CN2738479Y - 基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，包括信号源产生装置、信号感应装置和信号接收与处理装置，其特征在于，所述信号源产生装置包括宽带光源和可调滤波器，所述信号感应装置为布拉格光栅阵列，所述信号接收与处理装置包括光纤连接装置、波分复用装置、波长接收和分析装置和中央处理装置；所述宽带光源经可调滤波器滤波后，通过光纤连接装置传输到光纤布拉格光栅阵列以选择相应波长进行感应，感应后的信号通过所述信号接收与处理装置的波分复用装置，依次传输给波长接收和分析装置和中央处理装置进行处理。本实用新型能够对轨道上车辆的运行情况进行高精度的实时监视，方便地铁工作人员和乘客。

Description

基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统

【技术领域】

本实用新型涉及轨道监视系统，尤其是涉及基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统。

【背景技术】

在光通信领域，所谓的波分复用(WDM，Wavelength DivisionMultiplexing)其本质上也是频分复用。WDM是在1根光纤上承载多个波长(信道)系统，将1根光纤转换为多条“虚拟”光纤，当然每条虚拟光纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于WDM系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。

轨道，如地铁轨道、火车轨道等有直线方式和环线方式任何一种都可以在轨道下面铺设具有布拉格光栅的光纤，以便准确感应轨道应力信号，传输高精度的数据。

首先，由于地下或地表环境潮湿，信号弱，而光纤防潮防水，并且光信号在光纤中传输不受周围电场与磁场干扰，光信号传输比较精确，所以当车辆在轨道上运行时，光纤不会受到周围的电磁干扰。其次由于光纤质量轻巧，弯曲度好，柔韧性高，故很适合铺设传感网络。再者，光纤的成本低廉和容易操作性为以后的维护工作奠定了很好的基础。

目前，地铁车站监视系统大多包括信源、信号采集与传输装置、信号接收与处理装置，信源产生的各种信号均需通过单独的缆线(电铜线)传输给信号接收与处理装置处理，然后靠无线或有线方式传送轨道各站点的信息给总控制中心，以监控轨道上车辆的运行情况，该系统不能实现信号的实时监视，而且该系统构成复杂，成本较高，故障点多，维护不便。

【发明内容】

本实用新型的目的在于克服上述系统不能实现信号的实时监视的弊端，而提供一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其能够实现实时监视轨道上车辆运行的情况。

为了实现上述目的，本实用新型提供的基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统采用以下技术方案：

该系统包括信号源产生装置、信号感应装置和信号接收与处理装置，其特征在于，所述信号源产生装置包括宽带光源和可调滤波器，所述信号感应装置为布拉格光栅阵列，所述信号接收与处理装置包括光纤连接装置、波分复用装置、波长接收和分析装置和中央处理装置；所述宽带光源经可调滤波器滤波后通过光纤连接装置传输到光纤布拉格光栅阵列进行感应，感应后的信号依次传输到所述信号接收与处理装置的光纤连接装置、波分复用装置、波长接收和分析装置和中央处理装置进行处理。

其中，该系统还包括光波多路切换装置；所述信号源产生装置产生的信号经光纤布拉格光栅阵列感应，感应后的信号依次传输到光波切换装置进行多路切换，然后传输到信号接收与处理装置处理。

其中，所述宽带光源为宽带激光光源或宽带发光二极管。

其中，所述可调滤波器为可调光纤光栅滤波器或法布里-玻罗可调谐滤波器或声/光可调谐滤波器或阵列波导光栅(Array Wave-guideGrating，AWG)可调滤波器或液晶体可调谐滤波器或电/光可调谐滤波器或光纤布拉格光纤可调谐滤波器或基于半导体或激光器结构的可调滤波器。

其中，所述光纤连接装置为光纤连接器或光纤适配器或光纤对接器。

其中，所述波分复用装置为光栅波分复用器或密集波分复用器或光纤标准波分复用耦合器或中继型波分复用器或薄膜滤波型波分复用器或粗波分复用器。

其中，所述波长接收和分析装置为多光波长计或光纤光栅传感系统或光谱分析仪。

其中，所述光波切换装置为光开关或光电二极管，所述光开关为机械光开关、或液晶光开关、或电光效应光开关、或热光效应光开关、或半导体光放大器光开关。

其中，所述光纤布拉格光栅阵列布置在轨道的侧面或底面，并且与轨道紧密相贴。

其中，该系统还包括图像控制荧幕，经信号接收与处理装置处理后的数据输入中央处理装置分析，在图像控制荧幕上成像，实时监视轨道上车辆运行的情况。

本发明新型由于采用了带有布拉格光栅阵列的信号感应装置的轨道监视系统，所以当轨道承载产生应力应变和压力的变形时，所述信号感应装置相应产生布拉格反射波长的变化，这些变化数据，通过光栅阵列的波分复用，实时反映轨道上的各个点的受力情况，从而本实用新型能够对轨道上车辆的运行情况进行高精度的实时监视，方便地铁或铁路工作人员和乘客及时了解车辆所在的位置。

