（机械电子工程专业论文）光纤光栅传感技术在轨道状态检测中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 铁路系统中的轨道是铁路运营最基础的设施。通过对轨道状态检测可以得到 大量的保证铁路运营安全和提高效率的信息。但是，轨道恶劣的现场环境会影响 现有轨道检测设备如轨道电路、电磁计轴器等的可靠性，严重时出现如分路不良、 红光带、计轴错误等故障，从而影响铁路运营的安全和效率。光纤光栅本质上具 有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成构成 网络等诸多优点，再加上成熟的封装工艺，使其能在恶劣的条件下提供稳定可靠 的检测信息。这是光纤光栅传感技术在轨道状态检测中应用研究的前提所在。 本研究课题研究了光纤b r a g g 光栅( f b g ) 和光纤啁啾光栅( f c g ) 两种传 感检测的解决方案。在本论文对两种方案的传感原理及其实验验证，检测定位的 优化设计，系统总体方案设计及软硬件构架的具体实现，数据分析及处理进行了 详细的阐述，而且得出了重要的结果。 本项目的主要研究内容及结果如下： 一对光纤光栅的制作原理进行分析。依据经典的“耦合模理论”和“传输矩阵 法”，利用数值仿真的方法分析f b g 和f c g 的光谱特性。它们的特性表明： 在传感应用中，f b g 适于检测波长，能提供绝对波长参量变化信息；f c g 适于检测光强，实现低成本的动态测量。 二对f b g 和f c g 的应变传感特性进行理论分析和实验验证。结果表明：f b g 和f c g 的传感输出量与输入应变量之间有着良好的线性关系和高的灵敏系 数，中心波长为1 3 0 0 n m 的f b g 的轴向形变的灵敏度为1 0 3 4 4 p m 嶂，f c g 的随轴向应变的谱形移动的灵敏度约为1p m p z 。 三按照f b g 和f c g 的应变传感原理，传感检测的最优位置应兼顾信噪比和 应变场沿光栅方向的方向导数。依据约束条件，利用a n s y s 软件进行有限 元分析结果表明，钢轨底部中间沿中线方向为最佳检测位置，并设计了相 应的固定装置。试验结果显示，当一列1 4 0 k m h 的客车通过检测处时，f b g 传感器检测到的波长峰值偏移量达到1 5 0 p m ，f c g 传感器检测到的电压变 化量到达1 5 0 m v 。 四依据f b g 和f c g 检测信号特点，分别为它们设计了传感检测系统的硬件 组成方案。 五结合系统硬件系统，通过对系统软件进行需求分析，找出了软件系统的参 与者与系统交互的用例。为保证软件系统的运行稳定度和执行效率，检测 武汉理工大学硕士学位论文 系统采用多线程技术的解决方案。 六通过对导数法、高斯拟合法、循环计数法等寻峰算法的对比和分析，找到 了一种合适的实时寻峰算法，在软件系统的主运算单元实现其功能，并达 到了良好的效果。 关键词：f b g ，f c g ，有限元分析，多线程，实时寻峰算法 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l er a i l w a yt r a c ki st h em o s tb a s i cf a c i l i t yo fr a i l w a yo p e r a t i o ni nt h er a i l w a y s y s t e m am a s so fi n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e db yt r a c km o n i t o r i n g h o w e v e r ，t h e h a s he n v i r o n m e n ta r o u n dt h er a i l w a yt r a c kc a na f f e c tt h e r e l i a b i l i t yo ft r a c k m o n i t o r i n ge q u i p m e n t s ，m a l f u n c t i o n s ，s u c ha sb a ds h u n t i n g ，r e db e l t ，i n c o r r e c ta x l e s c o u n t i n ge ta l ，m a yo c c u ra n di n f l u e n c et h ee f f i c i e n c ya n ds e c u r i t yr a i l w a yo p e r a t i o n f i b e rg r a t i n gh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l em e t h o do fm a k i n g ，h i g hr e l i a b i l i t y , s m a l l s i z e ，i m m u n eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，f l e x i b i l i t y , a n di ti