CN212409862U

CN212409862U - 一种多径信息融合的车辆振动识别装置

Info

Publication number: CN212409862U
Application number: CN202021674459.7U
Authority: CN
Inventors: 秦祖军; 高江江; 熊显名; 张文涛
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2030-08-12

Abstract

本实用新型公开一种多径信息融合的车辆振动识别装置，包括传感光纤、激光器、波形发生器、信号采集与处理模块和传感路径。每路传感路径均由光分束器、脉冲形成模块、光环形器、光合束器、平衡探测模块和IQ解调模块组成。激光器的输出端同时连接各路传感路径的输入端；各路传感路径的输出端同时连接信号采集与处理模块的采集信号输入端；波形发生器的输出端同时连接各路传感路径的同步控制端和信号采集与处理模块的同步信号输入端。沿公路铺设的传感光纤与各路传感路径的采集端连接。本实用新型通过多传感路径的后向瑞利散射信号形成多路振动信号，可减小由各类型噪声、随机偏振、干涉相消等引起的振动误判概率，增加振动识别的准确性。

Description

一种多径信息融合的车辆振动识别装置

技术领域

本实用新型涉及车辆振动识别技术领域，具体涉及一种多径信息融合的车辆振动识别装置。

背景技术

随着近年来车辆数量的急剧增长，高速公路面临的压力越来越大，造成了交通堵塞、交通事故等严重问题。因此，公路运营商迫切需要开发新的方法来提高运输效率和安全性。目前，公路风险管理主要采用侵入式和非侵入式两类离散传感器，前者安装在路面上(如磁传感器、感应线圈等)，后者安装在公路上的不同位置(如雷达传感器、摄像机等)。这些基于传感器的交通管理技术有效地提高了道路的安全性，减少了道路的拥堵。但需要注意的是，到2019年底，我国高速公路总里程已达约15万公里，这些传感器只能离散感知，因此无法匹配高速公路的快速发展要求。

分布式振动传感(DVS)方案的最新进展使其成为一种有前途的运输振动敏感测量技术。由于其全分布特性，DVS可以在光纤的任何位置定位外部动态扰动，其空间尺度分辨率超过几十公里。利用DVS技术，以光纤作为等效传感阵列，可以经济地实现远距离覆盖。此外，DVS受环境光照和天气变化影响较小。DVS一般可分为基于布里渊的DVS和基于瑞利散射的DVS。前者由于其在数据采集和扫频过程中耗费大量的时间，限制了其在相对较短的传感长度上的低频扰动的应用。相比之下，基于瑞利散射的DVS显示了在更长的范围内测量更高频率振动的能力，因此已成为许多重要领域的强大工具，包括铁路监测、管道安全和入侵检测。

相敏光时域反射计

是目前最常用的基于瑞利散射的DVS，因为

基于光学相干效应工作机理，对外界振动具有更高的灵敏度。在这项技术中，超窄线宽激光脉冲被发射到传感光纤中，任何机械振动都会在一个脉冲持续时间内改变大量瑞利散射单元上的瑞利散射光的相干作用。因此，后向散射瑞利光的相位和强度受到振动的调制。经过数字信号处理 (DSP)后，可以通过分析瑞利散射信号的相位或强度变化来确定振动信息。其中，基于信号幅值与振动关系的

幅值解调方案因结构简单而得到了广泛的应用。目前，

系统通常采取单路径传感结构。然而，由于探测脉冲时域强度波动、激光相位噪声、探测器热噪声等或者随机干涉相消效应、偏振扰动等，使瑞利后向散射瑞利信号强度随机波动，并进而造成振动信号跳变，因此容易导致单路径检测结构的

