基于光纖相干背向瑞利散射的列車實時定位技術

張訢煒，李 俊，張鼎博，嚴瑞錦，田 彪，丁國紳，殷和宜，馬 天，王偉峰，翟小偉

（1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西西安710054；2.中國科學技術大學環境科學與光電學院，安徽合肥230026；3.今創科技有限公司，江蘇常州213149）

引言

由于軌道交通列車運行密度高、車站間距近、安全性要求高，故而列車運營單位需要實時了解列車在線路中的精確位置，從而實時、動態地對每一列列車進行監督、控制、調度及安全防護，確保列車的安全行駛，減少列車事故的發生。因此，車輛高精度、實時定位就成為智能交通的重中之重[1]。

目前常用的列車定位方法有GPS、北斗導航、查詢/應答器、擴頻無線通信定位等。GPS 定位的列車識別系統分布在各個區域，并通過電線與中央處理系統(CPS)連接，但很難獲得列車識別[2]的位置、運行狀態和故障。易立富、高漸強等人提出基于北斗導航的列車定位技術[3-4]，該技術定位精度高，但抗干擾能力差，在隧道以及山區等區域無法提供準確的位置服務，致其無法準確定位列車[5]。里程計累加測距定位[6-7]是將里程計安裝在車輪輪軸上，通過計算車輪轉速從而得出列車運行速度及行駛距離，但是車輪的空轉或磨損會造成里程計測速/測距的誤差?；诓樵?應答器的列車定位技術[8-10]，該技術只在應答器安裝點的定位精度較高，只能給出點式定位信息，技術投資大，設備維護成本高。無線通信的列車定位[11-12]利用無線擴頻通信技術，實現對列車的實時定位及跟蹤，該技術需要在沿線設置專用的擴頻基站，投資成本較高。

本文利用鐵路沿線通信光纜中的一芯作為傳感光纜，提出了一種分布式光纖微振動傳感[13-15]技術，在光纖中注入強相干激光，分析背向瑞利散射回光的特性，從而實現列車種類的識別和位置實時跟蹤。與其他傳感技術相比，該技術具有抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、靈敏度高等特點，并且傳感原件為光纜本身，平均監測成本大幅降低，可以實現大范圍監測。

1 系統結構

分布式光纖振動傳感技術是根據光纖中背向瑞利散射光的干涉效應來判斷光纖是否發生振動，并對振動的位置進行精確定位[16]。分布式光纖微振動傳感結構如圖1所示：連續窄線寬激光器輸出的連續光波經聲光調制器調制轉換成脈沖光，再通過摻鉺光纖放大器進行功率放大，經環形器注入到傳感光纖中。脈沖光在沿光纖正向傳播過程中，由于光纖中不均勻的介質分布，會產生背向瑞利散射光。散射光沿傳感光纖經環形器進入再次放大，經光電探測器轉化成電信號，產生的電壓信號由聲光調制器同步觸發的數據采集卡進行數據采集，再交由上位機進行信號處理。

相干背向瑞利散射使用窄線寬激光器以實現脈寬范圍內背向瑞利散射光之間干涉效果，光纖某一點發生細微振動，會導致該擾動位置的光纖折射率發生變化，光纖折射率的改變進而導致光相位發生變化，相位及折射率發生變化會產生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光電探測器轉化。對前后時刻瑞利信號曲線進行差值運算，差分曲線上干涉光強信號發生變化的位置，對應擾動發生的位置。

考慮在t時刻光纖上空間相干的A和B兩點，背向瑞利散射光信號ES A和ES B分別為其背向散射光振幅，參考雙光束干涉理論，IAB數學表達形式為

式中：Δφ為 兩束光的相位差；IA為A點的光強；IB為B點的光強。

在無任何干擾的情況下，A、B兩點經過干涉后的光強是保持不變的。假設在A、B兩點之間有一點C，該點發生擾動，C點到光脈沖發射端的距離記為LC，擾動發生于脈沖到達前，擾動作用在光纖上的長度記為 ΔLC，擾動對C點的折射率產生調制，則A/B兩點散射光相位差為

式中：τIC為光脈沖到達擾動點C的時間；τIB為光脈沖到達擾動點B的時間；τBC為B點散射的光到達擾動點C的時間。

擾動會使得光纖中的光折射率發生變化，從而致使兩點相位差成為時間函數，A、B兩點干涉后光強也會跟隨時間的變化而變化，通過前后脈沖的瑞利信號時間差分圖就可以對擾動的位置進行精確的定位。

