CN112002092B - 一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，利用分布式光纤传感技术、硬件算法处理技术与脉冲编码技术，实现高速铁路站台旅客越界行为的及时定位与提示预警。分布式光纤振动传感技术可检测候车旅客站台越界行为，并对越界行为发生位置进行准确定位，利用幅值运算模块、信号编码器及脉冲发射器硬件算法处理单元对振动信号进行数据处理，替代传统的软件算法处理过程，可提升预警系统的实时性。采用脉冲编码技术将振动信号的位置信息转化为特定的数字序列，经信号编码器与脉冲发射器将激光脉冲序列传输到通讯光纤中，并与解码器进行匹配，利用提示语音与提示灯光及时提醒相应位置的旅客保持在安全线以内安全候车。

Description

一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统。

背景技术

高速铁路作为国家的重要基础设施、大众化的交通工具，它的运营安全性对国家经济发展和人民生命安全起着重要的保障作用。其中，高速铁路站台所发生的旅客越界行为极易导致安全事故。为此，高速铁路管理部门常采用人工巡检、摄像监控等手段对站台越界行为进行监控。但传统的监测手段存在一定的局限性，人工巡检无法全天候实时提醒，摄像监控易受环境光线影响且存在监控盲区等。在此背景下，不断发展的分布式光纤振动传感技术，由于抗电磁干扰、灵敏度高、无检测盲区等优势，可在高速铁路站台防越界监测领域进行应用。

旅客在高速铁路站台上发生越界行为时，通常会由于踩踏安全线附近地面而产生振动信号。基于相干光时域反射技术的分布式光纤振动传感系统，可通过布置于安全线附近的传感光纤来检测振动引起的激光相位变化，实现对站台警戒区域内振动信号的准确定位。随后，系统将振动信号的位置信息转化为数字序列，利用脉冲编码调制技术，产生激光脉冲序列，经通信光纤传导至匹配的脉冲解码器，进而触发报警系统及时提醒旅客存在越界行为。

发明内容

本发明提供了一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，利用相干光时域反射技术对高速铁路站台旅客越界所产生的振动信号进行定位，借助硬件解调结构加快信号处理速度，采用脉冲编码与解码技术实现位置信息匹配通讯，利用提示语音与提示灯光及时提醒旅客存在越界行为，保障旅客在安全线以内进行安全候车。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，包括：

窄线宽激光器、可控开关、1*3光纤耦合器、单路密集波分复用器、光环形器、光缆连接盒、尾纤终端盒、2*2光纤耦合器、平衡光电探测器、正弦波发生器、正交解调器、幅值运算器、计算机、模数转换器、微处理器、信号编码器、脉冲发射器、电光调制器、第二光纤放大器、多个提示器和振动传导板；

其中，窄线宽激光器的输出端连接可控开关的a端，可控开关的b端连接1*3光纤耦合器的a端，1*3光纤耦合器的c端连接单路密集波分复用器的输入端，单路密集波分复用器的输出端连接光环形器的a端，光环形器的b端连接光缆连接盒的b端，光缆连接盒的d端通过传感光纤连接到尾纤终端盒的f端，传感光纤布设在振动传导板下方；1*3光纤耦合器的d端与光环形器的c端连接2*2光纤耦合器的a、b端，2*2光纤耦合器的c、d端连接到平衡光电探测器的a、b端，平衡光电探测器的c端连接正交解调器的a端，正弦波发生器的输出端连接到正交解调器的b端，正交解调器的c、d端连接到幅值运算器的a、b端，幅值运算器的c端连接到计算机进行入侵的定位与控制；计算机的输出端连接微处理器（20）的a端，微处理器的b端连接可控开关的c端；幅值运算器的d端连接模数转换器的输入端，微处理器的c端与模数转换器的输出端连接到信号编码器的a、b端；信号编码器的c端连接脉冲发射器的输入端，脉冲发射器的输出端与1*3光纤耦合器的b端连接到电光调制器的a、b端，电光调制器的c端连接第二光纤放大器的输入端，第二光纤放大器的输出端连接光缆连接盒的a端，光缆连接盒的c端经过每一提示器后，连接至尾纤终端盒的e端。

其中，多个提示器分别为第一提示器、第二提示器和第三提示器；第一提示器包括第一耦合器、第一光电探测器、第一解码匹配器和第一扬声器；第二提示器包括第二耦合器、第二光电探测器、第二解码匹配器和第二扬声器；第三提示器包括第三耦合器、第三光电探测器、第三解码匹配器和第三扬声器；