另外，由于光纤本身的优越性，比如，防水防潮、耐腐蚀，体积小、质量轻，弯曲性好等特性，所以很适用于轨道的辐射环境，并能够很好地传递信号，方便工作人员及乘客及时了解轨道上车辆的运行情况；同时由于光纤成本低，对于较长轨道应力的传递很大地节约了成本；再者由于光纤不受电磁波的干扰，所以，尤其是在地铁车辆的运行过程中，传感信号能够准确传输给控制中心。

【说明书附图】

图1是布拉格光栅结构示意图；

图2是光纤布拉格光栅阵列以及光栅结构简图；

图3是铺设了光纤布拉格光栅的环线地铁示意图；

图4是波分复用分布式光纤布拉格光栅的地铁监视示意图。

图示说明：1-宽带光源；2-可调滤波装置；3-光纤连接装置；4-布拉格光纤阵列感应装置；5-光切换装置；6-波分复用装置；7-波长接收与分析装置；8-中央处理装置。

【具体实施方式】

图1是具有多个光栅的光纤，其中每一黑色的部分200是一个光栅210，每一个光栅具有不同的中心反射波长λ₀，这样不同点上的光栅可以分别测到相应的应力应变和振动情况，在同一条光纤中可以制作多个光栅。图中210是一个光栅的放大结构图样，每一黑色的部分211是光波折射变化后光纤纤芯部分。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种简单的固有传感元件，其利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，图1描述了光纤光栅的基本结构。图中光栅每一黑色的部分211是紫外光照射后折射率变化部分。光纤纤芯光栅布拉格反射波长(λ_B)条件可以由式(1)表示：

            λ_B＝2×n_eff×Λ                         (1)

式中，Λ是光栅周期长度；n_eff是光纤有效折射率。当宽谱光源入射到光纤中，光栅将反射其中以布拉格波长λ_B为中心波长的窄谱分量。在透射谱中，这一部分分量将消失，λ_B随应力与温度的漂移为式(2)：

其中：ε是外加应力；P_i，j是光纤的光弹张量系数；v是泊松比；α是光纤材料(如石英)的热膨胀系数；□T是温度变化量。

上式中： $\left(\frac{n^2}{2}\right)[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})]$ 因子典型值为0.22。因此，可以推导出在常温和常应力条件下的FBG应力和温度响应条件如下式：

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_B}\·\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{\δ\ϵ}}=0.78\×{10}^{-6}\mathrm{\μ}/\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

光栅测量应力应变时，首先将光栅贴在受力物体下面或侧面，当受力物体受到力的作用时，光栅同时受力，被拉伸或是收缩，这样它固有的Λ变大或变小。通过公式：λ_B＝2×n_eff×Λ，可以知道λ_B也会变化。那么光栅的初始Λ₀，具有初始布拉格中心波长λ₀＝2×n_eff×Λ₀。通过对固有布拉格中心波长和受力的布拉格反射波长的比较□λ＝λ_B-λ₀，系统可以换算出受到压力的大小。

下面以地铁系统为例，地铁列车通过的地方受到很大的压力作用，光栅紧覆在轨道上，同时产生形变，根据光纤布拉格光栅(FBG)反射波长的变化值□λ，系统能够得到地铁列车的实时、准确的位置。结合时间运算，可以得到列车的实时速度。

环线地铁铺设光纤布拉格光栅的示意图，如图2所示。其中地铁站310设定为20站。周围黑白相间的部分是代表在地铁铁轨下面铺设的带有布拉格光栅(不是实际数目)的光纤感应装置320。

具体实施方案参见图3，本实用新型包括宽带光源401、可调滤波器402、光纤连接装置407、布拉格光栅光纤阵列感应装置403、波分复用装置404、波长接收与分析装置405和中央处理装置406，这些装置通过单模光纤或多模光纤连接。

从宽带光源401(宽带激光光源或宽带发光二极管光源)中发射出带宽很宽(几十nm左右，例如从1530nm——1560nm)的光源，传给了自动可调滤波器402，所述可调滤波器可以为可调光纤光栅滤波器或法布里-玻罗可调谐滤波器或声/光可调谐滤波器或阵列波导光栅(Array Wave-guide Grating，AWG)可调滤波器或液晶体可调谐滤波器或电/光可调谐滤波器或光纤布拉格光纤可调谐滤波器或基于半导体或激光器结构的可调滤波器，可调滤波器402从1530nm开始快速增加1nm一直增加到1560nm，共增加30次。如果在一秒钟可调滤波器402的扫描频率是300Hz，即可以达到一秒钟重复1530nm+1nm——1560nm这一范围中10次。这样，对于地铁来说，光源变化一次时间是0.1秒，所有位置上的光纤布拉格光栅可以把自身的情况反映给中央处理装置406。如果希望速度更快，则需要自动可调滤波器402的可调速度加快。当他的频率是3000Hz时，中心得到每一位置上的数据时间间隔是0.01秒，这样1秒中可以扫描100次轨道受力的情况。