系统发生振动定位误判的现象。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有单模光纤

车辆振动识别所存在的定位准确率不高的问题，提供一种多径信息融合的车辆振动识别装置，其能够有效减少系统振动监测的误判概率。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种多径信息融合的车辆振动识别装置，包括相敏光时域反射计模块和传感光纤。所述相敏光时域反射计模块由激光器、波形发生器、信号采集与处理模块、以及Z路传感路径组成；其中Z≥2；每路传感路径均由光分束器、脉冲形成模块、光环形器、光合束器、平衡探测模块和IQ解调模块组成；光分束器的输入端形成该路传感路径的输入端；光分束器的一个输出端经由脉冲形成模块与光环形器的第一端口连接；光环形器的第二端口形成该路传感路径的采集端；光环形器的第三端口与光合束器的一个输入端连接；光分束器的另一个输出端与光合束器的另一个输入端连接；光合束器的输出端经由平衡探测模块连接IQ解调模块的输入端，IQ解调模块的输出端形成该路传感路径的输出端；脉冲形成模块的控制端形成该路传感路径的同步控制端；激光器的输出端同时连接各路传感路径的输入端；各路传感路径的输出端同时连接信号采集与处理模块的采集信号输入端；波形发生器的输出端同时连接各路传感路径的同步控制端和信号采集与处理模块的同步信号输入端。所述传感光纤沿公路铺设，传感光纤与相敏光时域反射计模块的各路传感路径的采集端连接。

上述方案中，所述传感光纤为单芯光纤、多芯光纤或多模光纤；当传感光纤为单芯光纤时，单芯光纤的条数与传感路径的路数相同，此时每条单芯光纤与一路传感路径的采集端连接；当传感光纤为多芯光纤时，多芯光纤内的纤芯数量与传感路径的路数相同，此时多芯光纤经由扇入扇出模块与各路传感路径的采集端连接；当传感光纤为多模光纤时，多模光纤的模式数量与传感路径的路数相同，此时多模光纤经由光子灯笼与各路传感路径的采集端连接。

与现有技术相比，本实用新型采用多径结构，通过采集多传感路径的后向瑞利散射信号形成多路振动信号，来减小由各类型噪声、随机偏振、干涉相消等引起的振动误判概率，增加振动识别的准确性。

附图说明

图1为一种多径信息融合的车辆振动识别装置的结构示意图；

图2为另一种多径信息融合的车辆振动识别装置的结构示意图；

图3为又一种多径信息融合的车辆振动识别装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

参见图1，一种多径信息融合的车辆振动识别装置，包括相敏光时域反射计模块和传感光纤。

所述相敏光时域反射计模块由激光器、波形发生器、信号采集与处理模块、以及至少2路传感路径组成。在本实用新型中，传感路径的条数为Z条， Z为设定值，且Z≥2。每路传感路径均由光分束器、脉冲形成模块、光环形器、光合束器、平衡探测模块和IQ解调模块组成。光分束器的输入端形成该路传感路径的输入端。光分束器的一个输出端经由脉冲形成模块与光环形器的第一端口连接。光环形器的第二端口形成该路传感路径的采集端。光环形器的第三端口与光合束器的一个输入端连接。光分束器的另一个输出端与光合束器的另一个输入端连接。光合束器的输出端经由平衡探测模块连接IQ解调模块的输入端，IQ解调模块的输出端形成该路传感路径的输出端。脉冲形成模块的控制端形成该路传感路径的同步控制端。激光器的输出端同时连接各路传感路径的输入端。各路传感路径的输出端同时连接信号采集与处理模块的采集信号输入端。波形发生器的输出端同时连接各路传感路径的同步控制端和信号采集与处理模块的同步信号输入端。

