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张訢炜，李 俊，张鼎博，严瑞锦，田 彪，丁国绅，殷和宜，马 天，王伟峰，翟小伟
（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；
2.中国科学技术大学环境科学与光电学院，安徽合肥230026；
3.今创科技有限公司，江苏常州213149）
由于轨道交通列车运行密度高、车站间距近、安全性要求高，故而列车运营单位需要实时了解列车在线路中的精确位置，从而实时、动态地对每一列列车进行监督、控制、调度及安全防护，确保列车的安全行驶，减少列车事故的发生。因此，车辆高精度、实时定位就成为智能交通的重中之重[1]。
目前常用的列车定位方法有GPS、北斗导航、查询/应答器、扩频无线通信定位等。GPS 定位的列车识别系统分布在各个区域，并通过电线与中央处理系统(CPS)连接，但很难获得列车识别[2]的位置、运行状态和故障。易立富、高渐强等人提出基于北斗导航的列车定位技术[3-4]，该技术定位精度高，但抗干扰能力差，在隧道以及山区等区域无法提供准确的位置服务，致其无法准确定位列车[5]。里程计累加测距定位[6-7]是将里程计安装在车轮轮轴上，通过计算车轮转速从而得出列车运行速度及行驶距离，但是车轮的空转或磨损会造成里程计测速/测距的误差。基于查询/应答器的列车定位技术[8-10]，该技术只在应答器安装点的定位精度较高，只能给出点式定位信息，技术投资大，设备维护成本高。无线通信的列车定位[11-12]利用无线扩频通信技术，实现对列车的实时定位及跟踪，该技术需要在沿线设置专用的扩频基站，投资成本较高。
本文利用铁路沿线通信光缆中的一芯作为传感光缆，提出了一种分布式光纤微振动传感[13-15]技术，在光纤中注入强相干激光，分析背向瑞利散射回光的特性，从而实现列车种类的识别和位置实时跟踪。与其他传感技术相比，该技术具有抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、灵敏度高等特点，并且传感原件为光缆本身，平均监测成本大幅降低，可以实现大范围监测。
分布式光纤振动传感技术是根据光纤中背向瑞利散射光的干涉效应来判断光纤是否发生振动，并对振动的位置进行精确定位[16]。分布式光纤微振动传感结构如图1所示：连续窄线宽激光器输出的连续光波经声光调制器调制转换成脉冲光，再通过掺铒光纤放大器进行功率放大，经环形器注入到传感光纤中。脉冲光在沿光纤正向传播过程中，由于光纤中不均匀的介质分布，会产生背向瑞利散射光。散射光沿传感光纤经环形器进入再次放大，经光电探测器转化成电信号，产生的电压信号由声光调制器同步触发的数据采集卡进行数据采集，再交由上位机进行信号处理。
相干背向瑞利散射使用窄线宽激光器以实现脉宽范围内背向瑞利散射光之间干涉效果，光纤某一点发生细微振动，会导致该扰动位置的光纤折射率发生变化，光纤折射率的改变进而导致光相位发生变化，相位及折射率发生变化会产生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光电探测器转化。对前后时刻瑞利信号曲线进行差值运算，差分曲线上干涉光强信号发生变化的位置，对应扰动发生的位置。
考虑在t时刻光纤上空间相干的A和B两点，背向瑞利散射光信号ES A和ES B分别为其背向散射光振幅，参考双光束干涉理论，IAB数学表达形式为
式中：Δφ为 两束光的相位差；
IA为A点的光强；
IB为B点的光强。
在无任何干扰的情况下，A、B两点经过干涉后的光强是保持不变的。假设在A、B两点之间有一点C，该点发生扰动，C点到光脉冲发射端的距离记为LC，扰动发生于脉冲到达前，扰动作用在光纤上的长度记为 ΔLC，扰动对C点的折射率产生调制，则A/B两点散射光相位差为
式中：τIC为光脉冲到达扰动点C的时间；
τIB为光脉冲到达扰动点B的时间；
τBC为B点散射的光到达扰动点C的时间。
扰动会使得光纤中的光折射率发生变化，从而致使两点相位差成为时间函数，A、B两点干涉后光强也会跟随时间的变化而变化，通过前后脉冲的瑞利信号时间差分图就可以对扰动的位置进行精确的定位。
2.1 光源测试
本文使用的系统采用了NKT 公司的E15 光纤激光器，计算光纤中激光的最小相干长度，根据该公司给出的技术指标，该激光器的理论线宽小于100 Hz。
式中：Δf为激光器发射的激光理论线宽最大值，取100 Hz；
c为光在光纤中的速度，取 2×108m/s。
单次脉冲放大的最大探测长度在实际的现场应用当中不超过40 km，远远小于计算出来的激光的最小相干长度，因此该激光器满足列车实时监测的需求。
2.2 PZT 振动测试
