的斯托克斯光，分别被光电接收器APD实行光电信号转换，再经过前置放大和主放大后，被双高速A/D采集卡转换，然后将采集到的数据送往软信息处理中心进行处理，周期性的不断发送出脉冲，重复上述过程M次后，即实现了数字平均，抑制了噪声，提高了信噪比。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将用于监测铁轨的光纤固定分布到铁轨底部，形成监测光纤，与轨道上方铺设的光缆连接；
S2、在轨道外侧等距安装多组超声波发射探头和超声波接收探头，
S3、由激光器发出脉冲光信号，脉冲信号经过定向耦合器进行耦合处理；
S4、定向耦合器将后散射光耦合到接收通道；
S5、WDM分光器对后散射光进行光学过滤；
S6、光电接收器APD进行光电信号转换，前置放大器和主放大器对光电信号进行前置放大与主放大；
S7、双高速A/D采集卡接收到放大后的电信号后，将模拟信号转换成数字信号，并将采集的数字信号传输至信息处理中心，信息处理中心对采集的数字信号进行存储；
S8、超声波发射探头向铁轨发射超声波，超声波接收探头接收发射的超声波；
S9、信息处理中心记录超声波发射时的时间和接收时的时间；
S10、信息处理中心计算铁轨温度下的应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据S2中的操作步骤，还包括记录超声波发射探头的位置和超声波接收探头的位置，得出两则之间的间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据S3中的操作步骤，激光器采用周期性发出脉冲光信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据S5中的操作步骤，进行光学过滤后，对噪声进行抑制处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，根据S7中的操作步骤，重复S3至S5，采集多组数字信息数据，并对数字信息数据进行统计分析，得到数字平均值的分布表，即可得到测量点处的温度。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，根据S7中的操作步骤，用反斯托克斯光强与斯托克斯光强相比，计算测量点处的绝对温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，根据S10中的操作步骤，计算铁轨温度下的应力时，增加补偿距离，进行计算校准。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤分布式监测的高铁铁轨温度检测方法，其特征在于，所述监测光纤为多模阶梯光纤。
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