微结构光纤分布式传感系统在铁路安全监测中的应用研究

唐建平

中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400700

我国人口数量多、流动大，铁路运输责任重，但部分铁路建成年代久远，因此铁轨易出现内部裂痕、损伤，给铁路交通的安全带来极大的威胁[1-3]。由于铁路建设范围广、里程长，因此，如何采取有效的手段快速检测铁路轨道的损伤点位置及损伤程度，对铁路的检修工作与运行安全具有十分重要的意义[4-5]。

王元清等[6]以大凫线特大铁路桥梁工程为依托，通过桥梁表观损伤检测来鉴定桥梁结构的完整性和技术状况，并基于材料检测和构件测量获得现有桥梁结构的参数。

钟崔正[7]针对长大货物车通过损伤铁路桥梁工况下的损伤检测，以D26G长大货物车安全通过广深三线K67＋484石龙北桥为检测实例，提出通过理论计算与实桥监测相结合的检测对策。

刘瑞等[8]研究设计了一种带有2种检测模式的磁记忆检测系统，并针对不同检测条件，设计了不同的检测方案，分别进行了低速或者静止状态下及高速巡检状态下对铁轨缺陷的检测，得出该系统能够精确检测铁路轨道损伤的结论，具有良好的应用前景。

管京周等[9]介绍了铁质材料（铁轨）因长期超负荷运行导致内部产生裂纹或损伤的检测方法，并进一步设计了基于虚拟仪器的铁轨损伤检测系统，该系统不仅实现了单PC对多条铁轨同时进行损伤检测的技术效果，还获得了良好的检测精度，具有高度可靠性。

徐锡江等[10]基于分布式光纤传感技术，提出其在严寒地区特殊的地理环境条件下，在高速铁路无砟轨道的损伤检测方面的应用前景，并进一步建立了铁路轨道全寿命周期的安全监测系统，为严寒地区铁路轨道系统的长期安全运营提供了技术支撑。

上述研究均存在精度不能适用于长距离铁路轨道损伤检测的问题。本文通过在某铁路试验场展开损伤检测试验，深入研究了微结构光纤分布式传感系统在长距离铁路轨道中的特殊优势，并通过设置无扰动、铁锤敲击对应节点、铁锤敲击相邻节点及火车行驶等多种不同工况下的轨道振动信号检测试验，探讨微结构光纤分布式传感系统在铁道损伤检测中的可靠性。

1 微结构光纤传感系统简介

微结构光纤分布式传感系统使用布拉格光栅阵列作为传感单元，其在不同温度、不同应力及不同振动信号条件下均表现出了良好的检测结果。基于结构模式耦合理论，可以得出式（1）、式（2）：

式中：R——光栅的反射率；

Δλ——光栅的带宽，Δλ=3 dB；

λB——布拉格波长；

L——光栅长度；

k——相机参数；

s ——折减系数；

Δn——反射角；

neff——有效反射角；

P——单次横向传播长度。

由式（1）、式（2）可知，光栅的反射率随着折射率的弱化而逐渐降低，同时随着光栅的长度减小而增大，因此，选择合适的光栅周期和长度对试验结果的精确程度与检测信号的强弱非常重要。此外，3 dB带宽反射率可以小于0.5 nm，探测光线在经过微结构时，只有中心很小一段会发生反射，且反射率很小，因此光的损耗小。综上所述，微结构光纤分布式传感系统具有检测结果精确、检测效果好、能够实现长距离传感的特殊优势，因此在铁路安全监测中具有很强的应用潜力。

2 试验设计

2.1 光纤布置

本次试验在我国某城市铁路试验基地进行，试验铁路段采用带焊缝的标准损伤铁轨，且沿铁轨分布有不同长度、不同类型、不同聚集特点的铁轨损伤形式，以供损伤检测试验结果验证使用。本次试验在近60 m铁轨试验段上轨腰处使用胶带粘贴微结构光纤，以便微结构光纤的回收使用，信号采集频率为8 kHz，光纤布置方式如图1所示。