基于图1 的分布式光纤微振动传感结构探测的频率在0～100 Hz 之间，分别取分布式光纤微振动传感结构在10 Hz、50 Hz 和100 Hz 这3 个频率下压电陶瓷的响应能力，如图2所示，由图可知只有在低频率段才会出现微弱的噪声。
图2 10 Hz、50 Hz 和100 Hz 条件下PZT 振动频率响应图Fig.2 Frequency response diagram of PZT vibration at 10 Hz,50 Hz and 100 Hz
2.3 系统测试
实验室使用窄线宽激光器，激光器中心波长为1 550 nm、功率为20 mW、线宽100 Hz；
光纤放大器的增益均为15 dB；
数据采集卡采用简仪科技PCle-9802DC，数据采集卡和声光调制器采用同一发生器进行调制，脉宽设置为100 ns，数据采集卡采样频率设置为250 MSa/s，可实现0.4 m 的空间分辨率，布置传感光纤的总长度为800 m，采用单模光纤，纤芯光折射率为1.48，采样点2 000 个，每一次采样的间隔是重复频率，每次采集的数据量不变，第500 采样点为传感光纤200 m 处，图3(a)的传感光纤处于静止无扰动状态；
图3(b)为光纤在采样点500 处给予稳定的手机振动，振动间隔为0.5 s，共采集6 次作RMS 数据图，对比静止情况下和振动情况下的图可以清晰看出系统在振动后电压发生明显变化，在稳定状态下各个采样点的电压基本保持在0.01 V 上下波动，在200 m 处振动情况下及其附近采样点的电压发生明显的波动，最大电压为0.2 V，信噪比在30 dB～40 dB 之间。
图3 传感光纤在静止状态下和第500 监测点稳定振动RMS 数据图Fig.3 Stable vibration RMS data of sensing fiber at static state and the 500 th monitoring point
3.1 现场布置
测试段光缆全长23 km，为埋地加桥架形式铺设。分布式光纤微振动传感系统放置于首站通信机房内。测试点为距离首站4.5 km 的位置，附近没有大型施工场地，光缆监测零点选择为通信机房。图4 为列车信号振动监测系统。系统通过尾纤与车轨旁铺设光缆连接，以接收从光缆传来的光信号。当列车经过测试点时，2 节车厢连接处碰撞产生振动信号，该信号以机械波形式通过铁轨传入大地再传到通讯光缆上，使光纤发生细微振动，产生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光电探测器接收，最后数据采集卡采集光强信号交由上位机处理。通过对处理得到的能量谱图进行分析，确定该信号的频率、强度等因素，对车速和位置等进行判断。
图4 列车振动信号监测系统Fig.4 Train vibration signal monitoring system
3.2 列车类型识别
途经客货车辆分为2 类，客运列车和货运列车，2 类列车经过时震感都比较明显，其中，货车震感最强，其次是客车。图5 展示了距离首站4.5 km处的一辆16 节的客车经过时分布式光纤声波振动系统采集到的列车振动信号和经过差分处理后的信号波形图。
图5 客车经过的原始信号图和差分信号图Fig.5 Diagram of original signal and differential signal of passing train
经过差分处理后，从图中可以看出客车的车厢振动信息。由于每节车厢有2 个转向架，每个转向架在碰撞铁轨连接处会形成一定的振动。列车振动通过铁轨传递到光缆上需要经过土壤等传输介质，导致采集得到的振动波信噪比降低，但不影响对车厢数的识别计算。图5 中周期性的包络信号代表车厢和铁轨的碰撞，通过计算包络的个数可以得出这列客车的车厢总数是16 节，和拍摄列车经过的视频计算的车厢数一致，进一步分析了分布式光纤微振动系统采集到的这列客车产生振动信号的频谱分布情况。数据显示，客车车厢长度大约为25 m，16 节车厢总长度约为400 m。
从图6 可以看出列车振动的影响范围远大于400 m 的车厢总长。这是由于列车本身以一定速度行驶，产生的振动波通过土壤会传递到更远的区域，与振动的影响区域和列车速度、车重都有关系。对于客车来讲，发现整个列车产生的振动波频率集中在低频段，多数集中在小于50 Hz 的频率区间。在列车位置中心点附近，有一些相对高的频段出现，可延伸到250 Hz，这些频率的产生可能和轮轨之间的碰撞产生的高频分量有关。随着振动波向更远的地方传播，高频信息逐渐衰减。同理，图7 展示了分布式光纤微振动系统采集到的一列货运列车的时域信号。由于货运车载物后的质量大于客车，图中可看出振动信号的强度普遍高于客车。客车振动强度集中于35 dB～45 dB 中。
图6 客车经过的频谱空间瀑布图Fig.6 Frequency spectrum space waterfall of passing train