从可调滤波器402中发出的光传输给光纤连接装置407，所述光纤连接装置为光纤连接器或光纤适配器或光纤对接器，经该装置空分复用后，传送给多条布拉格光栅光纤阵列感应装置403，该装置每一条上具有几十个光栅，其中心频率互不相同(例如有30个光栅，从第1个到第30个布拉格中心频率是1530nm、1531nm、1532nm、......1560nm)。这样当可调滤波器402的光源波长是λnm时候，只有布拉格中心波长是λnm的光栅的布拉格反射波长被后面的装置感应到。通过这个重要原理，能够得到不同位置的波长变化量□λ。如下面计算式：

                     □λ＝λ_B-λ₀

其中，λ_B＝2×n_eff×Λ是布拉格反射波长，λ₀是布拉格光栅的原有的中心波长。

从布拉格光栅光纤阵列感应装置403出来的光纤上的反射波长传给光纤连接装置407，经空分复用后，传送给波分复用装置404，所述波分复用装置为光栅波分复用器或密集波分复用器或光纤标准波分复用耦合器或中继型波分复用器或薄膜滤波型波分复用器或粗波分复用器，通过该装置波分复用方式，实时分辨出同一根光纤上某一个不同布拉格中心波长的光栅的波长变化情况。

从波分复用装置404出来的布拉格反射波长，传给后面的反射光波长接收和分析装置405，所述波长接收和分析装置为多光波长计或光纤光栅传感系统或光谱分析仪，通过该装置得到精确的反射布拉格波长数值。配合现有的反射光波长接收和分析装置405的软件，在中央处理装置406上可以转换成为相应的波长或者是其他变量的图像和数值。如果将具有各个不同的中心波长的光栅编上号码(1、2、3、......30)，用计算机语言描绘出虚拟的图面并且计算出所需要的数值(例如地铁运行速度、地铁运行位置)，使得有应力应变的光栅的编号位置有亮点。这样在地铁运行时，在控制中心的工作人员可以实时监测到地铁的具体位置和运行速度。

下面结合图4详细说明本实用新型的另一实施例的具体方案，本实用新型包括宽带光源501、可调滤波器502、光纤连接装置503、布拉格光栅光纤阵列感应装置504、光切换装置505、波分复用装置506、波长接收与分析装置507、中央处理装置508，这些装置通过单模光纤或双模光纤连接。

从宽带光源501(宽带激光光源或宽带发光二极管光源)中发射出带宽很宽(几十nm左右，例如从1530nm——1560nm)的光源，传给了自动可调滤波器502，所述可调滤波器可以为可调光纤光栅滤波器或法布里-玻罗可调谐滤波器或声/光可调谐滤波器或阵列波导光栅(Array Wave-guide Grating，AWG)可调滤波器或液晶体可调谐滤波器或电/光可调谐滤波器或光纤布拉格光纤可调谐滤波器或基于半导体或激光器结构的可调滤波器，可调滤波器502从1530nm开始增加1nm一直增加到1560nm，共增加30次。如果在一秒钟可调滤波器502的扫描频率是300Hz，也就是说可以达到一秒钟重复1530nm+1nm——1560nm这一范围中10次。例如，对于地铁来说，光源变化时间间隔是0.1秒，所有位置上的光纤布拉格光栅可以把自身的情况反映给中央控制装置508。如果希望速度更快，那么就需要自动可调滤波器502的可调速度加快。例如，当可调滤波器的频率是3000Hz时，控制中心得到数据的时间间隔是0.01秒，这样1秒中可以扫描轨道100次。

从可调滤波器502中发出的光通过光纤连接装置503，所述光纤连接装置为光纤连接器或光纤适配器或光纤对接器，经该装置进行空分复用后传输给布拉格光栅光纤阵列感应装置504，该装置一般设置为多根，其中每距离若干米远，芯内刻入一个不同布拉格中心波长的光栅，光栅之间的距离和光栅数目要结合实际情况确定。例如，每一条上具有几十个光栅，其中心频率互不相同(例如有30个光栅，从第1个到第30个布拉格中心频率是1530nm、1531nm、1532nm、......1560nm)。这样当可调滤波器502的光源波长是λnm时候，只有布拉格中心波长是λnm的光栅的布拉格反射波长被后面的装置感应到。通过这个重要原理，能够得到不同位置的波长变化量□λ。如下面计算式：

