CN110045390A - 一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法，涉及铁路安全预警技术领域。本发明包括：其一，采集车辆信号，根据铁路上布置的通信电缆设置光纤激光雷达传感***，通过***采集车辆信号；其二，建立初始基础***；其三，识别是否有车辆；再识别车辆是货车还是客车；光纤激光雷达传感***，包括超窄线宽激光器、AOM声光调制器、EDFA掺铒光纤放大器、移频器、光环路器和相干解调模块。本发明通过火车识别方法，以及光纤激光雷达传感***的作用，实现对列车位置和速度的实时监测，具有有效的保障了铁路通信***安全的优点。
Description
技术领域
本发明属于铁路安全预警技术领域，特别是涉及一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法。
背景技术
随着经济的发展，铁路运输已经取得了长足的进步，通信在铁路运输中的地位愈发凸显。科技的进步使得铁路通信早已不是问题，然而铁路通信网光纤本身却存在着传输安全的问题。光纤传感技术凭借一系列的优点和多参数监测的功能，在铁路行业监测领域已被广泛应用。因此，对于铁路沿线光缆本身安全问题的研究亦具有重要意义。
国内现有的与本发明的火车车辆信息识别方法和***比较相近的专利文件有：其中，第一份专利名称为“车厢间隙计数法识别铁路客车货车的装置”，申请号为CN02117867.4，2004年9月1日授权，公告号CN1164449C。车厢间隙计数法识别铁路客车货车的装置，其特征在于：它用两个车轮无源磁传感器确定要统计的车厢总长度，用装于它们之间的光电传感器来动态地检测车厢间的间隙数，对于客车而言除了机车和第一节车厢间的间隙为首个脉冲外，由于客车是连通的，检测光线不能通过，再无间隙脉冲输出；货车车厢间有约半米的间隙，因而在上述两个磁传感器确定的车厢总长度内，测得的间隙脉冲大于或等于预先设定的间隙数阈值时可识别出货车，反之则为客车，而计数的起始与终止则由上述两个磁传感器发出的车轮到达信号确定。
其中，第二份专利名称为“车轮间距法识别铁路客货车的方法及其***”，申请号为CN02117863.1，2004年5月26日授权，公告号CN 1151045C。车轮间距法识别铁路客车货车的方法及其***，其特征在于：它根据客车一组车轮的间距要大于货车一组车轮的间距的道理，利用沿着火车入境方向，在检测面一侧的任一铁轨上，依次设置的两个安装中心距等于一组货车车轮中心距的车轮间距识别用磁传感器，用于屏蔽机车且发出开始识别信号的机车屏蔽磁传感器，用于测定机车到达且发出终止识别、读取识别结果的“到达”磁传感器共四个传感器来判断：若两个车轮间距识别用磁传感器在同一时刻各自收到一个车轮到达的脉冲，则可判定为货车，否则便为客车。
其中，第三份专利名称为“火车车辆信息自动识别方法和***”，申请号为CN200710304376.1，2011年3月23日授权，公告号CN101468651B。火车车辆信息自动识别方法和***，其特征在于：主要是通过安装在铁路线上的车轮传感器测量行驶经过它们的火车的速度和轴距信息，然后对获取的速度和轴距信息数据进行实时分析处理，提供驶过的一列车辆的多种信息
在铁路实际运行过程中，也易受到天气等环境条件影响，摄像头无法对车辆信息进行准确识别，因此需要一种能够在雨雪、大雾等恶劣天气环境下，正常工作的***可靠工作，维护铁路整体的安全运行。基于光纤激光雷达的分布式光纤传感器，利用铁路沿线的光缆对列车振动信息进行实时采集，同时可以对监测区间的列车位置进行实时定位，不受天气条件的影响，具有较高的可靠性。
在实际生产生活中，准确的识别车辆具有实质性的意义，准确的识别铁路车辆可以保证列车运行安全，有效提高铁路运输效率，降低运输成本，大大改善行车人员的劳动条件；因此可以达到高效率的组织指挥列车运行，保证行车安全，提高运输效率，传递行车信息，改善行车人员劳动条件，以及取得最大化的经济效益等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法，通过火车识别方法，以及光纤激光雷达传感***的作用，实现对列车位置和速度的实时监测，通过光纤瑞利散射和相位解调原理实现轨道附近第三方施工事件的检测，解决了铁路通信存在安全隐患的问题，有效的降低了存在施工过程中造成的铁路光缆中断的可能性，有效保障了铁路通信***的安全。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法，包括：
