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高精度列车定位测速系统如图 1所示。由可调谐脉冲扫频光源、现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)、掺铒光放大器(erbium doped fiber application amplifier,EDFA)、光电探测器(avalanche photon diode,APD)、高速数据采集、环形器等组成。激光光源发出的扫频光脉冲经SOA脉冲调制后转变为满足系统时分要求的窄脉冲光,经过EDFA被1级放大经过环形器传输至FBG弱光栅阵列。光栅阵列将反射与阵列中光栅中心波长匹配的入射光,基于OTDR不同光栅在物理位置上的不同,其反射光回到光电转换模块的时间也会不同。最后把光谱反射数据传输到FPGA进行数据处理,结果通过网口传输到上位机显示,实现对列车速度和位置的实时监测。
将传感光纤布置在列车运行轨道的上表面,按0.5 m间隔交叉分布着中心波长为λ1(1540 nm)和λ2(1538 nm)两种光纤布喇格光栅,每个光栅均紧密包覆一个微型双极性磁铁,构成磁性感应光栅阵列,在对传感光纤进行封装时,将光栅包覆的微型磁珠全部设置为同极性朝上进行封装。在列车车头的下端安装一个特殊设计的磁铁模组,该磁铁模组是由25个径向充磁的宽度为2 cm的磁铁单元交替放置制作而成。
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为弥补波分复用受到的光源带宽限制,将时分与波分结合,根据波长信息对光栅的初步区分后,再利用光纤光栅阵列中不同位置同波长的光栅在时间域返回信号采集单元的时间顺序来进行区分[19]。典型的波分/时分复用原理如图 2所示。图中,ζ表示相邻弱光栅信号返回的时间差。以复用两个不同波长的光栅为例,共计n组。
本系统中,将弱光栅阵列以传感单元加入分布式传感系统,具有FBG的自身特点以外,还结合了非线性向后散射传感中的光时域信号反射技术,在利用波长调制特性实现精确传感测量的同时,也根据OTDR技术原理实现精确定位,以光源的脉冲光作为参考,综合时间域和波长域两部分信息完成解调。
由1.1节中的系统介绍可知,调制后的光源信号经过EDFA放大后进入弱光栅阵列,当发出的光脉冲到达栅区且波长属于光栅反射谱范围时就会发生后向弱反射,反射信号经过光电转换之后送入采集卡进行采集,剩余的光脉冲信号则会继续前进直到下一个该波长附近的光栅,循环此过程。可调谐脉冲光源的光脉冲产生和发出都是由光源内部的精密电路控制,其波长值相对精确,且其远比光栅的光谱要窄,因此,可以根据返回的不同强度的探测信号结合光源的扫描情况推导出中心波长,如图 3所示。
图 3 a—光源时域信号 b—光脉冲扫描频域示意图 c—反射信号时域图
Figure 3. a—light source time domain signal b—optical pulse scanning frequency domain diagram c—reflected signal time domain diagram
另一方面,不同位置的光栅的在通过对应波长的光脉冲后其返回的光谱信息有时间上的先后顺序,根据OTDR原理,这种时间上的延迟就能够反映出各个光栅的位置信息。系统中经过SOA调制后的光脉冲信号进入到后续的传感阵列,随着光源脉冲波长的逐渐增加,匹配到对应光栅反射回来特定波长的光信号,此光程所需时间τi与光栅距离入射点的位置Li的关系式为[20]:
$ \tau_i=2 n_{\mathrm{e}} L_i / c $
(1) 式中,ne为光纤的有效折射率,c为光在真空中传播的速度。
在实际应用中,调制之后的光脉冲信号具有一定的宽度,即该波长的光信号在光路中存在的时间,只有保证光脉冲信号在光纤链路上相邻两个光栅之间传输所需的时间大于这个值,相邻两个光栅反射回来的光谱信号到达APD的时间才能有先后顺序进而得以区分。否则将会产生信号串扰,造成信号解调出错等问题,所以在系统设计中相邻两光栅之间的间距必须满足光脉冲信号往返传输所需的时间大于光脉冲信号的宽度这一条件,如图 4所示,使相同波长在不同位置的光栅反射信号能在时间轴上区分出来,解调出对应的波长。
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经过系统解调后将不同位置的光栅峰值信息分区管理,根据不同位置光栅返回的光谱信息依次按照实际物理位置输出光栅布喇格光栅波长序列,如表 1所示。
表 1 波长信息序列
Table 1. Wavelength information sequence
FBG number physical location/m center wavelength/nm 1 L λ1-1 2 L+0.5 λ2-1 3 L+1 λ1-2 4 L+1.5 λ2-2 5 L+2 λ1-3 6 L+2.5 λ2-3 7 L+3 λ1-3 当列车刚开始经过某个栅区时,在下方磁铁阵列的作用下,相应位置的光栅波长会开始发生变化,由于光栅的绝对位置是固定的,根据光栅的分区定位结果可以判断列车行驶到哪个光栅的位置,实现初步的大区间定位。之后在磁铁阵列驶过栅区的过程中,光栅上粘附的微型磁珠会受到磁铁阵列不断吸引和排斥的交叉作用。以复用两个不同波长的光栅为例,光栅波长呈现如图 5所示的波长变大变小的规律性变化,每个波峰和波谷即代表驶过了磁铁阵列中的一个2 cm磁铁单元,以此实现高精度定位。磁铁阵列的长度和相邻光栅的间距相等,当磁铁阵列完全经过当前光栅后会马上作用于下一个光栅,保证同一时刻内只有一个光栅受到作用的同时持续监测列车状态。假设经过第i个光栅时,已知其绝对物理位置为Li, 根据实时监测中心波长λi的变化情况,出现一次完整波峰波谷时将列车实时位置加2 cm,第n次出现波峰波谷时列车行驶距离L=Li+0.02n;列车行驶到下一个光栅位置时以该光栅的绝对物理位置开始计算,消除了累计误差的可能性。同时,由小区间时均差Δt′和相邻波峰波谷间的时间差Δt,可计算出每个小区间的瞬时速度v′=0.02/Δt′和列车驶过这个区间的平均速度v=0.5/Δt。
基于光栅阵列的列车高精度定位测速方法研究
Research on high-precision positioning and speed measurement method of train based on grating array
