一种监测高铁声屏障中h钢卡槽松动的方法
【专利摘要】本发明公开了一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，将光纤敷设在高铁声屏障上，将激光脉冲信号注入光纤，在光纤中产生瑞利后向散射光信号；将瑞利后向散射光信号与本振光信号进行拍频后经光电转换输出电信号，将该电信号转换为数字信号；当高铁声屏障中H钢卡槽未发生松动，将数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位；当火车经过高铁声屏障时，将数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位；获得相位差值，当相位差超过预先设定的报警阈值时，高铁声屏障中H钢卡槽松动则进行报警。可实时监测高铁声屏障中H钢卡槽松动。
【专利说明】一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及分布式光纤传感【技术领域】，特别是一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法。
【背景技术】
[0002]从1997年我国第一次列车提速以来，我国相继修建、开通了京津城际客运专列、京沪城际客运专列、京广城际客运专列，设计时速也从200公里逐步提升到350公里。中国已经建成世界上建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路网。到2020年，通过新建的高速铁路、客运专列以及对已有铁路实施全面的提升改造，初步形成总规模约1.6万千米的“四横四纵”的快速铁路客运网络，列车最高速度将达到350Km/h。形成连接川渝地区、江汉平原和长三角的沿江大能力快速通道。长三角、珠三角、环渤海京津冀，以及其他城镇密集地区，城际轨道交通骨干架基本形成。
[0003]随着列车运营速度、轴重、路网密度和行车密度的提高，加剧了铁路运输对环境的污染。现代铁路运输对环境的污染主要表现为铁路噪声，为此在通过人口密集区，高铁两侧要建立声屏障来阻隔噪声的传播。当高速列车通过声屏障时，由于巨大的脉动气压力的产生，引起声屏障剧烈的动力响应，甚至导致声屏障H钢卡槽松动。2003年德国科隆至法兰克福段的高铁声屏障结构就在列车脉动风压力的作用下全线破坏，直接造成三千万欧元的经济损失。目前检测H钢卡槽松动的方法主要等待高铁停止运营的晚间，依靠人工检查，这不仅效率低下而且可靠性得不到保障。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是为克服现有技术的不足而提供一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，通过检测H钢卡槽中铝板振动的最大幅值对应的相位差值是否超过预先设定的报警相位差阈值，能够实时监测高铁声屏障中H钢卡槽是否松动，可实现自动报警且成本低。
[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0006]根据本发明提出的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一、将光纤敷设在高铁声屏障上，采用光源模块发出直流光，该直流光经过预处理后产生窄线宽的激光脉冲信号，该激光脉冲信号注入光纤，在光纤中产生瑞利后向散射光信号；
[0008]步骤二、将瑞利后向散射光信号与本振光信号进行拍频后经光电转换输出电信号，将该电信号转换为数字信号；
[0009]步骤三、当高铁声屏障中H钢卡槽未发生松动，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位约(O;
[0010]步骤四、当火车经过高铁声屏障时，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位Ψι (f );
[0011]步骤五、根据φ，_{?)-φ、{--φ (t)，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位差Δρ⑴；
[0012]步骤六、当步骤五中的相位差Δρ⑴超过预先设定的报警阈值时，高铁声屏障中H钢卡槽则发生松动，则进行报警。
[0013]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述步骤六中预先设定的报警阈值是通过以下步骤计算获得；
[0014]Α、对高铁声屏障中的铝板施加压力，直至铝板达到脱离H钢卡槽的最大距离d，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位φ:Μ、;
[0015]B、根据ρ3(0?々)= Δρ (O，获得报警阈值Δρ (?)。
[0016]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述步骤一中窄线宽的激光脉冲信号的波长为1550nm。
[0017]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述步骤一中的预处理包括脉冲调制、脉冲放大、滤波。
[0018]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述脉冲调制是由声光调制器进行调制的。
[0019]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述脉冲放大是由恒功率的掺铒光纤放大器进行放大的。