其一，采集车辆信号；
根据铁路上布置的通信电缆设置光纤激光雷达传感***，通过分布式振动传感器采集车辆信号；
其二，建立初始基础***；
先给定一个正弦信号，然后对该正弦信号每T0s做FFT或功率谱变换，给其加循环，得到动态输出波形；得出输出波形的峰值A0(peak)和横纵坐标(宽度N0)，设置阈值(AN>A0)及宽度(N2<N0<N1)；
该步骤的作用是，实验室为了测试做的标准信号仿真，在真实情况可以直接输入火车信号(火车信号为一个窄带信号叠加一些正弦波)；
其三，识别是否有车辆；
将采集的车辆信号转换成正弦信号输入到基础***中；代替初始基础***的正弦信号得出输出波形的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I；
将上述的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I与初始设置的阈值进行比较判断是否有车辆。
进一步地，所述比较判断是否有车辆的方法包括：
首先设置合适的阈值(该阈值大于外界干扰的噪声的阈值)及宽度来判断该信号中是否含有峰值AN(peak)；
若AN>I0；
则有火车通过；
若AN<I0
则无火车通过；
其中，I0为除去外界干扰后判断是否有火车的参数；参数I0代表在特定频率段内FFT信号的峰值阈值，超过该阈值认定有车辆通过，低于则认为没有。
进一步地，所述火车识别方法还包括识别车辆是货车还是客车；
首先设置合适的阈值及宽度来判断该信号中是否含有峰值(peak)，以及峰值(peak)数量I；
若I>I1；
则说明通过车辆为货车；
若I<I1
则说明通过车辆为客车；
其中，I1为区别货车还是客车的参数；参数I1是区分客车和货车的一个参量；实际是一个计数值，可以理解成计数时间长短，因为货车持续时间较长，在做FFT后对应的peak出现的次数也越多。
进一步地，所述光纤激光雷达传感***，包括超窄线宽激光器、AOM声光调制器、EDFA掺铒光纤放大器、移频器、光环路器和相干解调模块；
所述相干解调模块采用双平衡探测器对信号光和激光器本振光进行差分探测，通过高速数据采集卡实现对振动信号的解调；
其中，连续所述窄线宽激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光；
其中，所述脉冲光通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大，经环形器注入到传感光纤中，且产生散射光；
其中，所述散射光沿传感光纤逆向传播经环形器由平衡光电探测器(BPD)接收，并由采集卡采集光强信号，再交由上位机处理；
所述光纤激光雷达传感***采用外差检测方式，将探测信号调制到高频兆赫兹波段进行检测，提高了***的抗干扰性能，通过外差进行相干探测，可使检测灵敏度可达-100dB；
所述光纤激光雷达传感***的工作原理是：
Φ-OTDR的外差相干探测***主要由以下几个部分组成，NLL(Narrow LinewidthLaser)：超窄线宽激光器；AOM(Acousto-Optical Modulator)：声光调制器；EDFA(ErbiumEndorsed Fiber Amplifier)：掺铒光纤放大器；PG(Pulse Generator)：脉冲信号发生器；PC：处理器；DAQ(Data Acquisition Card)：数据采集卡；BPD(Balanced Photodetector)：平衡光电探测器；
整个信号传输过程如下描述：由窄线宽激光器发出高相干的窄线宽激光，通过分束器分成两束，分别作为本振光，和信号光，信号光进入受脉冲发生器调制的声光调制器，通过声光效应产生窄脉冲光束，然后进入掺铒光纤放大器，进行光脉冲放大，提高光脉冲的能量，接着通过环形器，耦合进入传感光纤，光脉冲在光纤传输过程中产生的后向瑞利散射光信号沿光纤传输回来，经过环形器之后，信号光和本振光通过2×2耦合器进行相干，然后送入平衡光电探测器进行光电转换，产生的电压信号由与声光调制器同步触发的数据采集卡进行数据采集，然后送入处理器进行数据处理和分析；
通过上面的描述可以发现，外差相干探测引入了本振光，并采用了平衡探测的方法。这种方法的优点是利用本振光相干放大的作用，提高了微弱信号的探测能力，从而增加了分布式光纤传感的单次放大的最大距离；
