研究与探讨基于光纤技术的铁路沿线崩塌落石监测报警系统研究杨小军：同方威视技术股份有限公司铁路防灾事业部，工程师，北京，100084兰先锋：成都铁路局涪陵工务段，高级工程师，重庆，408000王士杰：成都铁路局洁陵工务段，工程师，重庆，408000刘洪文：成都铁路局涪陵工务段，助理工程师，重庆，408000摘要：基于光纤技术的铁路沿线崩塌落石监测报警系统以光纤光栅传感技术为核心，集光电技术、计算机软件技术、信息处理技术、控制技术和通信技术于一体。介绍其危险源捕捉分系统、信号传输分系统、光纤光栅解调分系统、数据处理分系统、外围分系统功能。针对技术创新点，光纤光栅振动传感器的光纤光栅应变片、拾振结构、保护装置，软件的波长获交通建设大发展的重要制约因素。我国山区铁路面临取、数据处理、报警处理和U川界面模块功能，崩塌落石问题，仅成都铁路局至少有1000km的铁路需以及数据处理模块中的软件核心模块算法进行要对崩塌落石进行监测。因此，开展基于光纤技术的铁阐述和分析。路沿线崩塌落石监测报警系统（简称监测报警系统）研关键词：光纤技术；铁路；崩塌落石；监测报究，以保证山区铁路运营安全。警系统；光纤光栅1监测报警系统1.1概述铁路边坡落石主要发生在多雾、多雨、少人的山岩崩塌落石是我国山区三大自然灾害（滑坡、泥区，设备维护与保养困雄，一般外置的电子传感设备存之一。在岩体裸露、褶曲断裂和风在人为损坏和咨奇隐患。我国电气化铁路27化较严重的陡坡地区经常发生崩塌落石灾害。发生崩塌线路，在铁路限界范围形成一个强高压的电磁场，且钢落石对铁路运输生产、安全管理、运营效率，以及经济轨上有弱电信号。采用电磁传感、视频和红外技术监测效益、社会效益产生巨大影响，已成为我国西部开发和危险落石，存在各自的局限性。因此，针对铁路沿线崩基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2010G018-E-4)。CHINESE RAILWAYS 2012/10-57-研究与探讨基于光纤技术的铁路沿线崩塌落石监测报警系统研究杨小军等塌落石监测，采用以光纤光栅传感技术为核心，集光电2监测报警系统研究技术、计算机软件技术、信息处理技术、控制技术和通信技术于一体的报警系统。2.1架构目前，光纤光栅技术能够在铁路线路环境下保证监测报警系统由危险源捕捉分系统、信号传输分系信号无损传递、接收、解调。光纤光栅技术传递的是光统、光纤光栅解调分系统、数据处理分系统、外围分系信号，在保证光路畅通的前提下，不受外界电磁和温度统组成（见图1）。环境等方面的影响，具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好（工作温度上限外围分解调分系统系统600℃)、复用能力强、传输距离远（传感器至解调端可几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件等优点，分辨Web远程客户端率技术指标是传统电子类传感器的1000倍。光纤光栅技设备术应用扩展性良好，其振动传感器不仅适用于铁路沿线0通信网格应用服务器落石监测，在工程振动测量、地质工程勘探、爆破、地信号传懒分系统震工程、桥梁结构等方面具有良好的应用前景。1978年，加拿大渥太华通信研究中心首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写人法制成世界上第一根光纤光栅。1989年，美国联合技术研究中心实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技图1监测报警系统架构术，使光纤光栅制作技术实现了突破性进展。随着光纤(1)危险源捕捉分系统。主要由光纤光栅振动传光栅制造技术的不断完善，其应用成果日益增多，从光感器、信号传输光路组成，采集钢轨上面的各种振动信纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理领域，因光纤号，并将振动信号转变成光波长变化信号。光栅的实用化而发生革命性变化，光纤光栅是光纤技术(2)信号传输分系统。由光纤光缆组成，将采集领域中继掺铒光纤放大器(EDFA)之后的重大技术突的光波长变化信号传输给采集设备，为数据处理做准破。备。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成。光纤中的光(3)光纤光栅解调分系统。