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摘要: 现有轨道交通定位和测速方法易受到外界环境干扰, 具有不稳定性。为了解决这些难题, 结合光纤光栅绝缘、抗干扰能力强、耐腐蚀等特性, 提出了一种基于弱光栅阵列的结合波分和光时域反射仪技术的高精度列车测速定位系统方案, 通过密集型复用方式实现光栅点的绝对定位需求, 并设计了根据不同光栅分区定位结果及其波长漂移规律来计算实时速度和位置的数据处理方法。为验证系统性能, 搭建了模拟运行环境, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方案能实现厘米级的定位精度和1 km/h的测速精度。该研究在轨道交通方面具有广泛的应用前景。Abstract: The existing rail transit location and speed measurement method is easy to be interfered by the external environment and has instability. In order to solve these problems, based on the fiber grating with the characteristics of insulation, strong anti-interference, and corrosion resistance, a high precision train speed measurement and location system based on weak grating array combined with wave division and optical time-domain reflectometer (OTDR) technology was proposed. The absolute location requirement of grating points was realized by intensive multiplexing, and a data processing method was designed to calculate real-time speed and position according to the location results of different grating partitions and their wavelength drift rules. In order to verify the performance of the system, a simulated operating environment was built. And theoretical analysis and experimental verification were carried out. Experimental results show that centimeter-level positioning accuracy and 1 km/h speed measurement accuracy can be achieved with the proposed scheme, which has a wide application prospect in rail transit.
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表 1 波长信息序列
Table 1. Wavelength information sequence
FBG number physical location/m center wavelength/nm 1 L λ1-1 2 L+0.5 λ2-1 3 L+1 λ1-2 4 L+1.5 λ2-2 5 L+2 λ1-3 6 L+2.5 λ2-3 7 L+3 λ1-3 -
[1] 张世聪. 适用于磁浮列车的测速定位方法研究综述[J]. 铁道标准设计, 2018, 62(10): 186-191. ZHANG Sh C. Research review of speed measurement and positioning method suitable for maglev trains[J]. Railway Standard Design, 2018, 62(10): 186-191(in Chinese). [2] 张梦乡. 中低速磁浮列车运行控制系统研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2019: 24-56. ZHANG M X. Research on the operation control system of medium and low speed maglevtrains[D]. Chengdu: South West Jiaotong University, 2019: 24-56(in Chinese). [3] 桂鑫, 李政颖, 王洪海, 等. 基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述[J]. 应用科学学报, 2021, 39(5): 747-776. doi: 10.3969/j.issn.0255-8297.2021.05.004 GUI X, LI Zh Y, WANG H H, et al. Review of distributed sensing technology and application based on large scale grating array fiber[J]. Journal of Applied Science, 2021, 39(5): 747-776 (in Chin-ese). doi: 10.3969/j.issn.0255-8297.2021.05.004 [4] LIU H L, ZHU Zh W, ZHENG Y, et al. Experimental study on an FBG strain sensor[J]. Optical Fiber Technology, 2018, 40: 144-151. doi: 10.1016/j.yofte.2017.09.003 [5] ZHANG D P, LONG Zh Q, XUE S, et al. Optimal design of the absolute positioning sensor for a high speed maglev train and research on its fault diagnosis[J]. Sensors, 2012, 12(12): 10621-10638. [6] 罗桂斌. 高速磁浮定位测速系统信号处理技术研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2017: 47-106. LUO G B. Research on signal processing technology of high-speed maglev positioning and speed measurement system[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2017: 47-106(in Chin-ese). [7] 朱东飞, 王永皎, 杨烨, 等. 基于光栅阵列的城市轨道列车定位与测速方法[J]. 