其中光缆连接盒的c端连接第一耦合器的a端，第一耦合器的b端连接第一光电探测器的输入端，第一光电探测器的输出端连接第一解码匹配器的输入端，第一解码匹配器的输出端连接第一扬声器的输入端，第一耦合器的c端连接第二耦合器的a端；第二耦合器的b端连接第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接第二解码匹配器的输入端，第二解码匹配器的输出端连接第二扬声器的输入端，第二耦合器的c端连接第三耦合器的a端；第三耦合器的b端连接第三光电探测器的输入端，第三光电探测器的输出端连接第三解码匹配器的输入端，第三解码匹配器的输出端连接第三扬声器的输入端，第三耦合器的c端连接到尾纤终端盒的e端。

其中，窄线宽激光器的输出端与可控开关的a端之间设置一光纤隔离器。

其中，1*3光纤耦合器的c端与单路密集波分复用器的输入端之间设置声光调制器和第一光纤放大器；其中，1*3光纤耦合器的c端连接声光调制器的输入端，声光调制器的输出端连接第一光纤放大器的输入端，第一光纤放大器的输出端连接单路密集波分复用器的输入端。

其中，平衡光电探测器的c端与正交解调器的a端之间设置带通滤波器。

其中，幅值运算器的c端与计算机的输入端之间设置高速数据采集卡。

区别于现有技术，本发明的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，采用分布式光纤振动传感技术来检测候车旅客站台越界行为，并对越界行为发生位置进行准确定位，系统具有布设灵活、结构简单、抗电磁干扰、无检测盲区等优点；本发明利用幅值运算模块、信号编码器及脉冲发射器等硬件算法处理单元对振动信号进行数据处理，替代传统的软件算法处理过程，可提升预警系统的实时性；本发明采用脉冲编码技术将振动信号的位置信息转化为特定的数字序列，经信号编码器与脉冲发射器将激光脉冲序列传输到通讯光纤中，并与预设编码的解码器进行匹配，来提醒相应位置的旅客保持在安全线以内候车。

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是本发明提供的一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统的提示器布置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，包括：窄线宽激光器1、可控开关3、1*3光纤耦合器4、单路密集波分复用器7、光环形器8、光缆连接盒9、尾纤终端盒10、2*2光纤耦合器11、平衡光电探测器12、正弦波发生器14、正交解调器15、幅值运算器16、计算机18、模数转换器19、微处理器20、信号编码器21、脉冲发射器22、电光调制器23、第二光纤放大器24、多个提示器和振动传导板31；

其中，窄线宽激光器1的输出端连接可控开关3的a端，可控开关3的b端连接1*3光纤耦合器4的a端，1*3光纤耦合器4的c端连接单路密集波分复用器7的输入端，单路密集波分复用器7的输出端连接光环形器8的a端，光环形器8的b端连接光缆连接盒9的b端，光缆连接盒9的d端通过传感光纤连接到尾纤终端盒10的f端，传感光纤布设在振动传导板31下方；1*3光纤耦合器4的d端与光环形器8的c端连接2*2光纤耦合器11的a、b端，2*2光纤耦合器11的c、d端连接到平衡光电探测器12的a、b端，平衡光电探测器12的c端连接正交解调器15的a端，正弦波发生器14的输出端连接到正交解调器15的b端，正交解调器15的c、d端连接到幅值运算器16的a、b端，幅值运算器16的c端连接到计算机18进行入侵的定位与控制；计算机18的输出端连接微处理器20的a端，微处理器20的b端连接可控开关3的c端；幅值运算器16的d端连接模数转换器19的输入端，微处理器20的c端与模数转换器19的输出端连接到信号编码器21的a、b端；信号编码器21的c端连接脉冲发射器22的输入端，脉冲发射器22的输出端与1*3光纤耦合器4的b端连接到电光调制器23的a、b端，电光调制器23的c端连接第二光纤放大器24的输入端，第二光纤放大器24的输出端连接光缆连接盒9的a端，光缆连接盒9的c端经过每一提示器后，连接至尾纤终端盒10的e端。

其中，多个提示器分别为第一提示器25、第二提示器26和第三提示器27；第一提示器25包括第一耦合器251、第一光电探测器252、第一解码匹配器253和第一扬声器254；第二提示器26包括第二耦合器261、第二光电探测器262、第二解码匹配器263和第二扬声器264；第三提示器27包括第三耦合器271、第三光电探测器272、第三解码匹配器273和第三扬声器274；