2 實驗室測試

2.1 光源測試

本文使用的系統采用了NKT 公司的E15 光纖激光器，計算光纖中激光的最小相干長度，根據該公司給出的技術指標，該激光器的理論線寬小于100 Hz。

式中：Δf為激光器發射的激光理論線寬最大值，取100 Hz；c為光在光纖中的速度，取 2×108m/s。

單次脈沖放大的最大探測長度在實際的現場應用當中不超過40 km，遠遠小于計算出來的激光的最小相干長度，因此該激光器滿足列車實時監測的需求。

2.2 PZT 振動測試

基于圖1 的分布式光纖微振動傳感結構探測的頻率在0～100 Hz 之間，分別取分布式光纖微振動傳感結構在10 Hz、50 Hz 和100 Hz 這3 個頻率下壓電陶瓷的響應能力，如圖2所示，由圖可知只有在低頻率段才會出現微弱的噪聲。

圖2 10 Hz、50 Hz 和100 Hz 條件下PZT 振動頻率響應圖Fig.2 Frequency response diagram of PZT vibration at 10 Hz,50 Hz and 100 Hz

2.3 系統測試

實驗室使用窄線寬激光器，激光器中心波長為1 550 nm、功率為20 mW、線寬100 Hz；光纖放大器的增益均為15 dB；數據采集卡采用簡儀科技PCle-9802DC，數據采集卡和聲光調制器采用同一發生器進行調制，脈寬設置為100 ns，數據采集卡采樣頻率設置為250 MSa/s，可實現0.4 m 的空間分辨率，布置傳感光纖的總長度為800 m，采用單模光纖，纖芯光折射率為1.48，采樣點2 000 個，每一次采樣的間隔是重復頻率，每次采集的數據量不變，第500 采樣點為傳感光纖200 m 處，圖3(a)的傳感光纖處于靜止無擾動狀態；圖3(b)為光纖在采樣點500 處給予穩定的手機振動，振動間隔為0.5 s，共采集6 次作RMS 數據圖，對比靜止情況下和振動情況下的圖可以清晰看出系統在振動后電壓發生明顯變化，在穩定狀態下各個采樣點的電壓基本保持在0.01 V 上下波動，在200 m 處振動情況下及其附近采樣點的電壓發生明顯的波動，最大電壓為0.2 V，信噪比在30 dB～40 dB 之間。

圖3 傳感光纖在靜止狀態下和第500 監測點穩定振動RMS 數據圖Fig.3 Stable vibration RMS data of sensing fiber at static state and the 500 th monitoring point

3 現場測試及討論

3.1 現場布置

測試段光纜全長23 km，為埋地加橋架形式鋪設。分布式光纖微振動傳感系統放置于首站通信機房內。測試點為距離首站4.5 km 的位置，附近沒有大型施工場地，光纜監測零點選擇為通信機房。圖4 為列車信號振動監測系統。系統通過尾纖與車軌旁鋪設光纜連接，以接收從光纜傳來的光信號。當列車經過測試點時，2 節車廂連接處碰撞產生振動信號，該信號以機械波形式通過鐵軌傳入大地再傳到通訊光纜上，使光纖發生細微振動，產生背向瑞利散射光，瑞利散射光由光電探測器接收，最后數據采集卡采集光強信號交由上位機處理。通過對處理得到的能量譜圖進行分析，確定該信號的頻率、強度等因素，對車速和位置等進行判斷。

圖4 列車振動信號監測系統Fig.4 Train vibration signal monitoring system

3.2 列車類型識別

途經客貨車輛分為2 類，客運列車和貨運列車，2 類列車經過時震感都比較明顯，其中，貨車震感最強，其次是客車。圖5 展示了距離首站4.5 km處的一輛16 節的客車經過時分布式光纖聲波振動系統采集到的列車振動信號和經過差分處理后的信號波形圖。

圖5 客車經過的原始信號圖和差分信號圖Fig.5 Diagram of original signal and differential signal of passing train

經過差分處理后，從圖中可以看出客車的車廂振動信息。由于每節車廂有2 個轉向架，每個轉向架在碰撞鐵軌連接處會形成一定的振動。列車振動通過鐵軌傳遞到光纜上需要經過土壤等傳輸介質，導致采集得到的振動波信噪比降低，但不影響對車廂數的識別計算。圖5 中周期性的包絡信號代表車廂和鐵軌的碰撞，通過計算包絡的個數可以得出這列客車的車廂總數是16 節，和拍攝列車經過的視頻計算的車廂數一致，進一步分析了分布式光纖微振動系統采集到的這列客車產生振動信號的頻譜分布情況。數據顯示，客車車廂長度大約為25 m，16 節車廂總長度約為400 m。

從圖6 可以看出列車振動的影響范圍遠大于400 m 的車廂總長。這是由于列車本身以一定速度行駛，產生的振動波通過土壤會傳遞到更遠的區域，與振動的影響區域和列車速度、車重都有關系。對于客車來講，發現整個列車產生的振動波頻率集中在低頻段，多數集中在小于50 Hz 的頻率區間。在列車位置中心點附近，有一些相對高的頻段出現，可延伸到250 Hz，這些頻率的產生可能和輪軌之間的碰撞產生的高頻分量有關。隨著振動波向更遠的地方傳播，高頻信息逐漸衰減。同理，圖7 展示了分布式光纖微振動系統采集到的一列貨運列車的時域信號。由于貨運車載物后的質量大于客車，圖中可看出振動信號的強度普遍高于客車?？蛙囌駝訌姸燃杏?5 dB～45 dB 中。

