| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202211424624.7 | 申请日 | 2022-11-14 |
| 公开(公告)号 | CN115913350B | 公开(公告)日 | 2024-07-16 |
| 申请人 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 王超东; 刘立海; 王雪; 但文君; 王贞凯; 沙怡; 代赛; 李益锋; 金立坪; 俞彬; 徐宣科; 朱啸豪; 吴雨秋; | 第一发明人 | 王超东 |
| 权利人 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：湖北省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：湖北省武汉市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：湖北省武汉市武昌区和平大道745号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：430063 |
| 主IPC国际分类 | H04B10/073 | 所有IPC国际分类 | H04B10/073 ; H04B10/07 |
| 专利引用数量 | 2 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 武汉科皓知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 张辰; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种直流光 定位 型 铁 路光缆安全监测系统与方法，包括：第一分布式反馈激光 光源 的光发射端口与扰偏器输入端口连接，扰偏器输出端口与分光器公共端口连接，分光器的输出端口分别第一环行器的第一端口、第二环行器的第一端口相连，第一环行器第二端口、第二环行器第二端口分别连接被测光纤两端，所述被测光纤分布在铁路左右两端，通过过轨管道沟通左右侧，第一环行器第三端口与第一单偏振光纤连接，第一单偏振光纤另一端与第一光电探测器连接，所述第二环行器第三端口与第二单偏振光纤连接，第二单偏振光纤另一端与第二光电探测器连接。以解决利用光缆远端增加光纤反射镜或光源的方式，扰动事件对同一地点的往返 信号 均有影响的技术问题。 | ||
| 权利要求 | 1.一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统，其特征在于，包括第一分布式反馈激光光源、扰偏器、分光器、第一环行器、第二环行器、第一单偏振光纤、第二单偏振光纤、第一光电探测器、第二光电探测器以及被测光纤；所述第一环行器和第二环形器为三端口光环行器；其中， |
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| 说明书全文 | 一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统与方法技术领域[0001] 本发明涉及光缆检测技术领域，具体涉及一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统与方法。 背景技术[0002] 光缆是铁路运营和维护各系统信息传输的最主要的媒介，一直是铁路重要基础设施，近年来随着智慧铁路的发展，铁路各类系统对光缆的需求增长迅猛。鉴于铁路光缆在铁路运输生产指挥中的重要性和光缆敷设环境的特殊性，铁路光缆建设时考虑的首要问题是其安全性。随着铁路光缆数量的增加以及早期铺设的光缆接近使用年限，因光缆接头盒渗水，衰耗随时间推移而增大等影响通信的现象时有发生，光缆线路因受到铁路施工、建筑挖方、开采岩石、山体滑坡和其他意外事故造成的光缆中断或损伤等事故也时有发生。因此，铁路光缆运维部门需要随时、快速和准确地了解光纤通断状况及主要参数，以便在光纤发生故障时及时的获取故障信息，准确判断故障点的地理位置，及时排除故障；或者在光纤特性发生劣化之前及时进行更换，确保光纤线路的传输质量。满足这一需求的解决方案是建立光缆线路集中监测系统，实现对光纤线路的光层传输性能、衰减变化及光纤阻断等的自动监测。 [0003] 当前市面上光缆在线监测系统大多根据《铁路光缆监测系统技术条件》(QCR 849‑2021)、光缆线路自动监测系统技术条件(YDN010‑1998)、光缆线路自动监测系统工程设计规范(YD/T5066‑2005)、光缆线路自动监测系统工程验收规范(YD/T5093‑2005)等相关规范进行设计、生产。