[0020]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述步骤三中获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位奶⑴，具体如下:
[0021]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I1和正交信号Q1,根据
^(0 = arcian(^) + 2l<^, L = c X t/2，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞
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利后向散射光信号的标准相位约(O;其中，Δω为直流光经过光脉冲调制模块引入的频移量，t为时间变量，k为常数，L为光纤分布位置，c为光速。
[0022]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，所述步骤四中获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位识2(0，具体如下:
[0023]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I2和正交信号Q2,根据
p2(i) = arcum(￥) + 2k/r，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射
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光信号的相位外⑴。
[0024]作为本发明的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法的进一步优化的方案，获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位灼(O，具体如下:
[0025]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I3和正交信号Q3,根据朽(i) = arcum(￥) + 2k;r，测量n次取平均值，获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分
I'
布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位於⑴，η为大于等于2的整数。
[0026]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本发明利用弹光效应检测获得瑞利后向散射光信号相位差判断是否发生干涉，从而判断H钢卡槽是否松动，为高铁声屏障提供安全保障，成本低；本发明也可以作为声屏障交付时，检测声屏障是否合格的一种方法；以及长期运营时，实时检测H钢安全便于及时修理，为高铁安全运行提供重要保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明装置的示意图。
[0028]图2是闻铁声屏障结构俯视图。
[0029]附图标记:1_Η钢，2_招板,3-Η钢卡槽。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0031]一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，包括以下步骤:
[0032]步骤一、将光纤敷设在高铁声屏障上，采用光源模块发出直流光，该直流光经过预处理后产生窄线宽的激光脉冲信号，该激光脉冲信号注入光纤，在光纤中产生瑞利后向散射光信号；
[0033]步骤二、将瑞利后向散射光信号与本振光信号进行拍频后经光电转换输出电信号，将该电信号转换为数字信号；
[0034]步骤三、当高铁声屏障中H钢卡槽未发生松动，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位仍具体如下:
[0035]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I1和正交信号Q1,根据
φ^?) = arclan^-^=-) + 2 k ^、L = c X t/2,犾得闻铁声屏障上沿光纤分布的每一位直对应的瑞
Ii
利后向散射光信号的标准相位肩(O;其中，为直流光经过光脉冲调制模块引入的频移量，t为时间变量，k为常数，L为光纤分布位置，c为光速。
[0036]步骤四、当火车经过高铁声屏障时，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位A(乃；具体如下:
[0037]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I2和正交信号Q2,根据
ψτ(0~ arctan(^~) + 2k;r，获得闻铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射
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光信号的相位於(O。
[0038]步骤五、根据的⑴-奶⑴=Δρ (7)，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位差△炉⑴；