光纤激光雷达传感***使用超窄线宽激光器以实现脉宽范围内后向瑞利散射光之间干涉效果，当沿光纤线路上某处受到外界入侵干扰时，对应位置处的光纤折射率就会发生变化，进而导致该位置处光相位发生变化；由于干涉效果相位的变化又会引起后向瑞利散射光强发生变化，本振光和经过光纤背向散射回来的信号光干涉，经探测器光电转化，放大处理；将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，则对应扰动发生的位置。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过火车识别方法，以及光纤激光雷达传感***的作用，使得铁路轨道沿线通信光缆实现对列车位置和速度的实时监测，具有精度高，结构简单，成本低，操作方便；并且可在40公里长度上连续实时监测火车振动信息，并对车辆种类进行判断。
2、本发明通过铁路轨道沿线通信光缆具有兼顾传感和传输的双重功能，以及通过光纤激光雷达传感***定位原理实现列车的位置锁定，定位精度可达100米。
3、本发明通过铁路轨道沿线通信光缆具有兼顾传感和传输的双重功能，以及通过光纤瑞利散射和相位解调原理实现轨道附近第三方施工事件的检测，对施工事件定位精度可达100米。(不限于第三方施工，人为及野生动物入侵)
4、本发明可以实现货车、客车的识别；通过功率谱密度、自相关的方式提取不同车辆的特征，通过本发明描述算法方法实现货车、客车的区分。
5、本发明的光纤激光雷达传感***不带电，具有可适用于铁路环境的强电磁辐射环境中的优点。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法的流程图；
图2为光纤激光雷达传感***的***框图；
图3为23公里埋地单模光纤的瑞利散射原始信号图；
图4为客车经过的时域瀑布图；
图5为货车经过的时域瀑布图；
图6为货运列车经过时光纤的振动信号中的原始信号图；
图7为货运列车经过时光纤的振动信号中的时域差分信号图；
图8为货运列车经过时光纤的振动信号；
图9为FFT图；
图10为货车通过时的时域信号和短时傅里叶分析谱；
图11为外差探测***框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2和图11所示，本发明为一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法，包括：
其一，采集车辆信号；
根据铁路上布置的通信电缆设置光纤激光雷达传感***，通过分布式振动传感器采集车辆信号；
其二，建立初始基础***；
先给定一个正弦信号，然后对该正弦信号每T0s做FFT或功率谱变换，给其加循环，得到动态输出波形；得出输出波形的峰值A0(peak)和横纵坐标(宽度N0)，设置阈值(AN>A0)及宽度(N2<N0<N1)；
其三，识别是否有车辆；
将采集的车辆信号转换成正弦信号输入到基础***中；代替初始基础***的正弦信号得出输出波形的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I；
将上述的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I与初始设置的阈值进行比较判断是否有车辆。
优选地，比较判断是否有车辆的方法包括：
首先设置合适的阈值(该阈值大于外界干扰的噪声的阈值)及宽度来判断该信号中是否含有峰值AN(peak)；
若AN>I0；
则有火车通过；
若AN<I0
则无火车通过；
其中，I0为除去外界干扰后判断是否有火车的参数；参数I0代表在特定频率段内FFT信号的峰值阈值，超过该阈值认定有车辆通过，低于则认为没有；例如，I0可以是图9中比噪声大一些的值，比如100。
优选地，火车识别方法还包括识别车辆是货车还是客车；
首先设置合适的阈值及宽度来判断该信号中是否含有峰值(peak)，以及峰值(peak)数量I；
若I>I1；
则说明通过车辆为货车；
若I<I1
则说明通过车辆为客车；
其中，I1为区别货车还是客车的参数；参数I1是区分客车和货车的一个参量；实际是一个计数值，可以理解成计数时间长短，因为货车持续时间较长，在做FFT后对应的peak出现的次数也越多；参数I1一般的数值为20。
优选地，光纤激光雷达传感***，包括超窄线宽激光器、AOM声光调制器、EDFA掺铒光纤放大器、移频器、光环路器和相干解调模块；
相干解调模块采用双平衡探测器对信号光和激光器本振光进行差分探测，通过高速数据采集卡实现对振动信号的解调；