sa p tt oi n t e g r a t ew i t h o p t i c a lf i b e r i na d d i t i o nt ot h em a t u r e de n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g y , f i b e rg r a t i n gs e n s o r c a np r o v i d es t a b l ea n dr e l i a b l ed e t e c t i n gi n f o i t n a t i o nu n d e rh a r s hc o n d i t i o n s t h e a b o v e - m e n t i o n e dp o i n t sa r et h eb a s i so ft h er e s e a r c ho na p p l y i n go p t i c a l o p t i c a lf i b e r g r a t i n gi nt r a c km o n i t o r i n g 1 1 1 er e s e a r c hp r o j e c tp r e s e n t st w os e n s i n gd e t e c t i n gs o l u t i o n sb a s e do nf b g ( f i b e r b r a g gg r a t i n g ) a n df c g ( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c hc o n t e n t si nd e t a i l ：t h es e n s i n gp r i n c i p l e sa n dr e l a t e de x p e r i m e n t s ， t h eo p t i m a ld e s i g nf o rp o s i t i n gs e n s o r s ，t h eo v e r a l ld e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h er e l a t e dr e s e a r c hr e s u l ti s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： i a c c o r d i n gt ot h ec o u p l e d m o d et h e o r ya n dt h em e t h o do ft r a n s m i s s i o nm a t r i x t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff b ga n df c ga r ea n a l y z e db yu s i n gt h em e t h o do f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h es e n s i n gf i e l d f b gi ss u i tf o r w a v e l e n g t hd e t e c t i n g ，i tc a np r o v i d et h e i n f o r m a t i o no fa b s o l u t e l yw a v e l e n g t hs h i f t ； f c gi ss u i tf o rl i g h ti n t e n s i t yd e t e c t i n g i tc a nr e a l i z el o w c o s td y n a m i cm e a s u r e m e n t i i t h es t r a i ns e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff b ga n gf c ga r ea n a l y s e d a n dr e l a t i e d e x p e r i m e n t sh a v ed o n et ov e r i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：b o t h s e n s i n go u t p u to ff b g a n df c gh a v eg o o dl i n e a rr e l a t i o n sh i g h l ys e n s i t i v i t yw i t h s t r a i n t 1 1 ea x i a ld i r e c t i o ns e n s i t i v i t yo ff b gw h i c hc e n t r a lw a v e l e n g t hi sa b o u t 130 0 h m ，i s1 0 3 4 4p 州炉t 1 1 es e n s i t i v i t yo fs p e