[0039]步骤六、当步骤五中的相位差Δρ (O超过预先设定的报警阈值时，高铁声屏障中H钢卡槽则发生松动，则进行报警。
[0040]所述步骤六中预先设定的报警阈值为H钢卡槽松动所导致铝板2发生振动的最大振动幅值对应的相位与火车未通过的相位的差值。对于按照国家标准生产的声屏障，通过力学实验可以获得H钢卡槽能够承受的铝板2最大振动幅值。在该最大振动幅值条件下可以进一步通过后向瑞利后向散射光信号得到其所对应的相位差。力学实验具体如下，先测量未发生振动的瑞利后向散射光信号的相位作为本底相位，再对声屏障中招板2上施加压力，直至铝板2达到脱离H钢卡槽的最大距离d，通过多次测量得到该最大距离d对应的相位值，两者相位差即为报警阈值。
[0041]所述步骤六中预先设定的报警阈值是通过以下步骤计算获得；
[0042]A、对高铁声屏障中的铝板施加压力，直至铝板达到脱离H钢卡槽的最大距离d，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位外⑴；具体如下:
[0043]将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I3和正交信号Q3,根据
ΨΜ) = arctan(^) + 2k;r,测量η次取平均值，获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位奶(O，η为大于等于2的整数。
[0044]B、根据沾⑴-妁⑴=(O，获得报警阈值Δρ' (O。
[0045]所述步骤一中窄线宽的激光脉冲信号的波长为1550nm。所述步骤一中的预处理包括脉冲调制、脉冲放大、滤波。所述脉冲调制是由声光调制器进行调制的。所述脉冲放大是由恒功率的掺铒光纤放大器进行放大的。
[0046]如图1所示，本发明的示意图。装置包括光源模块、第一耦合器、光脉冲调制模块、光脉冲放大模块、光滤波模块、环形器、光纤、第二耦合器、光探测模块、数据采集模块和信号处理模块。光脉冲调制模块为声光调制器调，光脉冲放大模块为恒功率的掺铒光纤放大器，光探测模块为双平衡探测器。光源模块为激光功率可调、发射波长为1550nm的窄线宽激光器，激光器发出连续光经第一耦合器分成第一路连续光和第二路连续光，第一路连续光经声光调制器将光源模块发射的直流光调制成一定脉冲宽度的激光脉冲信号，恒功率的掺铒光纤放大器用于进行功率放大，使探测光信号符合长距离探测要求，光滤波模块用于将光源模块、光脉冲调制模块和光脉冲放大模块所产生的ASE等噪声进行滤波后的光信号经环形器注入被测光纤。第二路连续光入射至第二耦合器输出为本振光信号，第二耦合器为3dB耦合器；瑞利后向散射光信号与本振光信号拍频后由光探测模块转换成电信号后输出，该电信号由数据采集模块接收存储；电信号经信号处理模块，利用正交解调方法获得瑞利后向散射光信号的相位。
[0047]若发生瑞利散射光干涉，瑞利后向散射光信号可表示为:
[0048]EK(t)exp{j[(coL+A ω)?+Φκ(?)]}；
[0049]其中EK(t)为与时间相关的干涉振幅，Φκα)为与时间相关的干涉相位，为本振光频率，Λ ω为通过光脉冲调制模块中的声光调制器引入的频移量。
[0050]本振光信号可表示为:
[0051]El (t) exp {j [ ω Lt+ Φ L (t) ]}；
[0052]其中Elj(t)为与时间相关的本振光信号振幅，Odt)为与时间相关的本振光信号相位；
[0053]双平衡探测器接收到的电流信号可以表示为:
[0054]
lit) = k EjiEj cos[Δ^ + φ{?)\ ；
[0055]其中k为常数系数，P⑴为
[0056]
沪⑴= Φ,(0 —ΦΛ,⑴；
[0057]将所得电信号分成两路电信号，利用正交解调方法获得瑞利后向散射光信号的相位，这两路电信号分别乘以角频率为Λω的正弦信号、余弦信号后得到同相信号I和正交信号Q，所得结果为:
[0058]
\l = k EnEl CO?,φ(?)
\θ = k EkΕ, sin φ(?)
[0059]瑞利后向散射光信号的相位为，可由以下公式得到:
[0060]
φ(!) = arctan(y-) + 2 k 疋；
[0061]相位差值正比于H钢卡槽中铝板2振动的最大幅值，当H钢卡槽中铝板2振动的最大幅值对应的相位差值超过预先设定的报警相位差阈值时则高铁声屏障中H钢卡槽发生松动，进行报警操作。
[0062]如图2所示，是高铁声屏障结构俯视图。高铁声屏障包括H钢1、铝板2，H钢卡槽3，当火车通过H钢卡槽3松动的高铁声屏障时，高铁声屏障中铝板2在H钢I之间发生振动，敷设在铝板2上的光纤也随着发生同频率和同幅度振动，可以获得铝板2振动过程中最大振幅时瑞利后向散射光信号的相位。该振动处最大振动幅值对应的相位与原始H钢卡槽3未发生松动测得的标准瑞利后向散射光信号的相位差值越大，则表明该振动处的最大振动幅值越大。该相位差与最大振动幅值两个参数的关系为正比。
[0063]在建立好的声屏障系统进行安全监测时，可以利用一辆火车按照设计时速上限通过带有声屏障的铁路沿线，对沿线产生巨大的脉动气流，利用以上步骤方法，监测敷设在声屏障上的光纤中的瑞利后向散射光信号的相位差值是否达到阈值来判断H钢卡槽3是否发生松动，从而确保施工是否达到安全标准。
[0064]在长期运营时，可以代替目前常用的检测方法，利用晚间高铁停运期间，通过工人逐个检测H钢卡槽3螺丝是否松动。而利用以上步骤可以实现高铁声屏障全天候实时检测，一旦发生H钢卡槽3可以精准定位，大大减少人力，保障高铁安全运行。