将传感器发来的光波敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强长变化信号转换成电信号，通过TCP/IP网络传给数据处空间分布发生相应变化的特性。在纤芯内形成的空间相理分系统。位光栅，形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射(4)数据处理分系统。由数据库及应用服务器组镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。成，对光纤光栅解调分系统发送的信号进行处理和分这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小、析，经过算法分析后决定是否报警。易与光纤耦合、可与其他光器件兼容、不受环境尘埃影(5)外围分系统。由各种报警器和报警模块组响等一系列优异性能。光纤光栅主要分为Bragg光栅（反成，通过声光信号、手机等设备发出报警信号。射或短周期光栅)和透射光栅（长周期光栅）2类，从2.2技术创新结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上可2.2.1光纤光栅振动传感器分为滤波型光栅和色散补偿型光栅。色散补偿型光栅是经查阅文献及资料考证，我国目前尚没有用于监测非周期光栅（啁啾光栅）。目前，光纤光栅的应用主要崩塌落石的传感器。因此，根据铁路线路监测崩塌落石集中在光纤通信领域和光纤传感器领域，监测报警系统需要，利用先进的光纤光栅传感技术，开发具有独特功中监测崩塌落石的传感器为光纤光栅振动传感器。能和结构的光纤光栅振动传感器，由光纤光栅应变片、-58-CHINESE RAILWAYS 2012/基于光纤技术的铁路沿线崩搦落石监测报警系统研究杨小军等研究与探讨拾振结构及保护装置组成。表1模块主要功能及组成(1)光纤光栅应变片。由长周期光纤光橱结合模块主要功能及组成金属应变片组合而成，利用金属应变片轴向受力等强光纤光耀传感器通过读写函数获取原始数据包，度伸长原理，带动光纤光栅轴向等比变化。当光通过光栅时，金属应变片的伸长缩短，带动光纤光栅的伸长缩短，使反射光的波长发生变化，采用解调仪器解调波长数据处理慎块二次德号提取及报警调值确定等。数据库处理模块主要包的变化量，得出对应的应变变化值。拾振结构将振动量转换成应变量结构，光纤光栅通过测量应变量的大小变化，计算出对应的振动量变化。U界面模块(2)拾振结构。通过试验验证和各种数据对比，数据处理模块中的算法模块是监测报警系统软件设计开发出强度应变放大复合悬臂梁，利用光纤光栅测的核心。光纤光橱振动传感器沿铁路线路布设，当崩塌量其表面在受迫振动情况下波长的应变变化。拾振结构落石落在轨道上时，光纤光楊振动传感器接收到振动信是基于矩形悬臂梁基础开发，采用表面应变放大方式，号，超过设定的阀值，对其接收到的振动信号与相邻光提高光纤光栅应变片检测应变的能力，提高了悬臂梁测纤光栅振动传感器收集到的信号进行判定，超出设定的量振动时的灵敏度。悬臂梁采用等强度结构，保证其上危险园值报警。算法模块综合其他的判别条件，区别列表面等距离的应变变化率均匀，保证测量精度车通过。图3和图4为列车通过和典型前塌落石冲击的数(3)保护装置。由封装结构和安装结构组成，充据波形。布设光纤光栅振动传感器时，设定基站为初始分考虑铁路沿线的恶劣自然环境，并依照铁路线路钢轨位置，报警后能立刻得知崩塌落石发生地距基站距离。标准，目前铁路正线基本采用60kg/m钢轨，封装结构15415应考虑防水、防潮、防盗和是否影响行车，在密封方面进行了对比考量，采用螺旋密封加密封胶方式的组合密封，达到防水、防潮目的，并对光纤光栅振动传感器进15405行全方位保护。光纤光栅振动传感器的安装见图2154001539.5153901538534图3列车通过数据波形3现场试验及应用监测报警系统在某铁路线进行了现场试验。监测点布设的合理性决定数据的有效性和报警机制的准确性，图2光纤光栅振动传感器的安装为此进行了针对性试验研究，解决了传感器布设距离及2.2.2软件和算法报警阀值等问题。现场进行了500余次不同重量、不同监测报警系统的软件由光纤光栅传感器波长获取、高度、不同落点的落石冲击铁路线路试验，得到有效数数据处理、报警处理和I界面模块组成，各模块的主要据2500万组。通过对数据综合分析，监测报警系统可对功能及组成见表1。冲击到铁路界限内大于4000J的能量（相当于80kg落石CHINESE RAILWAYS 2012/10-59-