基于光纤传感的高速铁路周界安全监测系统研究

发布时间：2020-05-31 15:40

【摘要】：高速铁路周界安全防护是高速列车安全运行的基本保障。高速铁路分布范围广、距离长,气候地理环境复杂多变,构建一套高效智能的安全监测系统,准确判别广域铁路周界的潜在危害行为,具有极其重要的科学研究和工程应用价值。光纤震动传感具有感知距离长、灵敏度高、施工简单等特点,非常切合高速铁路这类线性分布大型基础设施的安全监测需求。然而,为了捕获大范围铁路周界的震动时空信息,满足铁路周界安全监测工程需求,光纤震动传感面临着数据并发量大、入侵震动模式复杂多样、长期稳定运行等技术难题。为此,本文以提高铁路周界安全系统模式识别的快速准确性为目标,从光纤M-Z干涉震动检测原理入手,重点研究广域多路并发震动信号高速采集方法和快速模式识别算法,利用软硬件协同处理,提出了环境自适应的模式识别算法,并在动车组站通过了验证。论文工作包括以下三个方面:(1)提出了一种基于FPGA多路震动数据提取的数据预处理方法。针对入侵震动信号和系统静默信号的特点,利用FPGA实现了震动信号的快速定位提取,并对震动信号进行预处理来提高上位机对入侵模式的识别速率。针对异常状况下数据的可靠传输问题,采用乒乓操作对数据进行处理,解决了入侵数据的高速传输和异常状态下入侵数据的可靠保存。(2)设计了针对震动信号时域、频域的快速特征提取方法。针对不同类型入侵事件的特点和分类器需求,利用短时过零数、FFT变换和EMD实现对震动信号进行分层次的特征提取,得到能完整反映震动事件的特征向量,并且减小了系统的计算量,提高了特征提取效率。(3)研究了一种环境自适应的模式快速分类方法。铁路周界具有样本获取困难、入侵模式多样和环境多变的特点,采用K最近邻均值与SVM相结合的分类算法,实现入侵信号的快速准确分类。对于有效震动,通过对震动信号的特征进行学习和处理来实现环境的自适应。本文研究光纤振动传感系统实现了高速铁路周界入侵震动的快速准确检测与识别,并在佛山动车所进行了现场工程验证,达到了误报率低、模式识别快速准确的安全监测要求。
【图文】：

光路,传感器,相干光,内干涉

光纤的芯径、折射率和光纤长度发生变化，由于不同光纤参数不同，这样就导致逡逑两束相干光的相位发生相对变化，在耦合器２内干涉后光强发生变化，通过光电逡逑转换器检测相干光强得到相位相位差。Ｍ－Ｚ干传感器光路如图２－１所示：逡逑震动逡逑ＶＪＳ＾Ｔ＞－逡逑参考臂逡逑光电转换邋，逦逡逑图２－１邋Ｍ－Ｚ干涉传感器光路逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈ邋ｏｆ邋Ｍ－Ｚ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑７逡逑

传感臂,干涉光,光电传感器,短时

图２－２光电传感器输出信号逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｏｕｔｐｕｔ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｏｆ邋ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑当Ｍ－Ｚ干涉光纤传感臂上发生扰动事件时，相位差函数在短时内发生逡逑剧烈变化，而ＰＤ转化后的电压信号Ｍ（ｔ）与震动引起的相位光强呈线性关系，逡逑那么光纤震动信号的解调可以通过光电转换后的电压信号的频率和幅度解调来实逡逑现。然而一次外部入侵震动引起多次Ｗ（ｔ）函数发生周期和震动幅度的变化，因此逡逑可以利用震动信号的波动频率和幅度来对震动特征进行分类。逡逑２．２铁路周界震动信号分析和模式识别方法逡逑由上面分析可知，光电转换后电信号的波动频率和幅度与光强存在线性关系，逡逑通过对电信号的分析来实现对光信号的解调，，从而实现对入侵震动的检测。针对逡逑铁路周界特殊的应用场景，系统在震动信号特征提取时采用时域和频域相结合的逡逑方式，得到震动信号的震动频率和幅度的特征信息，根据这些信息进行入侵模式逡逑的识别。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;U298

【参考文献】