[0065]本发明提出的目的是利用弹光效应，当高铁声屏障中H钢I发生松动，火车通过时，巨大的脉动气压力会使声屏障钢板发生振动，敷设在高铁声屏障相应位置的光纤的折射率将发生变化。通过平衡探测器接收到的曲线是交流信号，通过数据采集卡(DAQ)将交流信号转换为数字信号送入计算机中进行处理，通过对相位变化判定是否发生干涉，将瑞利信号的相位变化值，与所设定的报警阈值比较，当所比较的值超过报警阈值，进行报警操作，从而达到监测H钢卡槽3是否松动的目的。通过相干探测和数字解调方法比直接探测方法速度更快，精度更高。这种方法可以作为声屏障交付时，检测H钢卡槽是否合格的一种手段。以及长期运营时，实时检测H钢安全及时修理，为高铁安全运行提供保障的重要手段。
【权利要求】
1.一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、将光纤敷设在高铁声屏障上，采用光源模块发出直流光，该直流光经过预处理后产生窄线宽的激光脉冲信号，该激光脉冲信号注入光纤，在光纤中产生瑞利后向散射光信号; 步骤二、将瑞利后向散射光信号与本振光信号进行拍频后经光电转换输出电信号，将该电信号转换为数字信号； 步骤三、当高铁声屏障中H钢卡槽未发生松动，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位奶(,)； 步骤四、当火车经过高铁声屏障时，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位於⑴； 步骤五、根据於⑴-仍⑴=Δρ⑴，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位差Δρ (O ; 步骤六、当步骤五中的相位差Δρ⑴超过预先设定的报警阈值时，高铁声屏障中H钢卡槽则发生松动，则进行报警。
2.根据权利要求1所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述步骤六中预先设定的报警阈值是通过以下步骤计算获得； Α、对高铁声屏障中的铝板施加压力，直至铝板达到脱离H钢卡槽的最大距离d，将步骤二所得的数字信号采用正交解调方法获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位Ψ'Μ、' B、根据灼(0-?MO = Δρ (O，获得报警阈值Δρ (t)。
3.根据权利要求1所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述步骤一中窄线宽的激光脉冲信号的波长为1550nm。
4.根据权利要求1所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述步骤一中的预处理包括脉冲调制、脉冲放大、滤波。
5.根据权利要求4所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述脉冲调制是由声光调制器进行调制的。
6.根据权利要求4所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述脉冲放大是由恒功率的掺铒光纤放大器进行放大的。
7.根据权利要求1所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述步骤三中获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的标准相位奶⑴，具体如下: 将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I1和正交信号Q1,根据^(0-arctan(^) + 2k,T、L = cX t/2，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞
11利后向散射光信号的标准相位约(O;其中，为直流光经过光脉冲调制模块引入的频移量，t为时间变量，k为常数，L为光纤分布位置，c为光速。
8.根据权利要求1所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，所述步骤四中获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位灼⑴，具体如下: 将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I2和正交信号Q2,根据约⑴=arc t a η (‘) + 2 k ，获得高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射
/ 'I光信号的相位的(O。
9.根据权利要求2所述的一种监测高铁声屏障中H钢卡槽松动的方法，其特征在于，获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位扒⑴，具体如下: 将步骤二所得数字信号经处理分成两路数字信号，这两路数字信号分别乘以正弦信号sin Δ ω t、余弦信号cos Δ ω t后得到同相信号I3和正交信号Q3,根据^(/)-arclan(^) + 2l^则量η次取平均值，获得该最大距离d下高铁声屏障上沿光纤分布的每一位置对应的瑞利后向散射光信号的相位巧(0，η为大于等于2的整数。
【文档编号】B61L13/00GK104210512SQ201410476769
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】李密, 张旭苹, 陈章, 宋跃江, 陈海生, 路元刚, 焦文祥 申请人:南京大学