各路传感路径共用同一个信号采集与处理模块，但是激光器和波形发生器则可以选择共用或非共用的方式。当激光器采用非共用形式时：可以每条传感路径分别配置一个激光器；也可以其中几条传感路径共用一个激光器，而另外几条路径共用一个激光器。此时，各个激光器采用恒电流驱动模式 (ACC)，激光器发射的激光波长为1150.15nm，线宽小于3kHz，频率稳定度为20MHz/10min，偏振态为线偏光。当波形发生器采用非共用形式时：可以每条传感路径分别配置一个波形发生器；可以其中几条传感路径共用一个波形发生器，而另外几条路径共用一个波形发生器。此时，各个波形发生器驱动脉冲形成模块，提供一个脉冲信号；设置脉冲的脉宽为100ns，幅度为 0-500mV，偏置电压设置为250mV；设置时延为0ns。在本实施例中，所有传感路径共用激光器、波形发生器、信号采集与处理模块。所述激光器为高功率窄线宽激光器，高功率窄线宽激光器发出连续的线偏光，光谱线宽为 3kHz，中心波长为1550.15nm，最大输出功率为100mW，功率不稳定度小于 1％。高功率窄线宽激光器发出的连续光以1:1的比例分成两路功率相等的激光后分别注入所述第一传感路径和第二传感路径。所述波形发生器为任意波形发生器，该任意波形发生器为各个脉冲形成模块提供标准方波脉冲，并将分束器输入到脉冲形成模块中连续激光调制成探测脉冲光。此外，任意波形发生器控制信号采集与处理模块的采样时间，对第一传感路径和第二传感路径的后向瑞利散射信号进行同步采集。所述信号采集与处理模块对源自第一传感路径所接第一传感光纤的振动检测信号和第二传感路径所接第二传感光纤的振动检测信号实施信息融合并进行最终判决。

在传感路径中，脉冲形成模块的作用：一是将激光器输出的连续光调制成指定重复频率和脉冲宽度的探测光；二是对探测光脉冲进行频移，对后向瑞利散射信号进行外差探测。在本实施例中，脉冲形成模块经任意波形发生器驱动产生重复频率为4kHz，脉宽为100ns的探测光，同时经所述脉冲形成模块产生的探测脉冲光相对入射光频移下移200MHz。平衡探测模块的带宽为200MHz，探测响应度为0.9A/W。IQ解调模块的射频放大器的增益为32dB，通频带为35MHz，频响范围为200MHz。

在传感路径中，激光器所产生的激光输入光分束器的一个输入端，光分束器将激光分为2路，一路经由脉冲形成模块和环形器注入传感光纤中。传感光纤产生的后向瑞利散射信号经光环形器输入光合束器的一个输入端。光分束器输出的本振激光输入光合束器的另一个输入端。合束后的传感光纤产生的后向瑞利散射信号和本振激光输入平衡探测模块实施光电外差检测。平衡探测模块输出的中频信号输入IQ解调模块，IQ解调模块对该中频信号实施IQ解调后送入信号采集与处理模块，信号采集与处理模块对解调后的信号进行数据采样和数字信号处理，形成源自传感光纤的振动检测信号。

所述传感光纤沿公路铺设，传感光纤与相敏光时域反射计模块的各路传感路径的采集端连接。在本实施例中，传感光纤为单芯光纤，单芯光纤的条数与传感路径的路数相同，此时每条单芯光纤与一路传感路径的采集端连接。每条传感光纤源自沿高速公路边沿铺设。传感光纤的埋设深为0.2m-0.5m，距公路的水平距离为0.8-1.0m。在传感光纤上设置M个检测位置，其对应光纤采样点位置。为对数据有更好的描述，现对数据做如下定义：设信号采集与处理模块采集到单个探测脉冲返回的一种光波模式的瑞利散射信号为一条后向瑞利散射幅值数据，一条后向瑞利散射幅值数据中采样点的个数由光纤长度决定，光纤长度越长，检测位置即采样点的数量越多。本实施例中，传感光纤为单芯单模光纤，仅支持LP₀₁模式的光波传输，总长度为22km，信号采集与处理模块的采样周期设置为LP₀₁模式光波在传感光纤中传播1米的时间，LP₀₁模在传感光纤中的有效折射率为1.4498，则LP₀₁模式在光纤中的传播1m的时间为4.836ns，则信号采集与处理模块采集频率设置为100MHz，对应光纤空间分别率为1m(即每隔1m采集一个点)，传感光纤长度为2km，故一条后向瑞利散射幅值数据包括2000个采样点的幅值数据。即信号采集与处理模块采集一次得到2000个位置的幅值，每个位置相隔1m。其中M代表的是光纤位置上的采样概念，M为设定值，且满足光纤相应的空间分辨率。

当车辆在沿公路埋设的传感光纤某点附近驶过时，产生的振动会使传感光纤发生微弱的形变，进而改变传感光纤在该点处的有效折射率，有效折射率的改变会使此处的后向瑞利散射光发生相应的幅度变化。由于振动会改变此处的后向瑞利散射信号的幅度，因此通过采集后向瑞利散射光即可确定车辆振动信号。