圖6 客車經過的頻譜空間瀑布圖Fig.6 Frequency spectrum space waterfall of passing train

圖7 貨車經過的原始信號圖和差分信號圖Fig.7 Diagram of original signal and differential signal of passing freight train

影響振動強度因素有車速、土壤性質、光纖距鐵路中心線距離和車載重等。隨著光纖距列車距離越大，地面垂向振動加速度越??；在振動傳播的途徑上，土壤性質也對振動傳播有很大影響，一般來說硬土比軟土的振動加速度峰值小得多；另外列車的車速越快，所產生的振動越大，車速變化對靠近振源處地面振動影響較大；車載重越大,產生的振動也越大。以上特征可以作為判斷客車、貨車和機車的主要特征。

從圖8 中可以看出，客運列車從5 590 m 行駛到5 695 m 時，運動方向是開出車站的方向，速度逐漸增加?？瓦\列車隨著車速的增加，逐漸出現較高的頻率。系統采樣頻率是300 Hz，在5 590 m處，振動主頻集中在1 Hz～2 Hz,有25 dB 的動態范圍。當列車到達5 695 m 處，30 Hz 內的頻率能量有了明顯的增強，可以推斷隨著列車的提速，車廂和軌道間撞擊產生的振動加快，該振動能量通過軌道傳遞給土壤被傳感光纜接收。

圖8 客運列車在5 590 m（灰）和5 695 m（黑）處的振動時域信號和對應的頻譜波形Fig.8 Vibration time-domain signals and corresponding frequency spectrum waveform of trains at 5 590 m and 5 695 m

由圖9 可以看出，在分布式光纖微振動傳感系統同一空間分辨率內，假定列車的速度基本保持不變，振動信號頻率分布基本一致。主振頻率在1 Hz～2 Hz,對應相應的車廂周期性撞擊鐵軌產生的振動。通過上述論述，可以看出不同種類的列車由于長度不同，導致作用的振動區間長度不同；同時，不同類型列車車軸數不同，造成在時域波形上包絡數不同。以上2 個特征可以作為判斷客車、貨車和機車的主要特征。

圖9 列車在同一空間分辨率內的兩點5 590 m（黑）和5 588 m（灰）處的振動時域信號和對應的頻譜波形圖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 列車定位

通過分布式光纖微振動傳感系統可以實現對列車行駛軌跡的實時監測。圖10 表現出距離控制中心站4.5 km 處，有16 節客車經過時，振動明顯。從圖中可以看出，客車產生的振動覆蓋范圍約450 m，根據鐵路局提供的貨車信息，每節車廂長度為25 m，加上機車的長度20 m，客車的總長度約為420 m，覆蓋的振動區間略大于車輛的總長度。這是由于列車在運動過程中，引起的振動區域大于列車本身的長度，振動波通過土壤傳播到傳感光纜上被檢測。

圖10 貨車經過的時域瀑布圖，時域瀑布圖Fig.10 Diagram of time-domain waterfall and frequencydomain waterfall of passing freight train

圖11 為分布式光纖微振動傳感系統采集到機車（列車頭）通過距離控制室2 760 m～3 100 m 的軌跡。

圖11 機車時域瀑布圖Fig.11 Time-domain waterfall diagram of locomotive

從圖11 可以看出，在這段區間內，計算得到機車的平均速度9 m/s，行駛方向為從西開往東。對比機車和貨車的情況可以看出，機車引起的振動范圍較小，大致為25 m，作用長度比機車本身的長度20 m 稍長一些。在有些點位上振動較強，另一些點位則振動較弱，因為振動具有傳播性，因此在列車行進過程中，列車所產生的振動范圍是要略大于列車的長度的。

4 結論

本文提出的分布式光纖振動的鐵路預警系統是利用基于通信光纖中背向瑞利散射光波干涉效應，探測列車振動引起的光波相位變化。利用鐵路沿線敷設的通信光纜作為傳感器，可實現列車類型的識別，能夠區分客車、貨車及電力機車。同時，實現了對列車車速和車輛位置信息進行連續實時監控。作為軌道信號系統的一種有效補充手段，分布式光纖微振動鐵路預警系統實現了25 km運行區段內列車運行軌跡的實時跟蹤。該系統對列車位置的定位誤差在±10 m。該技術本質安全，長距離監測成本低，時效性好，有望配合現有軌道信號系統，實現列車位置的實時跟蹤，對于提高列車移動閉塞系統效率具有積極意義。