其中，连续窄线宽激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光；
其中，脉冲光通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大，经环形器注入到传感光纤中，且产生散射光；
其中，散射光沿传感光纤逆向传播经环形器由平衡光电探测器(BPD)接收，并由采集卡采集光强信号，再交由上位机处理；
光纤激光雷达传感***采用外差检测方式，将探测信号调制到高频兆赫兹波段进行检测，提高了***的抗干扰性能，通过外差进行相干探测，可使检测灵敏度可达-100dB；
光纤激光雷达传感***的工作原理是：
所述光纤激光雷达传感***的工作原理是：
Φ-OTDR的外差相干探测***主要由以下几个部分组成，NLL(Narrow LinewidthLaser)：超窄线宽激光器；AOM(Acousto-Optical Modulator)：声光调制器；EDFA(ErbiumEndorsed Fiber Amplifier)：掺铒光纤放大器；PG(Pulse Generator)：脉冲信号发生器；PC：处理器；DAQ(Data Acquisition Card)：数据采集卡；BPD(Balanced Photodetector)：平衡光电探测器；
整个信号传输过程如下描述：由窄线宽激光器发出高相干的窄线宽激光，通过分束器分成两束，分别作为本振光，和信号光，信号光进入受脉冲发生器调制的声光调制器，通过声光效应产生窄脉冲光束，然后进入掺铒光纤放大器，进行光脉冲放大，提高光脉冲的能量，接着通过环形器，耦合进入传感光纤，光脉冲在光纤传输过程中产生的后向瑞利散射光信号沿光纤传输回来，经过环形器之后，信号光和本振光通过2×2耦合器进行相干，然后送入平衡光电探测器进行光电转换，产生的电压信号由与声光调制器同步触发的数据采集卡进行数据采集，然后送入处理器进行数据处理和分析；
通过上面的描述可以发现，外差相干探测引入了本振光，并采用了平衡探测的方法。这种方法的优点是利用本振光相干放大的作用，提高了微弱信号的探测能力，从而增加了分布式光纤传感的单次放大的最大距离；
光纤激光雷达传感***使用超窄线宽激光器以实现脉宽范围内后向瑞利散射光之间干涉效果，当沿光纤线路上某处受到外界入侵干扰时，对应位置处的光纤折射率就会发生变化，进而导致该位置处光相位发生变化；由于干涉效果相位的变化又会引起后向瑞利散射光强发生变化，本振光和经过光纤背向散射回来的信号光干涉，经探测器光电转化，放大处理；将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，则对应扰动发生的位置。
其中如图3所示，监测距离为两个火车(淮南西站与淮南潘集站)之间区域，光缆全长23公里。测试点为距离首站4.5公里处。附近没有大型施工场地，数据采集持续时间为两小时；采集地点途径一个下穿公路，光缆铺设于桥上。
其中如图4所示，可以看出在首站大约6.5公里处有火车信号，通过如图5放大可以看出火车的运行轨迹；通过轨迹的斜率可以计算出车速。
其中如图6-8所示，为货运列车经过时光纤的振动信号，如图6为原始信号，如图7为时域差分信号；信号呈周期性分段，周期长度约为1s；考虑火车速度约为15m/s，54km/h，对应长度为15米，与一般货运火车车厢长度相当；故此周期应该是由车厢之间的连接震动引起的。
其中如图9所示，由FFT可知，该公里处火车信号功率幅值约在2Hz处达到最高，约为710，背景噪声幅值约为2，所以信噪比SNR＝10lg(710/2)≈24.84dB。
其中如图10所示，通过图片可以获得货车车厢节数信息，以及车厢大致的长度。
当挖掘机信号检测时，其中如图11所示，为光纤激光雷达预警***采集到的1500米长度的光缆沿线大地振动信号随时间变化的连续瀑布图；可以看到在距离***起始端250米处，有连续较强振动信号，为挖掘机作业事件。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法，其特征在于，包括：
其一，采集车辆信号；
根据铁路上布置的通信电缆设置光纤激光雷达传感***，通过光纤激光雷达传感***采集车辆信号；
其二，建立初始基础***；
先给定一个正弦信号，然后对该正弦信号每T0s做FFT或功率谱变换，给其加循环，得到动态输出波形；得出输出波形的峰值A0(peak)和横纵坐标(宽度N0)，设置阈值(AN>A0)及宽度(N2<N0<N1)；