其中光缆连接盒9的c端连接第一耦合器251的a端，第一耦合器251的b端连接第一光电探测器252的输入端，第一光电探测器252的输出端连接第一解码匹配器253的输入端，第一解码匹配器253的输出端连接第一扬声器254的输入端，第一耦合器251的c端连接第二耦合器261的a端；第二耦合器261的b端连接第二光电探测器262的输入端，第二光电探测器262的输出端连接第二解码匹配器263的输入端，第二解码匹配器263的输出端连接第二扬声器264的输入端，第二耦合器261的c端连接第三耦合器271的a端；第三耦合器271的b端连接第三光电探测器272的输入端，第三光电探测器272的输出端连接第三解码匹配器273的输入端，第三解码匹配器273的输出端连接第三扬声器274的输入端，第三耦合器271的c端连接到尾纤终端盒10的e端。

其中，窄线宽激光器1的输出端与可控开关3的a端之间设置一光纤隔离器2。

其中，1*3光纤耦合器4的c端与单路密集波分复用器7的输入端之间设置声光调制器5和第一光纤放大器6；其中，1*3光纤耦合器4的c端连接声光调制器5的输入端，声光调制器5的输出端连接第一光纤放大器6的输入端，第一光纤放大器6的输出端连接单路密集波分复用器7的输入端。

其中，平衡光电探测器12的c端与正交解调器15的a端之间设置带通滤波器13。

其中，幅值运算器16的c端与计算机18的输入端之间设置高速数据采集卡17。

具体的，窄线宽激光器1将中心波长为1550nm的光输出到光纤隔离器2的输入端，光纤隔离器2为单向传输，输出光到可控开关3的a端口，可控开关3的c端为通断控制端，可控开关3的b端输出光到1*3光纤耦合器4的a端口，1*3光纤耦合器4将信号分为1:98:1三部分，分别从b、c、d三个端口输出，1*3光纤耦合器4的b端口作为通讯线路， 1*3光纤耦合器4的c端口输出光到声光调制器5的输入端，声光调制器5将光调制为脉冲光后输出到第一光纤放大器6的输入端，第一光纤放大器6将光功率进行放大后输出到单路密集波分复用器7的输入端，单路密集波分复用器7将输入的光进行滤波后输出到光环形器8的a端口，光环形器8的b端输出到光缆连接盒9的b端口，在光缆连接盒9盒内将光缆与光纤连接并从d端口输出到尾纤终端盒10的f端口，尾纤终端盒10进行光缆末端处理；其中光缆连接盒9的d端口与尾纤终端盒10的f端口之间的光缆称为传感光纤，用来实现振动信号的检测与传输；传感光纤布设到振动传导板31的下方，振动传导板31布置到站台28边缘与安全线30之间，用来传导越界行为产生的振动信号。

线路df产生的后向瑞利散射光经光缆连接盒9返回到光环形器8的b端口，光环形器8的c端口输出返回光到2*2光纤耦合器11的b端口，1*3光纤耦合器4的d端口输出本征光到2*2光纤耦合器11的a端口，2*2光纤耦合器11发生相干拍频后由c、d端口输出到平衡光电探测器12的a、b端口，平衡光电探测器12将光信号转化为电信号后由c端口输出到带通滤波器13的输入端，带通滤波器的中心频率为200MHz，用来滤除通带以外的噪声信号，带通滤波器13滤波后输出到正交解调器15的a端口，正弦波发生器14产生标准正弦波信号输出到正交解调器15的b端口，正交解调器15进行正交解调后的信号由c、d端口输出到幅值运算器16的a、b端口，经过幅值运算得到振动点的位置信息，幅值运算器16的c端口输出信号到高速数据采集卡17的输入端，高速数据采集卡17将采集的数据实时上传到计算机18。

计算机18显示振动位置并发出指令到微处理器20的a端口，微处理器20的b端口输出信号到可控开关3的c端口进行开关通断控制，微处理器20的c端口输出信号到信号编码器21的a端口进行编码控制，幅值运算器16的d端口输出信号到模数转换器19输入端，进行模数转换得到特定数字序列，模数转换器19输出信号到信号编码器21的b端口提供编码序列，信号编码器21的c端口输出编码信号到脉冲发射器22的输入端，脉冲发射器22输出端与1*3光纤耦合器4的b端口输出信号到电光调制器23的a、b端，电光调制器23的c端口输出编码后的脉冲光到第二光纤放大器24，第二光纤放大器24将光功率放大输出到光缆连接盒9的a端口，光缆连接盒9的c端口输出经通讯光纤依次传送到第一提示器25、第二提示器26、第三提示器27，最终到达尾纤终端盒10的e端口，尾纤终端盒10对光纤进行尾端处理。