该系统核心工作是利用在线OTDR模块，结合光开关的切换，对被测光缆的纤芯进行轮询监测，当出现断纤点、损耗过大点等事件后及时发现并告警。并提供WDM(光波分复用器)、OLP(光纤线路自动切换保护)、OPM(光功率监测)、OS(光源板卡)、滤波器等可选模块，满足其他辅助功能的需要。但上述光缆在线监测系统不具备光缆振动事件预警功能，无法对可能造成光缆损坏的事件进行告警。 [0004] 在现有技术中需要在光缆的远端安装光源和光纤反射镜，实际应用中可能存在诸多不便；二是极端情况下，存在因扰动事件持续时间过长，导致信号重叠无法实现定位的问题。为解决上述问题，并充分利用铁路光缆在铁路左右侧分布的特点，本发明提出了一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统与方法。 发明内容[0005] 基于上述表述，本专利提出了一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统与方法。该方案充分利用了铁路干线光缆左右侧敷设的特点，实现了对左右侧光缆同时进行监测； 且不存在同一事件同时影响往返光缆造成干扰事件定位的问题，不会造成因事件持续时间长产生的信号重叠，从而无法区分事件时间差，造成事件无法定位的技术问题。 [0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下，一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统，包括第一分布式反馈激光光源、扰偏器、分光器、第一环行器、第二环行器、第一单偏振光纤、第二单偏振光纤、第一光电探测器、第二光电探测器以及被测光纤；所述第一环行器和第二环形器为三端口光环行器；其中， [0007] 第一分布式反馈激光光源的光发射端口与扰偏器输入端口连接，扰偏器输出端口与分光器公共端口连接，所述分光器的输出端口分别第一环行器的第一端口、第二环行器的第一端口相连，所述第一环行器第二端口、第二环行器第二端口分别连接被测光纤两端，所述被测光纤与过轨管道进行互通连接，所述第一环行器第三端口与第一单偏振光纤连接，第一单偏振光纤另一端与第一光电探测器连接，所述第二环行器第三端口与第二单偏振光纤连接，第二单偏振光纤另一端与第二光电探测器连接。 [0008] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。 [0009] 进一步的，所述第一分布式反馈激光光源与直流驱动模块连接。 [0010] 进一步的，所述第一光电探测器和第二光电探测器为PIN型光电探测器。 [0011] 进一步的，所述分光器为50:50分光器。 [0012] 本发明还提供一种直流光定位型铁路光缆安全监测方法，所述方法应用于上述所述的系统，所述方法包括以下步骤： [0014] 选取第一光电探测器AD采样信号的第1至N个点的均值记为X1，第2至N+1个点的均值记为X2，第3至N+2个点的均值记为X3，依次类推；将第二光电探测器AD采样信号的第1至N个点的均值记为Y1，第2至N+1个点的均值记为Y2，第3至N+2个点的均值记为Y3，依次类推；其中，N为平滑窗口宽度； [0015] 设定告警阈值为Z，分别获取相邻两点的差值的绝对值△X和△Y，将所述差值的绝对值与告警阈值Z进行比较，当△X大于阈值Z时，记录时间T1；当△Y大于阈值Z时，记录时间T2；计算T1、T2差值的绝对值△T； [0016] 当△T≥L/v时，判定为噪声等其他原因产生误报，舍弃T1、T2，重新开始以上采样及处理流程；当△T＜L/v时，根据计算模型，计算得到扰动事件发生位置；其中，v为光在光纤中的传播速度，L为被测的左右侧光纤总长度。 [0017] 进一步的，所述计算模型为： [0018] [0019] 其中，v为光在光纤中的传播速度，L为被测的左右侧光纤总长度，Lx为扰动事件发生位置距离第一环行器第二端口距离。 [0020] 进一步的，所述将所述差值的绝对值与告警阈值Z进行比较之前，还包括，当大于阈值的差值的绝对值且连续一定数量的差值的绝对值均未大于阈值，则判定此次扰动事件最后一个信号为该差值的绝对值。 [0021] 进一步的，所述分别获取相邻两点的差值的绝对值△X和△Y,其中，△X为均值X序列中相邻两点的差值的绝对值，△Y为均值Y序列中相邻两点的差值的绝对值。 [0022] 进一步的，所述AD采样频率优选为1G Sa/s。 [0023] 与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果： [0024] 本发明系统利用分光器将同一光源信号分别注入到分布在铁路左右两侧的光纤中，再将光缆在某地进行环接，利用扰动事件对光纤回路中不同方向传播信号的时间差进行定位，系统具有以下优点： [0026] 系统充分利用了铁路干线光缆左右侧铺设的特点，实现了对左右侧光缆同时进行监测；且不存在同一事件同时影响往返光缆造成干扰事件定位的问题。系统利用左右侧光缆将往返光信号分开，扰动事件仅作用在往返光缆上的一个点，不会造成因事件持续时间长产生的信号重叠，从而无法区分事件时间差，造成事件无法定位的问题。 [0027] 本发明采用单偏振光纤进行光信号的滤波，当发生直接作用在光缆上的动作事件时，事件将造成光缆内光纤双折射的剧烈变化，从而造成光信号偏振态发生剧烈变化，当偏振态剧烈变化的光信号通过第一和第二单偏振光纤时光强度将发生剧烈变化，该强度变化将被光电探测器记录下来。当列车经过产生振动事件或距离光缆较远的机械施工产生振动事件等各种并未造成光缆剧烈振动或位移的事件发生时，该系统无响应。大大提高了系统在铁路运行场景的可用性。 [0029] 图1为本发明实施例提供的一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统的结构示意图。 具体实施方式[0030] 为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。 [0031] 现有技术中，利用光时域反射技术进行事件定位的技术，由于脉冲光的背向散射光强度非常弱，因此系统信噪比不高，需要进行平均去噪、小波去噪等技术进行去噪，这将会损失系统的响应时效性提升系统复杂度。当利用前向直流光进行监测时，发射端和接收端往往不在同一位置，一般需要在双端对信号进行采集，采集到的数据需要进行时间对准：由于光速很快，即使1μs的时间误差对应100m的空间定位误差，因此这对对时系统要求较高，这将提高监测系统的工程实施复杂度。利用光缆远端增加光纤反射镜或光源的方式，扰动事件将对同一地点的往返信号均有影响，如事件持续时间过长，将产生信号重叠，从而无法区分时间差，造成事件无法定位。 [0032] 为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种直流光定位型铁路光缆安全监测系统，包括第一分布式反馈激光光源、直流驱动、扰偏器、分光器、第一环行器、第二环行器、第一单偏振光纤、第二单偏振光纤、第一光电探测器、第二光电探测器以及被测左侧光纤和右侧光纤；其中， [0033] 所述第一分布式反馈激光光源与光源驱动模块连接，第一分布式反馈激光光源的光发射端口与扰偏器输入端口连接，扰偏器输出端口与分光器公共端口连接，所述分光器的输出端口分别第一环行器的第一端口、第二环行器的第一端口相连，所述第一环行器第二端口、第二环行器第二端口分别与被测光纤两端连接，被测光纤与过轨管道进行互通连接，所述第一环行器第三端口与第一单偏振光纤连接，第一单偏振光纤另一端与第一光电探测器连接，所述第二环行器第三端口与第二单偏振光纤连接，第二单偏振光纤另一端与第二光电探测器连接。 [0034] 可选地，所述第一分布式反馈激光光源采用直流驱动。 [0035] 可选地，所述第一环行器和第二环形器为三端口光环行器，有多个端的非可逆器件，在于将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口。例如分别为端口1、端口2和端口3，从端口1输入信号，信号只能从端口2输出，同样，从端口2输入的信号只能从端口3输出。 [0036] 可选地，所述扰偏器用于消除偏振，同时还能按照预设周期改变其工作状态。系统利用扰偏器，周期性控制其工作状态，可有效消除偏振衰落造成的事件探测不敏感区域。 [0037] 具体如图1所示，图中，DFB光源1表示为第一分布式反馈激光光源，DFB光源1和由DFB激光器发出，其能同时提供对波长的平滑、可调谐控制以及精确光纤通信和光谱应用所需的极窄光谱宽度。PD1表示为第一光电探测器，PD2表示为第二光电探测器。其中所述扰偏器的前端连接光源模块，光源模块由光源驱动模块驱动，在本实施例中，所述光源模块为DFB光源，光源驱动模块为直流光驱动。所述分光器为50:50分光器；所述第一光电探测器和第二光电探测器为PIN型光电探测器。所述被测光纤分为铁路左侧和右侧光纤，通过过轨通道引入某铁路机房将被测纤芯贯通。在具体应用时，第一分布式反馈激光光源发射探测脉冲信号，探测信号过扰偏器和分光器后，经第一环形器第一端口进入由第一环形器第二端口输出，探测到扰动事件发生位置，探测信号经过轨，返回至第二环形器第二端口输入，从第二环形器第三端口输出，并经第二单偏振光纤传输至第二光电探测器，第二光电探测器接收探测到的扰动事件的脉冲信号并记录下来。