其三，识别是否有车辆；
将采集的车辆信号转换成正弦信号输入到基础***中；代替初始基础***的正弦信号得出输出波形的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I；
将上述的峰值AN(peak)和横纵坐标Nn(宽度)，峰值(peak)数量I与初始设置的阈值进行比较判断是否有车辆。
2.如权利要求1所述的火车识别方法，其特征在于，所述比较判断是否有车辆的方法包括：
首先设置合适的阈值(该阈值大于外界干扰的噪声的阈值)及宽度来判断该信号中是否含有峰值AN(peak)；
若AN>I0；
则有火车通过；
若AN<I0
则无火车通过；
其中，I0为除去外界干扰后判断是否有火车的参数，参数I0代表在特定频率段内FFT信号的峰值阈值。
3.如权利要求1所述的火车识别方法，其特征在于，还包括识别车辆是货车还是客车；
首先设置合适的阈值及宽度来判断该信号中是否含有峰值(peak)，以及峰值(peak)数量I；
若I>I1；
则说明通过车辆为货车；
若I<I1
则说明通过车辆为客车；
其中，I1为区别货车还是客车的参数。
4.如权利要求1所述的火车识别方法，其特征在于，所述光纤激光雷达传感***，包括超窄线宽激光器、AOM声光调制器、EDFA掺铒光纤放大器、移频器、光环路器和相干解调模块；
所述相干解调模块采用双平衡探测器对信号光和激光器本振光进行差分探测，通过高速数据采集卡实现对振动信号的解调；
其中，连续所述窄线宽激光器输出的连续光波经声光调制器(AOM)调制转换成脉冲光；
其中，所述脉冲光通过掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大，经环形器注入到传感光纤中，且产生散射光；
其中，所述散射光沿传感光纤逆向传播经环形器由平衡光电探测器(BPD)接收，并由采集卡采集光强信号，再交由上位机处理。
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| CN201910433754.9A CN110045390A (zh) | 2019-05-23 | 2019-05-23 | 一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法 |
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| CN201910433754.9A Withdrawn CN110045390A (zh) | 2019-05-23 | 2019-05-23 | 一种基于能量谱分解的光纤激光雷达火车识别方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113076838A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-06 | 中国铁路北京局集团有限公司北京科学技术研究所 | 铁路集装箱场站箱号编组顺序识别方法、***、设备及存储介质 |
| CN118172938A (zh) * | 2024-05-14 | 2024-06-11 | 山东大学 | 基于分布式光纤与激光雷达的车辆轨迹全程追踪方法 |
-
2019
- 2019-05-23 CN CN201910433754.9A patent/CN110045390A/zh not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113076838A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-06 | 中国铁路北京局集团有限公司北京科学技术研究所 | 铁路集装箱场站箱号编组顺序识别方法、***、设备及存储介质 |
| CN118172938A (zh) * | 2024-05-14 | 2024-06-11 | 山东大学 | 基于分布式光纤与激光雷达的车辆轨迹全程追踪方法 |
| CN118172938B (zh) * | 2024-05-14 | 2024-07-23 | 山东大学 | 基于分布式光纤与激光雷达的车辆轨迹全程追踪方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190723 |