实施例2：

参见图2，另一种多径信息融合的车辆振动识别装置，包括相敏光时域反射计模块和传感光纤。在本实施例中，相敏光时域反射计模块的结构与实施例1的结构相同，不同之处是采用一根多芯光纤(两芯以上的多芯光纤) 代替实施例1中的单芯单模光纤。传感光纤为多芯光纤，多芯光纤内的纤芯数量与传感路径的路数相同，此时多芯光纤经由扇入扇出模块与各路传感路径的采集端连接，探测脉冲由扇入扇出模块注入多芯光纤的各路纤芯。

本实施例中，首先计算多芯光纤中不同纤芯中光传播的折射率，针对性设置不同的数据采样率，分别获取不同纤芯光波的后向瑞利散射信号光的时域幅值数据D_i(i＝1，2…n)，n表示多芯光纤中用于构建传感路径的纤芯数目；其次，根据D_i计算相应的幅值差分累加曲线S_i1和幅值方差累加曲线S_i2。后续信号融合规则和振动信号判决方法与实施例1相同。

实施例3：

参见图3，又一种多径信息融合的车辆振动识别装置，包括相敏光时域反射计模块和传感光纤。在本实施例中，相敏光时域反射计模块的结构与实施例1的结构相同，不同之处是采用一根多模光纤(两模以上的多模光纤) 代替实施例1中的单芯单模光纤。传感光纤为多模光纤，多模光纤的模式数量与传感路径的路数相同，此时多模光纤经由光子灯笼与各路传感路径的采集端连接，其探测脉冲经光子灯笼相应的空间模式输入端注入多模光纤。

本实施例中，首先计算多模光纤中不同空间模式光传播的折射率，针对性设置不同的数据采样率，分别获取不同空间模式光的后向瑞利散射信号光的时域幅值数据D_i(i＝1，2…n)，n表示多模光纤可以支撑的空间模式数目；其次，根据D_i计算相应的幅值差分累加曲线S_i1和幅值方差累加曲线S_i2。后续信号融合规则和振动信号判决方法与实施例1相同。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种多径信息融合的车辆振动识别装置，其特征是，包括相敏光时域反射计模块和传感光纤；

所述相敏光时域反射计模块包括激光器、波形发生器、信号采集与处理模块和Z路传感路径组成；其中Z≥2；

每路传感路径均由光分束器、脉冲形成模块、光环形器、光合束器、平衡探测模块和IQ解调模块组成；光分束器的输入端形成该路传感路径的输入端；光分束器的一个输出端经由脉冲形成模块与光环形器的第一端口连接；光环形器的第二端口形成该路传感路径的采集端；光环形器的第三端口与光合束器的一个输入端连接；光分束器的另一个输出端与光合束器的另一个输入端连接；光合束器的输出端经由平衡探测模块连接IQ解调模块的输入端，IQ解调模块的输出端形成该路传感路径的输出端；脉冲形成模块的控制端形成该路传感路径的同步控制端；

激光器的输出端同时连接各路传感路径的输入端；各路传感路径的输出端同时连接信号采集与处理模块的采集信号输入端；波形发生器的输出端同时连接各路传感路径的同步控制端和信号采集与处理模块的同步信号输入端；

所述传感光纤沿公路铺设，传感光纤与相敏光时域反射计模块的各路传感路径的采集端连接。

2.根据权利要求1所述的一种多径信息融合的车辆振动识别装置，其特征是，所述传感光纤为单芯光纤、多芯光纤或多模光纤；

当传感光纤为单芯光纤时，单芯光纤的条数与传感路径的路数相同，此时每条单芯光纤与一路传感路径的采集端连接；

当传感光纤为多芯光纤时，多芯光纤内的纤芯数量与传感路径的路数相同，此时多芯光纤经由扇入扇出模块与各路传感路径的采集端连接；

当传感光纤为多模光纤时，多模光纤的模式数量与传感路径的路数相同，此时多模光纤经由光子灯笼与各路传感路径的采集端连接。