同理可推之，脉冲信号经第二环形器流向第一广电探测器，在此不在赘述。当发生直接作用在光缆上的动作事件时，扰动事件将造成光缆内光纤双折射的剧烈变化，从而造成光信号偏振态发生剧烈变化，当偏振态剧烈变化的光信号通过第一单偏振光纤和第二单偏振光纤时光强度将发生剧烈变化，该强度变化将被第一光电探测器和第二光电探测器记录下来。当列车经过产生振动事件或距离光缆较远的机械施工产生振动事件等各种并未造成光缆剧烈振动或位移的事件发生时，该系统无响应。 [0038] 本发明采用单偏振光纤进行光信号的滤波，当发生直接作用在光缆上的动作事件时，事件将造成光缆内光纤双折射的剧烈变化，从而造成光信号偏振态发生剧烈变化，当偏振态剧烈变化的光信号通过第一单偏振光纤和第二单偏振光纤时光强度将发生剧烈变化，该强度变化将被光电探测器记录下来。当列车经过产生振动事件或距离光缆较远的机械施工产生振动事件等各种并未造成光缆剧烈振动或位移的事件发生时，该系统无响应。大大提高了系统在铁路运行场景的可用性。 [0039] 与此同时，本发明还提供一种直流光定位型铁路光缆安全监测方法，所述方法应用于上述所述系统，所述方法包括以下步骤： [0040] 对第一光电探测器、第二光电探测器信号进行AD采样，并设置信号处理平滑窗口； [0041] 分别选取第一光电探测器和第二光点探测器AD采样信号的第1至N个点的均值记为X1，第2至N+1个点的均值记为X2，第3至N+2个点的均值记为X3，依次类推；将第二光电探测器AD采样信号的第1至N个点的均值记为Y1，第2至N+1个点的均值记为Y2，第3至N+2个点的均值记为Y3，依次类推。设定告警阈值为Z，将所述差值的绝对值与告警阈值Z进行比较，分别获取相邻两点的差值的绝对值△X和△Y，当△X大于阈值Z时，记录时间T1；当△Y大于阈值Z时，记录时间T2；计算T1、T2差值的绝对值△T； [0042] 当△T≥L/v时，判定为噪声等其他原因产生误报，舍弃T1、T2，重新开始以上采样及处理流程。当△T＜L/v时，根据 可计算得出Lx值，即得到扰动事件发生位置；其中，v为光在光纤中的传播速度，L为被测的左右侧光纤总长度，N为平滑窗口宽度。 [0043] 进一步地，所述方法具体包括：假设被测的左右侧光纤总长度已知为L，扰动事件发生位置距离第一环行器第二端口未知为Lx，在每个扰偏器的状态周期内，对第一、第二光电探测器信号进行AD采样，采样频率优选为1G Sa/s即每秒采样1G个点。设置信号处理平滑窗口以降低噪声对系统的影响，平滑窗口宽度优选100。将第一光电探测器AD采样信号的第1至100个点的均值记为X1，第2至101个点的均值记为X2，第3至102个点的均值记为X3，依次类推。将第二光电探测器AD采样信号的第1至100个点的均值记为Y1，第2至101个点的均值记为Y2，第3至102个点的均值记为Y3，依次类推。设定告警阈值为Z。△X为均值X序列中相邻两点的差值的绝对值。△Y为均值Y序列中相邻两点的差值的绝对值。当△X大于阈值Z时，记录时间T1。当△Y大于阈值Z时，记录时间T2。计算T1、T2差值的绝对值△T。当△T≥L/v时，其中v为光在光纤中的传播速度，判定为噪声等其他原因产生误报，舍弃T1、T2，重新开始以上采样及处理流程。当△T＜L/v时，根据 可计算得出Lx值，即得到扰动事件发生位置。 [0044] 当改变扰偏器的工作状态后，重新开始以上采样及处理流程。其中，扰偏器工作状态改变周期优选为L/v的整数倍。 [0045] 综上，该系统利用分光器将同一光源信号分别注入到分布在铁路左右两侧的光纤中，再将光缆在某地进行环接，利用扰动事件对光纤回路中不同方向传播信号的时间差进行定位，具有以下优点： [0046] 系统采用前向直流光探测方案，极大的提高了光缆破坏行为监测系统的信噪比，系统对光源模块无大功率的要求，对光电探测器灵敏度也无较高的要求，可大大提高系统的稳定性并降低系统复杂度和成本。 [0047] 系统充分利用了铁路干线光缆左右侧铺设的特点，实现了对左右侧光缆同时进行监测；且不存在同一事件同时影响往返光缆造成干扰事件定位的问题。 [0048] 系统利用左右侧光缆将往返光信号分开，扰动事件仅作用在往返光缆上的一个点，不会造成因事件持续时间长产生的信号重叠，从而无法区分事件时间差，造成事件无法定位的问题。 [0049] 本发明技术可利用在铁路光缆在线监测、光缆振动监测等相关领域，所有在建及改造铁路项目均可使用。 |
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