图7 货车经过的原始信号图和差分信号图Fig.7 Diagram of original signal and differential signal of passing freight train
影响振动强度因素有车速、土壤性质、光纤距铁路中心线距离和车载重等。随着光纤距列车距离越大，地面垂向振动加速度越小；
在振动传播的途径上，土壤性质也对振动传播有很大影响，一般来说硬土比软土的振动加速度峰值小得多；
另外列车的车速越快，所产生的振动越大，车速变化对靠近振源处地面振动影响较大；
车载重越大,产生的振动也越大。以上特征可以作为判断客车、货车和机车的主要特征。
从图8 中可以看出，客运列车从5 590 m 行驶到5 695 m 时，运动方向是开出车站的方向，速度逐渐增加。客运列车随着车速的增加，逐渐出现较高的频率。系统采样频率是300 Hz，在5 590 m处，振动主频集中在1 Hz～2 Hz,有25 dB 的动态范围。当列车到达5 695 m 处，30 Hz 内的频率能量有了明显的增强，可以推断随着列车的提速，车厢和轨道间撞击产生的振动加快，该振动能量通过轨道传递给土壤被传感光缆接收。
图8 客运列车在5 590 m（灰）和5 695 m（黑）处的振动时域信号和对应的频谱波形Fig.8 Vibration time-domain signals and corresponding frequency spectrum waveform of trains at 5 590 m and 5 695 m
由图9 可以看出，在分布式光纤微振动传感系统同一空间分辨率内，假定列车的速度基本保持不变，振动信号频率分布基本一致。主振频率在1 Hz～2 Hz,对应相应的车厢周期性撞击铁轨产生的振动。通过上述论述，可以看出不同种类的列车由于长度不同，导致作用的振动区间长度不同；
同时，不同类型列车车轴数不同，造成在时域波形上包络数不同。以上2 个特征可以作为判断客车、货车和机车的主要特征。
图9 列车在同一空间分辨率内的两点5 590 m（黑）和5 588 m（灰）处的振动时域信号和对应的频谱波形图Fig.9 Vibration time-domain signals and corresponding frequency spectrum waveform of passenger trains at 5 590 m and 5 588 m in same spatial resolution
3.3 列车定位
通过分布式光纤微振动传感系统可以实现对列车行驶轨迹的实时监测。图10 表现出距离控制中心站4.5 km 处，有16 节客车经过时，振动明显。从图中可以看出，客车产生的振动覆盖范围约450 m，根据铁路局提供的货车信息，每节车厢长度为25 m，加上机车的长度20 m，客车的总长度约为420 m，覆盖的振动区间略大于车辆的总长度。这是由于列车在运动过程中，引起的振动区域大于列车本身的长度，振动波通过土壤传播到传感光缆上被检测。
图10 货车经过的时域瀑布图，时域瀑布图Fig.10 Diagram of time-domain waterfall and frequencydomain waterfall of passing freight train
图11 为分布式光纤微振动传感系统采集到机车（列车头）通过距离控制室2 760 m～3 100 m 的轨迹。
图11 机车时域瀑布图Fig.11 Time-domain waterfall diagram of locomotive
从图11 可以看出，在这段区间内，计算得到机车的平均速度9 m/s，行驶方向为从西开往东。对比机车和货车的情况可以看出，机车引起的振动范围较小，大致为25 m，作用长度比机车本身的长度20 m 稍长一些。在有些点位上振动较强，另一些点位则振动较弱，因为振动具有传播性，因此在列车行进过程中，列车所产生的振动范围是要略大于列车的长度的。
本文提出的分布式光纤振动的铁路预警系统是利用基于通信光纤中背向瑞利散射光波干涉效应，探测列车振动引起的光波相位变化。利用铁路沿线敷设的通信光缆作为传感器，可实现列车类型的识别，能够区分客车、货车及电力机车。同时，实现了对列车车速和车辆位置信息进行连续实时监控。作为轨道信号系统的一种有效补充手段，分布式光纤微振动铁路预警系统实现了25 km运行区段内列车运行轨迹的实时跟踪。该系统对列车位置的定位误差在±10 m。该技术本质安全，长距离监测成本低，时效性好，有望配合现有轨道信号系统，实现列车位置的实时跟踪，对于提高列车移动闭塞系统效率具有积极意义。
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