如图2所示，其中光缆连接盒9的c端口与尾纤终端盒10的e端口之间的光缆布设到安全线30的地面下方用来传输编码信号。以第一提示器25为例，第一提示器25中第一耦合器251的b端口输出到第一光电探测器252的输入端，第一光电探测器252进行光电转换后输出到第一解码匹配器253输入端，第一解码匹配器253与编码信号进行匹配识别，匹配成功则输出到第一扬声器254的输入端，由第一扬声器254输出警报提示音与提示灯光，匹配失败则第一解码匹配器253无法输出信号，不触发报警；第一耦合器251的c端口输出到第二耦合器261的a端口，各提示器依序设置，本发明的实施例中设定3个提示器。其中，第一提示器25的第一耦合器251的a端口连接光缆连接盒9的c端口，第一提示器25的第一耦合器251的c端口连接第二提示器26的第二耦合器251的a端口，第二提示器26的第二耦合器251的c端口连接第三提示器27的第三耦合器271的a端口，第三提示器27的第三耦合器271的c端口连接尾纤终端盒10的e端口。提示器的数量根据站台实际防护长度进行配置，确保防护区域能得到有效提示。

在乘车时段，计算机18发出启动指令到微处理器20的a端口，再由微处理器20的b端口输出信号到可控开关3的c端口控制可控开关3闭合，预警系统开始工作，当乘客越过安全线30踏入警戒区域时会作用于振动传导板31部分，携带振动信息的返回光经传感光纤由光缆连接盒9的b端口输出到光环形器8的b端口，光环形器8的c端口输出返回光到2*2光纤耦合器11的b端口，1*3光纤耦合器4的d端口输出的本征光到2*2光纤耦合器11的a端口，二者在2*2光纤耦合器11发生相干拍频后由c、d端口输出到平衡光电探测器12的a、b端口；平衡光电探测器12将光信号转化为电信号后由c端口输出到带通滤波器13的输入端；带通滤波器13滤波后输出到正交解调器15的a端口；正弦波发生器14产生的正弦波信号输出到正交解调器15的b端口；正交解调器15进行正交解调后的信号由c、d端口输出到幅值运算器16的a、b端口，经过幅值运算得到振动点的位置信息，幅值运算器16的c端口输出信号到高速数据采集卡17的输入端；高速数据采集卡17将采集的数据实时上传到计算机18；计算机18显示振动位置并发出工作指令到微处理器20的a端口；微处理器20的c端口输出信号到信号编码器21的a端口进行编码控制；幅值运算器16的d端口输出信号到模数转换器19输入端进行模数转换得到特定数字序列；模数转换器19的输出到信号编码器21的b端口提供编码序列；信号编码器21的c端口输出编码序列到脉冲发射器22的输入端调制编码脉冲；脉冲发射器22输出端与1*3光纤耦合器4的b端口输出信号到电光调制器23的a、b端；电光调制器23的c端口输出编码后的脉冲光到光纤放大器24；光纤放大器24将光功率放大输出到光缆连接盒9的a端口；光缆连接盒9的c端口输出经通讯光纤传输到第一提示器25、第二提示器26、第三提示器27以及到尾纤终端盒10的e端口完成尾端处理；第一提示器25、第二提示器26、第三提示器27将编码信号与解码器进行匹配，匹配成功并发出警报提示音与提示灯光。

当未在乘车时段时，计算机18发出停止指令到微处理器20的a端口，再由微处理器20的b端口输出到可控开关3的c端口控制可控开关3断开，预警系统停止工作。

上面结合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 (6)

1.一种高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，包括：

窄线宽激光器（1）、可控开关（3）、1*3光纤耦合器（4）、单路密集波分复用器（7）、光环形器（8）、光缆连接盒（9）、尾纤终端盒（10）、2*2光纤耦合器（11）、平衡光电探测器（12）、正弦波发生器（14）、正交解调器（15）、幅值运算器（16）、计算机（18）、模数转换器（19）、微处理器（20）、信号编码器（21）、脉冲发射器（22）、电光调制器（23）、第二光纤放大器（24）、多个提示器和振动传导板（31），多个提示器分别为第一提示器（25）、第二提示器（26）和第三提示器（27）；