                       □λ＝λ_B-λ₀

其中，λ_B＝2×n_eff×Λ是布拉格反射波长，λ₀是布拉格光栅原有的中心波长。

从布拉格光栅光纤阵列感应装置504反射回来的多个波长λ_i，通过光纤连接装置503的连接，然后传给光切换装置505，所述光波切换装置为光开关或光电二极管，所述光开关为机械光开关或液晶光开关或电光效应光开关或热光效应光开关或半导体光放大器光开关，通过该装置对空分复用的光纤进行快速切换式处理，使得不同根光纤被高速扫描一遍，进而使得一套系统在多条光纤线路上不同空间同时进行测量和反馈。

从光切换装置505出来的某一根光纤上的反射波长传给了波分复用装置506，所述波分复用装置为光栅波分复用器或密集波分复用器或光纤标准波分复用耦合器或中继型波分复用器或薄膜滤波型波分复用器或粗波分复用器，通过该装置根据一根光纤上光栅的数目选择相应的波分复用器的复用信道数目，把不同光栅通过波分复用的方式，分辨出同一根光纤上某一个不同布拉格中心波长的光栅实时的波长变化情况。

从波分复用装置506出来的布拉格反射波长，传给后面的波长接收与分析装置507，所述波长接收和分析装置为多光波长计或光纤光栅传感系统或光谱分析仪等，通过该装置接收每一个光栅的布拉格反射波长λ_B，得到精确的反射布拉格波长数值。配合现有的波长接收与分析装置507的软件，在中央处理装置508分析得到的相应数据，结合相应的软件系统，可以转换成为相应的波长或者是其他变量的图像数值，得到更加人性化的表示方式。如果把具有各个不同的中心波长的光栅编上号码(1、2、3、......30)，用计算机语言描绘出虚拟的图面并且计算出所需要的数值(例如地铁或火车的运行速度、地铁或火车的运行位置)，使得有应力应变的光栅的编号位置有亮点。这样在列车运行时，在控制中心的工作人员可以实时监测到运行车辆的具体位置和运行速度。

结合上述两个实施例，还可以进一步在轨道的每一个站点，放置一个控制图像荧幕，这样在地铁或或火车站等车的乘客，可以清楚地看到最近的一趟列车运行的位置，也可以注明还有多长时间可以到达本站，也方便乘客的乘车判断。

以上为本实用新型的最佳实施方式，依据本实用新型公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到一些雷同、替代的方案，均应落入本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1、一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，包括信号源产生装置、信号感应装置和信号接收与处理装置，其特征在于，所述信号源产生装置包括宽带光源和可调滤波器，所述信号感应装置为布拉格光栅阵列，所述信号接收与处理装置包括光纤连接装置、波分复用装置、波长接收与分析装置以及中央处理装置；所述宽带光源经可调滤波器滤波后通过光纤连接装置传输到光纤布拉格光栅阵列进行感应，感应后的信号依次传输到所述信号接收与处理装置的光纤连接装置、波分复用装置、波长接收和分析装置和中央处理装置进行处理。

2、按照权利要求1所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，还包括光波多路切换装置；所述信号源产生装置产生的信号经光纤布拉格光栅阵列感应，感应后的信号依次传输到光波切换装置进行多路切换，然后传输到信号接收与处理装置处理。

3、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述宽带光源为宽带激光光源或宽带发光二极管光源。

4、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述可调滤波器为可调光纤光栅滤波器或法布里-玻罗可调谐滤波器或声/光可调谐滤波器或阵列波导光栅可调滤波器或液晶体可调谐滤波器或电/光可调谐滤波器或光纤布拉格光纤可调谐滤波器或基于半导体或激光器结构的可调滤波器。

5、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述光纤连接装置为光纤连接器或光纤适配器或光纤对接器。

6、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述波分复用装置为光栅波分复用器或密集波分复用器或光纤标准波分复用耦合器或中继型波分复用器或薄膜滤波型波分复用器或粗波分复用器。

7、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述波长接收和分析装置为多光波长计或光纤光栅传感系统或光谱分析仪。

8、按照权利要求1或2所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述光波切换装置为光开关或光电二极管，所述光开关为机械光开关或液晶光开关或电光效应光开关或热光效应光开关或半导体光放大器光开关。

9、按照权利要求1至8任意一项所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅阵列布置在轨道的侧面或底面，并且与轨道紧密相贴。

10、按照权利要求9所述的一种基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统，其特征在于，还包括图像控制荧幕，经信号接收与处理装置处理后的数据输入中央处理装置分析，在图像控制荧幕上成像，实时显示轨道上车辆运行的情况。

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