一种基于Φ-OTDR的列车状态监测方法

本发明涉及分布式光纤振动传感，具体涉及一种基于φ-otdr的列车状态监测方法。

背景技术：

1、随着我国高铁网规模的不断扩大，列车速度的不断提高，轨道交通在现代交通中扮演着越来越重要的角色，其运行状态的安全性需要实时监测。列车脱轨事故、列车追尾事故、轨道上异物入侵等恶性事故，都会造成恶性的后果和巨量的损失。光纤作为一种耐高温、高压，抗电磁干扰材料，在恶劣的环境中仍能保持良好的性能。实时掌握列车准确的行驶位置、行驶方向和速度等信息，从而判断在列车行进途中是否正常行驶、是否遇到突发事件，以便及时进行调度，从而提高列车运行的安全性，对于确保高铁运行安全至关重要。

2、φ-otdr，即相位敏感光时域反射计，是一个功能强大的全分布式光纤传感器，是近年来发展很快的一种检测技术，主要利用光纤中瑞利散射光的相干衰落效应来进行传感，通过向光纤中注入高相干的脉冲光，获得整条光缆周围的扰动信号，具备高灵敏度、高空间分辨率、测量范围广的优点。广泛应用于管道监测，流水线监测，列车速度监测等领域。

3、目前，我国铁路干线中，铺设了大量的通信光纤，已经基本形成了依靠光纤为传输媒介的通信网络。利用高铁轨道沿线铺设的既有通信光纤，而不依托于专门铺设传感光纤，能够节约大量购置传感光纤的成本，便于施工，这就是使得φ-otdr在列车监测上的应用越来越广泛。但由于光纤与钢轨之间保持着一定的距离以及实际应用中的复杂环境的影响，振动耦合到光纤上的效率较低，为信号的采集和处理增加了极大的挑战。为解决上述现有技术中存在的问题，本领域技术人员做出了诸多尝试，如中国专利申请2016111166160提出了一种基于相位敏感光时域反射计的列车行驶轨迹检测方法，通过对紧邻的两个不同时刻的信号进行差值计算，并采用阈值和基于小波变换的低通滤波处理，对处理后的差值信号进行幅值特征提取，根据幅值特征来区分有用信号和外界干扰信号，最后根据识别出的有用信号来确定列车当前位置、速度和行驶方向等信息。该方法虽然能够确定列车的位置、速度和行驶方向的信息，但对于信号的解调效率较低，使得信息的传递效率较低，从而使得实时监测效率较低。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于φ-otdr的列车状态监测方法，通过信号解调模块对采集的信号进行数字域解调，通过滑动累加移动差分模块对解调后的数据进行处理，提高了整个系统对列车状态的实时监测效率。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于φ-otdr的列车状态监测方法，包括：

3、步骤s1：搭建列车状态监测系统，监测系统包括φ-otdr分布式光纤传感光路、采集模块、fpga电路和主机；fpga电路包括信号解调模块、滑动累加移动差分模块和数据交互模块；

4、步骤s2：利用φ-otdr分布式光纤传感光路形成散射光信号，并将光信号转化为电信号输入至采集模块中；

5、步骤s3：利用采集模块将电信号转化为数字信号，并输入至信号解调模块进行数字域解调；

6、步骤s4：信号解调模块对数字信号进行数字域解调后，得到铁轨沿线振动数据；

7、步骤s5：利用滑动累加移动差分模块对铁轨沿线振动数据进行滑动累加移动差分处理，并将处理后的最终数据存入数据交互模块中；

8、步骤s6：数据交互模块与主机进行数据交互；主机基于最终数据对铁路沿线振动情况进行分析以监测列车运行状态。

9、进一步的，φ-otdr分布式光纤传感光路包括依次连接的激光器、声光调制器、掺铒放大器和平衡探测器；其中，激光器与声关调制器之间、掺铒放大器和平衡探测器之间均设有光耦合器；掺铒放大器与通信光缆相连接。

