基于光纤传感的铁路监测算法研究

徐高魁，王晓艳

（1.昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学，云南 昆明 650224）

随着我国铁路轨道交通的健康发展，铁路行车里程逐渐逐年增加，铁路对世界的安全生产问题也变得很重要。为了有效保证城市铁路轨道运行的畅通和通行人员的安全，铁轨旁通常会设铺栅栏网对其进行安全隔离，但由于人员私自进行攀爬，进入铁路轨道而由此造成的交通惨案还时有发生。因此，对攀爬铁路车站周边环境情况进行深度监测并及时对工作人员的异常攀爬铁路行为情况做出准确识别和应急处理尤为重要。现有的新型分布式无线光纤铁轨振动强度传感器产品具有振动灵敏度高、抗电磁微波干扰能力强、耐化学腐蚀等几大特点，可以在公路铁路周围的复杂振动环境中进行准确工作。在测量信号范围控制方面，分布式高速光纤铁轨振动状态传感器系统可以将其看作由无数个相对分立的振动传感控制单元连接构成，每个单元承担监测环境的任务并且还作为信号的传输通道，可以连续地测量，进而更好地反映铁轨周围的情况。

本文将传感器技术应用于轨道交通监控系统中。分布式高速光纤振动传感器可以实现对振动信号的连续、实时测量，对振动信号进行监测和识别。通过对振动信号的分析，可以判断铁路周围有无侵入行为。在有入侵行为发生的情况下，可以实时给出入侵行为的位置。区分入侵行为有两个关键问题。一方面，光纤铺设条件复杂，存在外界干扰，如列车运行的干扰和自然环境因素等。因此，采集获取的振动信号干扰较多，给后续的信号分析带来困难；另一方面，单一特征不容易识别，因此，有必要找到适当的联合特征识别。

1 系统设计

分布式小型光纤发射探测器和定位仪的主要工作原理如下：第一主要激光源发射采用小型窄线宽发射激光器，输出1550nm激光波段的连续单频发射激光。主要激光源的传感输出主要可以分为两路，即本地传感输出支路和本地传感光输出支路。主要由激光器支路输出的连续光经过耦合器，一部分直接进入激光传感器的支路，另一部分直接进入本地连续光传感支路。进入声光传感器和支路的连续光被通过声光信号调制器自动调制为高频脉冲式声光，脉冲的声波宽度及脉冲频率与系统的各种指标性能要求密切相关。整个系统如图1所示。

图1 铁路监测系统原理框图

在带有传感器的光纤中需要打入传感光纤的脉冲，光纤的脉冲散射会在传感光纤上的各个点之间发生快速散射。散射光原理中的瑞利激光散射比直接散射在激光中其他光的散射光强更强，所以在激光监测技术应用方面较容易实现。目前，大部分新型分布式通用光纤环境质量传感器可以利用瑞利散射光对光纤环境质量进行振动监测。当瑞利一束散射光再次返回时，接收端系统会自动记录具体发射时间并且自动保存该中间时刻的激光振动状态信息。

2 信号预处理

光纤传感器信号是受外部环境影响的非稳定时变信号。因为光信号的传播速度远快于外部环境的变化，因此，平滑过程处理方法和理论可以通过使用光纤传感信号作为短期平稳信号来引入光纤传感信号的处理。本文将光纤传感器信号分为多个短时间信号段，称为信号帧，并对信号进行帧处理。该帧可以是连续的或重叠的。将窗函数W(n)与原始信号S(n)相乘，加窗得到帧信号，得到如式（1）所示的帧信号。

本文在分析选择窗设计函数时，根据所需要分析到的光纤载波振动发射信号的各种特性，对现有矩形窗、三角窗、汉宁窗和海明窗这4种常用的窗设计函数类型进行综合筛选。其中，矩形窗的应用主瓣比较集中，频率信号识别器的精度最高，但是，光纤旁瓣较高时会导致对射频信号幅值的精确估计能力较差，影响对整个光纤射频发射信号发射能量的精确计算；三角窗虽然降低了旁瓣，但是，其主瓣窗的宽度仍然是矩形窗的两倍，频率差和分辨率差，在进行分析无线光纤载波振动发射信号的余波频带分布时容易因此产生畸变；汉宁窗和海明窗都同样属于余波正弦窗，只是采用加权频率系数不同，余弦窗在精确处理信号主瓣和旁瓣信号大小时较均衡，既有效减少了部分频谱信号泄露，保证了频谱信号频率幅值的处理准确度，又能有一定的提高频率信号分辨率和能力。

由于海明窗的射频旁瓣更小，所以我们考虑到了减少其在频谱上的泄露，从而大大增强对不同光纤射频振动响应信号射频幅值的数学估计计算精度，本文通过选取海明窗射频进行加窗口的处理，海明窗的射频数学幅值表达式定义如式（2）所示。

式中，n为每个采样点的序号，N为每个采样点的总个数。

3 系统调试

受仪器周围环境和其他人为因素的不同影响，采集的音频信号一般都会包含一定的振动噪声。由于高频噪声对于每帧信号的串行分析过程存在很大干扰，因此，在进行分析前，我们需要对每一帧的信号依次进行噪声去噪。小波阈值去噪可以有效去除去噪信号中混有的大或小部分的白噪声，同时，它可以尽量保留原始去噪信号的特征尖峰。目前，小波阈值去噪在数字信号处理去噪技术领域已经得到了广泛应用，在很多应用场景中已经取得了较好的去噪效果。

如图2所示，在小波阈值去噪前，信号波动较大，噪声信息较多。经过小波阈值去噪后，信号的波形更加稳定，通过小波阈值去噪，产生了抑制噪声的效果。结果表明，小波阈值去噪方法对光纤振动信号有较好的去噪效果。

4 结语

本文从工程实用方面出发，利用光纤传感技术完成了铁路振动的监测。对全部采样点归一化处理，使振动有效地被测量。最终，完成了对铁路振动信号的监测，实验对比了存在噪声与降噪后的数据分布，验证了该系统的可行性。