其中，所述窄线宽激光器（1）的输出端连接所述可控开关（3）的a端，所述可控开关（3）的b端连接所述1*3光纤耦合器（4）的a端，所述1*3光纤耦合器（4）的c端连接所述单路密集波分复用器（7）的输入端，所述单路密集波分复用器（7）的输出端连接所述光环形器（8）的a端，所述光环形器（8）的b端连接所述光缆连接盒（9）的b端，所述光缆连接盒（9）的d端通过传感光纤连接到所述尾纤终端盒（10）的f端，所述传感光纤布设在所述振动传导板（31）下方；所述1*3光纤耦合器（4）的d端与所述光环形器（8）的c端连接所述2*2光纤耦合器（11）的a、b端，所述2*2光纤耦合器（11）的c、d端连接到所述平衡光电探测器（12）的a、b端，所述平衡光电探测器（12）的c端连接正交解调器（15）的a端，所述正弦波发生器（14）的输出端连接到正交解调器（15）的b端，正交解调器（15）的c、d端连接到所述幅值运算器（16）的a、b端，所述幅值运算器（16）的c端连接到所述计算机（18）进行入侵的定位与控制；所述计算机（18）的输出端连接所述微处理器（20）的a端，所述微处理器（20）的b端连接所述可控开关（3）的c端；所述幅值运算器（16）的d端连接所述模数转换器（19）的输入端，所述微处理器（20）的c端与模数转换器（19）的输出端连接到信号编码器（21）的a、b端；所述信号编码器（21）的c端连接所述脉冲发射器（22）的输入端，所述脉冲发射器（22）的输出端与所述1*3光纤耦合器（4）的b端连接到所述电光调制器（23）的a、b端，所述电光调制器（23）的c端连接所述第二光纤放大器（24）的输入端，所述第二光纤放大器（24）的输出端连接所述光缆连接盒（9）的a端，所述光缆连接盒（9）的c端口输出经通讯光纤传输到第一提示器（25）、第二提示器（26）以及第三提示器（27），到尾纤终端盒10的e端口，尾纤终端盒10的e端口对通讯光纤完成尾端处理；第一提示器（25）、第二提示器（26）、第三提示器（27）将编码信号进行匹配，匹配成功并发出警报提示音与提示灯光。

2.根据权利要求1所述的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，所述第一提示器（25）包括第一耦合器（251）、第一光电探测器（252）、第一解码匹配器（253）和第一扬声器（254）；所述第二提示器（26）包括第二耦合器（261）、第二光电探测器（262）、第二解码匹配器（263）和第二扬声器（264）；所述第三提示器（27）包括第三耦合器（271）、第三光电探测器（272）、第三解码匹配器（273）和第三扬声器（274）；

其中所述光缆连接盒（9）的c端连接所述第一耦合器（251）的a端，所述第一耦合器（251）的b端连接所述第一光电探测器（252）的输入端，所述第一光电探测器（252）的输出端连接所述第一解码匹配器（253）的输入端，所述第一解码匹配器（253）的输出端连接所述第一扬声器（254）的输入端，所述第一耦合器（251）的c端连接所述第二耦合器（261）的a端；所述第二耦合器（261）的b端连接所述第二光电探测器（262）的输入端，所述第二光电探测器（262）的输出端连接所述第二解码匹配器（263）的输入端，所述第二解码匹配器（263）的输出端连接所述第二扬声器（264）的输入端，所述第二耦合器（261）的c端连接所述第三耦合器（271）的a端；所述第三耦合器（271）的b端连接所述第三光电探测器（272）的输入端，所述第三光电探测器（272）的输出端连接所述第三解码匹配器（273）的输入端，所述第三解码匹配器（273）的输出端连接第三扬声器（274）的输入端，所述第三耦合器（271）的c端连接到所述尾纤终端盒（10）的e端。

3.根据权利要求1所述的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，所述窄线宽激光器（1）的输出端与所述可控开关（3）的a端之间设置一光纤隔离器（2）。

4.根据权利要求1所述的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，所述1*3光纤耦合器（4）的c端与所述单路密集波分复用器（7）的输入端之间设置声光调制器（5）和第一光纤放大器（6）；其中，所述1*3光纤耦合器（4）的c端连接所述声光调制器（5）的输入端，所述声光调制器（5）的输出端连接所述第一光纤放大器（6）的输入端，所述第一光纤放大器（6）的输出端连接所述单路密集波分复用器（7）的输入端。

5.根据权利要求1所述的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，所述平衡光电探测器（12）的c端与所述正交解调器（15）的a端之间设置带通滤波器（13）。

6.根据权利要求1所述的高速铁路站台防越界分布式光纤预警系统，其特征在于，所述幅值运算器（16）的c端与所述计算机（18）的输入端之间设置高速数据采集卡（17）。

Images