2.2 试验方案

图1 试验铁轨段光纤布置方式

为探索微结构分布式光纤传感系统在铁路安全检测中的应用，本研究共设计了无扰动、铁锤敲击对应节点、铁锤敲击相邻节点及火车行驶等多种不同工况下的轨道振动信号检测试验。将该技术推广到实际应用中需要面对铁轨常处于运行状态的问题，因此需要考虑火车行驶情况。本试验的主要目的是研究火车行驶条件下铁轨的损伤检测效果，因此将其作为重点试验，将其余试验作为前置试验及对比试验。前置试验通过在铁路试验段铁轨上合理设置微结构光纤分布式传感系统，通过敲击不同地方，能够探测到铁轨损伤节点及损伤情况。重点试验是在该试验段上提供火车行驶的工况，全测试段共设置30个振动信号测试节点。此外，本次试验所用火车荷载为50 t，车身及车头全长15 m，共有4组行驶车轮。

3 铁轨振动信号分析

3.1 前置试验结果分析

本研究前置试验主要包括无干扰、铁锤敲击对应节点及铁锤敲击相邻节点条件下铁轨振动信号测试试验，经过对信号的筛选与处理，得出3种不同工况下铁轨振动信号试验结果，如图2所示。

图2（a）为无干扰条件下铁轨的振动信号图。由图可知：在无敲击及列车行驶条件下，原试验环境及系统底噪带来的信号干扰程度是非常小的，信号干扰强度均小于0.08，而设备条件的最大信号强度是3.14，由此可见影响程度小于5%，因此干扰程度是能够接受的。

图2（b）与图2（c）分别代表了铁锤敲击对应节点及铁锤敲击相邻节点2种工况下铁轨的振动信号试验结果。分析可知，铁轨从锤子的敲击开始剧烈振动，而随着振动波的不断传播，微结构光纤传感系统所收到的振动信号出现类阻尼振动式随时间衰减的变化趋势。进一步对比敲击检测节点处与相邻2 m处所获得的信号可知，由于声波在铁轨中的传播速度较大，因此开始出现振动信号的时间点非常接近。此外，在锤子敲击节点条件下，信号强度的最大值达到2.8，而敲击相邻节点传到检测节点的声信号最大值为1.4，仅达到敲击节点条件下的50%。分析认为，由于铁轨存在一定程度的损伤，声波在铁轨中传播会出现声信号损耗情况，因此，敲击2 m外节点传播到检测节点的信号强度要较敲击节点条件下弱。由此可见，合理设置微结构传感器检测节点，通过敲击不同的部位能够有效检测出铁路铁轨损伤所属区段；此外，基于敲击振动信号强度的差异，能够深入了解到该段铁轨的损伤程度。

图2 3种前置试验铁轨振动信号结果

3.2 火车行驶结果分析

图3为火车行驶条件下26个节点在150 000 s内的振动信号检测结果三维显示图，图中x轴表示不同检测节点，y轴表示时间，z轴表示信号强度。

图3 火车行驶条件下全试验段铁轨振动信号三维显示结果

由图3可知，随着火车在铁轨上逐渐移动，振动波信号亦逐渐移动，且振动信号峰值始终出现在火车行驶达到检测点附近节点，这表明，声波信号在铁轨中的传输是逐渐衰退的，且衰退速度高于声波在完整铁轨传递中的衰减速度，说明声信号存在严重的损耗现象，因此证明各铁轨节段中均存在损伤现象。

进一步依托沿振动信号波峰两侧的衰减现象来分析信号强度的衰减趋势与衰减速率，发现不同节点的衰减速率存在较大的差异。

经过细致观察发现，在节点5、15以及28附近声波信号的衰减速率明显高于平均衰减速率，而节点10和20处衰减速率则较慢。这表明，试验铁轨路段在节点5、15以及28附近存在较严重的损伤点，因此声波损耗率较大；而在节点10和20处则较为完整，损伤较小，因而声波损耗小，衰减速率慢。

4 结语

通过在铁路试验段铁轨上合理设置微结构光纤分布式传感系统，通过敲击不同地方，能够探测到铁轨损伤节点及损伤情况。将其推广到实际应用中，由于铁轨常处于运行状态，因此需要考虑火车行驶情况。在火车行驶条件下，通过分析考虑时间、信号检测节点条件下振动信号的强度及衰减速率数据，能够获得铁轨损伤的时空分布情况，进一步准确判断铁轨不同分段上是否存在损伤及损伤发育程度。

由此可见，微结构光纤分布式传感系统在铁轨损伤检测及安全监测中具有十分良好的应用前景。