c t r u ms h f t i n g 埘t l ls t r a i ni sa b o u tl p n l 雌a l s o i i i t h i sp a p e rp r e s e n t sa l la p p r o a c ht oa n a l y z et r a c ks t r a i nf i e l d t h i sf i e l di s d e c o m p o s e di n t ot h r e ev e c t o rf i e l d s ( x ya n dza x i s d i r e c t i o n ) f e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) i su s e d t oa n a l y z ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e ef i e l d su n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s t h er e s u l to ff e as h o w st h a tt h es m a l lp l a c ea tt h ec e n t r a l b o t t o ma n da l o n gt h ec e n t e r l i n eo ft h et r a c km e e t st h ec o n d i t i o n s e x p e r i m e n ts h o w s t h a ti ft h ef b gs e n s o ri sf i x e da tf i g h tp l a c e t h ew a v e l e n g t hs h i f to ff b gs e n s o r sc a n b eu pt o15 0 p m ，w h e nam u l t i p l eu n i tt r a i np a s tt h ed e t e c t i n gp o i n ta tt h es p e e do f 14 0 k m h i v a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff b gs e n s o ra n df c gs e n s o r , h a r d w e a r s o l u t i o n sa r ed e s i g n e di n d i v i d u a l l yf o rt h e m i i i 武汉理t 大学硕士学位论文 v t h ec a s e so fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns o f t w a r es y s t e ma n dp a t i c i p a n t si sf o u n do u t t h em u l t i t h r e a d i n gt e c h n i q u ei sa d o p t e dt oe n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o na n de f f i c i e n c y v i a c c o r d i n gt oc o n t r a s ta n da n a l y s i so nd e r i v a t i v em e t h o d ，g a u s sf i t t i n gm e t h o d ， c y c l ec o u n t i n gm e t h o de ta l ，ar e a lt i m ea l g o r i t h mf o rp e a kf i n d i n gi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h ef u n c t i o no ft h ea l g o r i t h mi sr e a l i z e di nt h em a i nc a l c u l a t i o nt h r e a da n d a c h i e v e sg o o dr e a l i t ya n dr e a lt i m ee f r e c t k e y w o r d s ：f b gf c g f e a ，m u l t i t h r e a d ，r e a l - t i m ep e a kf i n d i n ga l g o r i t h m i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弱龃日期：趁鲤至i 目碉 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：翔酶磐导师( 签名) 吾砖末日期加。