10、进一步的，步骤s2中，利用φ-otdr分布式光纤传感光路形成散射光信号的具体方法为：

11、步骤s2-1：利用声光调制器的驱动，发射预定重复频率的pwm波，将激光器发射的连续激光调制成脉冲光；

12、步骤s2-2：脉冲光经掺铒放大器放大后输入至通信光缆中，并返回瑞利散射光信号；

13、步骤s2-3：利用平衡探测器接收散射光信号，将散射光信号转换成电信号，并输入至采集模块中。

14、进一步的，信号解调模块包括下变频单元、低通滤波器和运算单元；下变频单元、低通滤波器和运算单元依次连接。

15、进一步的，步骤s4中，信号解调模块对数字信号进行数字域解调的具体方法为：

16、步骤s4-1：下变频单元将数字信号分别与两路正交信号进行混频，得到和频与差频；

17、步骤s4-2：将两路混频信号经过低通滤波器，得到两路低频成分；其中一路为i，另一路为q；

18、步骤s4-3：利用运算单元对两路混频分别做自相乘，并将二者相加后开平方，得到解调后数据，即铁轨沿线振动数据。

19、进一步的，滑动累加移动差分模块包括随机存取存储器ram、差分控制单元、多个差分累加单元和多个同步fifo存储器；多个差分累加单元与多个fifo存储器各相对应连接形成多个差分部；ram、差分控制单元和差分部依次连接。

20、进一步的，步骤s5中，滑动累加移动差分模块对铁轨沿线振动数据进行滑动累加移动差分处理的具体方法为：

21、步骤s5-1：将解调后的每一条数据依次存入ram中，且在将第二条数据存入时将第一条存入的数据取出并与第二条数据做差分，同时将第二条数据存入ram中，并将两条数据的差分结果存入至第一个fifo存储器中；

22、步骤s5-2：基于步骤s5-1，将第三条数据与第二条数据的差分结果存入第二个fifo存储器中，同时将第一个fifo存储器中的差分结果与第二个fifo存储器中差分结果相加，存入第三个fifo存储器中；

23、步骤s5-3：在第四条数据到来时，用第四条数据更新ram的值，同时得到第四条与原第三条的差分结果，并将结果存入第一个fifo存储器的同时分别与第二个fifo存储器和第三个fifo存储器中的值相加，结果分别存入第三个fifo存储器和第四个fifo存储器中；

24、步骤s5-4：基于步骤s5-3处理后续存入ram的多条数据，得到相邻的多条数据的差分和结果，并将差分和输入数据交互模块。

25、进一步的，数据交互模块包括fdma控制器、xdma控制器和ddr存储器；fdma控制器用于对ddr存储器进行读写和搬运；差分和经过fdma控制器存入ddr存储器中，用于对多个相邻的多条数据的差分和进行累加，得到最终数据以反应铁路沿线的振动情况；xdma控制器用于将最终数据与主机进行交互。

26、进一步的，主机分析最终数据，通过瀑布图来渲染铁路沿线的振动情况，并通过判断振动点随距离的变化判断列车的行驶方向，通过速度检测算法判断当前数据条是否有振动，若有则记录振动和当前时间，根据v＝s/t，计算得到光纤沿线振动点实时的移动速度，即列车的行驶速度。

27、本发明所述的技术方案取得有益效果为：

28、1.通过信号解调模块和滑动累加移动差分模块对采集信号进行数据处理，采用数字域解调处理、差分累加算法以及告诉采集接口来完成整个系统的数据处理，实时的完成了数字域上的解调以及数据上的处理，大大的减轻了cpu的运算负担，并提高了整个系统对于信号解调的效率，从而提高了信息的传递效率，增强了对列车状态实时监测的效率。

29、2.通过高速传输接口将滑动累加移动差分模块与数据交互模块连接，并通过高速传输接口将数据交互模块与主机连接，保证了数据的传输速度，从而进一步保证了整个系统的信息传递效率，增加了对列车状态信息的实时反馈效率。

30、3.在数据交互模块中，通过fdma控制器和xdma控制器控制数据的交互过程，使得主机能够自发的从ddr地址空间中读取数据，并通过渲染瀑布图的方式对数据进行展示，直观反映了列车状态的实时变化情况，通过速度检测算法判断列车的实时运行速度，进一步增强了对列车状态实时监测的效率。

31、4.将φ-otdr检测振动事件应用到铁路上监测列车的位置及速度，通过φ-otdr分布式光纤传感光路向通信光缆中发射脉冲光，从而得到返回的瑞利散射光信号，仅需通过现有的通信光缆即可得到原始信号，使得安装方便，使用便捷，且以散射光信号作为原始信号，抗干扰能力强。