光子学报, 2019, 48(11): 1148014. ZHU D F, WANG Y J, YANG Y, et al. Location and speed measurement method of urban rail train based on grating array[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(11): 1148014(in Chinese). [8] 王高, 张梅菊, 黄漫国, 等. 基于正交光纤光栅阵列的负载感知系统研究[J]. 激光技术, 2021, 45(2): 143-146. WANG G, ZHANG M J, HUANG M G, et al. Research on load sensing system based on orthogonal fiber Bragg grating array[J]. Laser Technology, 2021, 45(2): 143-146 (in Chinese). [9] LOUPOS K, AMDITIS A. Structural health monitoring fiber optic sensors[M]. New York, USA: Springer, 2017: 32-45. [10] FILOGRANO M L, GUILLEN P C, RODRIGUEZBARRIOS A, et al. Real-time monitoring of railway traffic using fiber Bragg grating sensors[J]. IEEE Sensors Journal, 2012, 12(1): 85-92. doi: 10.1109/JSEN.2011.2135848 [11] 武启福. 列车光纤光栅监测系统应用研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2015: 13-78. WU Q F. Application research of train fiber Bragg grating monitoring system[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2015: 13-78(in Chinese). [12] 齐先胜, 任志国, 刘峻亦, 等. 激光除锈技术对高速列车集电环性能影响研究[J]. 激光技术, 2019, 43(2): 168-173. QI X Sh, REN Zh G, LIU J Y, et al. Research on the influence of laser rust removal technology on the performance of collector rings of high-speed trains[J]. Laser Technology, 2019, 43(2): 168-173(in Chinese). [13] 杨岗, 王梓丞, 易立富, 等. 一种基于OFDR的高速磁浮列车定位系统[J]. 通信与信息技术, 2020(5): 72-85. YANG G, WANG Z Ch, YI L F, et al. A high-speed maglev train positioning system based on OFDR[J]. Communication and Information Technology, 2020(5): 72-85(in Chinese). [14] 董波, 何士雅, 胡曙阳, 等. 基于可调谐激光器的复用传感系统的研究[J]. 激光技术, 2005, 29(6): 608-610. DONG B, HE Sh Y, HU Sh Y, et al. Research on multiplexed sensing system based on tunable laser[J]. Laser Technology, 2005, 29(6): 608-610(in Chinese). [15] LIU F, TONG X L, ZHANG C, et al. Multi-peak detection algorithm based on the Hilbert transform for optical FBG sensing[J]. Optical Fiber Technology, 2018, 45: 47-52. [16] 王梦樱, 盛荔, 陶音, 等. 激光器线宽对φ-OTDR系统性能影响的研究[J]. 激光技术, 2016, 40(4): 615-618. WANG M Y, SHENG L, KONG Y, et al. Research on the effect of laser linewidth on the performance of φ-OTDR system[J]. Laser Technology, 2016, 40(4): 615-618(in Chinese). [17] KOUROUSSIS G, KINET D, MOEYAERT, et al. Railway structure monitoring solutions using fibre Bragg grating sensors[J]. International Journal of Rail Transportation, 2016, 4(3): 135-150. [18] HE Zh X, ZHANG Zh Y, LI L, et al. A novel fiber Bragg grating vibration sensor with double equal-strength cantilever beams[J]. Optoelectronics Letters, 2021, 17(6): 321-327. [19] 张燕君, 谢晓鹏, 毕卫红. 基于弱光栅的高速高复用分布式温度传感网络[J]. 中国激光, 2013, 40(4): 0405006. ZHANG Y J, XIE X P, BI W H. High-speed and high-multiplexing distributed temperature sensing network based on weak grating[J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(4): 0405006(in Chinese). [20] 王梓. 基于弱反射光纤光栅的准分布式传感系统信息处理技术研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011: 67-145. WANG Z. Research on information processing technology of quasi-distributed sensing system based on weak reflection fiber Bragg grating[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011: 67-145(in Chinese).