7 争6 月f 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 光纤传感技术是自2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起 来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技 术【l 】。当今社会已进入了以光纤通信技术为主要特性的信息时代，而光纤传感技 术也代表了新一代传感器的发展趋势【2 j 。 1 9 6 6 年，美籍华人科学家高锟博士在其论文【3 】中首次提出了，通过改进石英 玻璃的纯度并采用带有包层材料的玻璃光学纤维，可实现远距离激光通信这一划 时代意义的设想。事隔不久，美国康宁公司便于1 9 7 0 年推出采用气相沉积法拉 制的长2 0 0 米、光损耗为2 0 分贝千米的石英纤维【4 】。这是世界上第一根对光纤 通信具有实用价值的低损耗光纤。光纤通讯从此开始迅猛发展，随之而来的光纤 传感技术的研究工作也在世界范围内的许多实验室相继展开【5 j 。 光纤光栅传感器是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤传感及光信 息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤无源器件，它具有反射带宽范围大、 附加损耗小、体积小、器件微型化、抗干扰性( 如电磁场、湿度、化学腐蚀等) 强、能与光纤很好耦合等一系列优良的性能1 6 j 。自从1 9 7 8 年，加拿大通信研究 中心的k o h i l l 和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光 栅【7 】。1 9 8 9 年，c t m e l t z 等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技 术逐渐趋于成熟和商业化【8 1 。到1 9 9 3 年，k o h i l l 与p j l e m a i r e 分别提出相位 掩模成栅技术和低温高压载氢技术【9 儿1 0 】，这两项技术相结合极大的降低了光纤光 栅的制作成本和难度，使光纤光栅的批量化生产成为可能，从而在世界各地掀起 了光纤光栅应用研究的热潮。 光波在光导纤维中传播时，其表征特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长等) 会因外界因素( 温度、压力、磁场、电场、位移、转动) 的作用，而发生直 接或间接的变化，因而可以将光纤作为传感元件来探测周围的物理场。 正是由于光纤传感的众多优点，光纤传感器引起了不同领域研究人员的兴 趣，并且构成了一个独特活跃的研究领域。自1 9 8 3 年以来，世界光纤传感技术 大会每1 8 个月召开一次。光纤传感技术目前依然是整个传感技术领域的前沿和 热门技术，对其应用研究已经扩展到石油、化工、电力、医疗，包括土木工程在 内的各个领域。目前，在军事、航空和其它工业领域，已有光纤水声传感器、光 纤陀螺、光纤温度传感器和光纤液位传感器的等多种可靠的光纤传感器得到了实 际应用【l l 】。 武汉理工大学硕士学位论文 虽然光纤光栅传感技术已经在诸多领域实现了工程应用，但是该技术每次进 入一个新的领域里得到应用，除了要考虑新技术在该领域的市场准入机制，还必 须要从该领域的实际需求出发，充分利用光纤光栅传感技术的优势，使其能切实 的解决问题和实现新的功能需求，这是新技术实现工程应用的基础所在。在这个 基础之上，确定研究的关键内容，制定合适的工艺路线，最后规划研究的进度和 期望目标，这是新技术实现工程应用的基本流程。本文主要内容是：按照这个流 程，详细地论述了光纤光栅传感技术在轨道状态检测中实现应用的关键技术研 究。 1 2 轨道检测技术的国内外研究及发展现状 1 2 1 轨道检测技术的重要性及光纤光栅轨道检测的意义 铁路信号自动控制系统是铁路运输安全生产的重要技术设备之一，对保障行 车安全、提高运输效率和运营管理水平具有关键性作用。通过对轨道状态的检测， 可以得到大量的有用信息。随着国民经济的发展，铁路客运和货运对行车密度和 行车安全的要求越来越高，在提取轨道的状态信息的实时性，稳定性，和准确性 方面的要求也越来越高，因为这些信息将作为铁路信号自动控制系统的直接依 据。 目i i ，轨道检测的主要设备有轨道电路和电磁计轴器。 ( 1 ) 轨道电路 以铁路的两条钢轨作为导体，在一定长度的钢轨两端，以钢轨绝缘为界限， 构成的电气回路称为轨道电路。由钢轨、轨端连续线、变压器箱连接线、送电设 备、受电设备、限流器和钢轨绝缘等主要部分组成。轨道电路以钢轨为导线，轨 缝间用接续线连续，一端接电源，另一端接受电器，通过轨道电流来工作。其工 作原理是：当设有轨道电路的某段线路上空闲时，电流从轨道电路电源正极_ 钢 轨_ 轨道继电器一另一股钢轨电源负极，轨道信号继电器导通，吸起被磁化的衔 铁，闭合前接点，从而接通色灯信号机的绿灯电路，显示绿色灯光j 表示前方线 路空闲，允许机车车辆占用。 当机车车辆进入该线路区段时，由于轮对电阻很小，使轨道电路短路，电流 从轨道电路正极_ + 钢轨_ 轮对_ 另一股钢轨电源负极。轨道信号继电器中无电， 吸力减弱，前接点断开，后接点闭合，从而接通信号机的红灯电路，显示禁行信 号。轨道电路的这一工作性能，能够防止列车追尾和冲突事故，确保行车安全。 轨道电路有其特定的优点，如结构简单、成本低廉等，在我国的铁路信号系 统中得到了广泛的使用。但是也有一些自身无法克服的缺点，进而引发如“分路 2 武汉理工大学硕士学位论文 不良 和“红光带 等故障。 i 分路不良。如果钢轨轨面生锈严重，造成列车轮轴对不能可靠地短路钢 轨，即切不断该区段的电气回路，就称之为轨道电路分路不良。从信号联锁关系 来讲，轨道电路分路不良造成列车通过而无信号，应视为联锁失效。这对铁路运 输安全是一个重大的安全隐患【i 引。轨面生锈实际上只是一个现象，原因较复杂。 它可能是由于雨雪天气或长期不行车，在轨面形成的氧化物绝缘层；分路不良的 原因还有可能是由于车辆油污或周围环境如沙粒覆盖造成的绝缘层。克服轨道电 路分路不良是铁路部门的重大难题，在使用钢轨作为传输通道的连续式轨道电路 制式条件下，至今尚无有效的彻底解决方法i l 引。 i i 红光带。由于潮湿等原因，造成道床电阻极低，导致现有的轨道电路经 常短路，这属于不正常的现象。这样就会造成轨道信号的电压降到一定程度，使 信号显示出现全红。反映在车站的控制台面板上的就是一个红光带【1 4 1 。 在我国，存在相当数量的“压不死”轨道电路区段及许多长期红光带轨道电路 区段。由于轨道电路分路不良造成的事故给全路带来过重大损失和惨痛的教训 1 5 1 。据2 0 0 6 年全路电务工作会议分析资料统计，全路约存在2 7 0 0 0 处“压不死”轨 道区斟1 6 j ，己严重威胁铁路行车安全和运输效率。 ( 2 ) 电磁计轴器 计轴设备是采用现代传感技术和计算机技术的另一个重要的轨道检查设备。 由于它不受轨道状况的影响，使其具备检查长轨道区间的能力，同时也解决了电 气化铁路电流回流对轨道电路的干扰问题：综合其易维护甚至免维护、能适应现 场恶劣条件的特点使其成为在半自动闭塞区段理想的铁路轨道区段空闲检查系 统( “闭塞”即与外界隔绝。轨道信号的闭塞是指列车进入某区间后，要使之 与外界隔绝起来，区间两端都不再向这一区间发车，以防止列车相撞和追尾) 。 因此，计轴技术提升信号设备装备、保证铁路安全运输有着重要的意义。 传统的计轴设备大多采用的是电磁感应类的传感器，基本工作原理是f l7 】： 在定义的轨道区段的两端，选择在同一侧的一根钢轨上安装两个计轴传感器 探测通过的车轮。当车轮通过时，它改变了传感器的发送器和接收器之间的交变 磁场，从而改变了接收线圈上的感应电压或相位值，计轴设备根据其交变磁场的 变化频率和其变化的时间顺序判断通过的列车轴数，并识别列车运行的方向。计 轴主机处理从计轴轨旁盒传来的计轴传感器信息，比较进入区段的轴数和离开区 段的轴数，给出轨道空闲占用的指示。 但是目前国内外己存在计轴技术，但存在以下问题【l 剐： 1 ) 由于计轴技术主要是采用电磁感应的原理，通过检测列车轮轴计轴装置 时磁场的变化来实现轮轴计数。因此，这种计轴传感器极易受电磁干扰，如自然 雷电，维修工人的铁制品乃至铁锹都会产生干扰； 武汉理t 大学硕士学位论文 2 ) 由于需要将电磁感应的模拟信号转换成数字信号远传，a d 转换设备必 须安装在测点旁，并将电源接入现场的a d 转换设备和计轴电磁传感器，所以 可靠性差； 3 ) 设备结构复杂，成本较高； 4 ) 国内使用的电磁计轴器大多被国外公司垄断，故障后有些电路板甚至需 要送至国外维修，周期长，费用高。 因此，针对上述问题，决定将光纤光栅传感技术引入到轨道检测中。光纤光 栅本质上具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光 纤集成构成网络等诸多优点，再加上成熟的封装工艺，使其能在恶劣的条件下提 供稳定可靠的检测信息。这是光纤光栅传感技术在轨道状态检测中应用研究的前 提所在。 1 2 2 轨道检测技术的国内外研究及发展现状 计轴技术是轨道检测中最重要的技术之一，因此在这里介绍计轴技术的国内 外研究及其发展状况。 发达国家的计轴技术起步比较早，2 0 世纪3 0 年代，随着欧洲铁路轨枕的钢 枕化，代替轨道电路完成铁路区段空闲、占用检查的计轴设备应运而生，但是直 到2 0 世纪5 0 年代中期，轨道计轴器才在联邦德国正式使用。此后，法国、匈牙 利、南斯拉夫等国相继使用计轴技术，并已开发出技术成熟的产品推广使用，如 阿尔卡特公司的z p 3 0 c a 计轴器、德国西门子公司的a z s 3 5 0 t 计轴器及德国s e l 公司研制的s i g l 9 0 系统。 我国铁路从2 0 世纪8 0 年代开始计轴技术的研究与应用，国内许多研究机构 在学习发达国家的计轴技术基础上，自主研发了多种计轴设备产品。上海铁路局 于1 9 8 5 年从联邦德国引进a z l 7 0 s k 3 0 型计轴器，于1 9 8 6 年应用在沪杭线。 其他的产品还有：哈尔滨铁科所研制开发了j w j c 2 型计轴器，成都铁路通信设 备厂研制开发了j z1 g 型计轴器等，但是可靠性差，故障率高。 1 9 8 4 年铁道部电务局组团去欧美考察后，发现由德国s e l 公司生产的计轴 器的计轴性能比成都的j z 型设备好，用于国内实现单线区间计轴闭塞是完全可 行的，且在保证列车运行安全和通过能力方面将有不同程度的提高，故决定引进 该设备试用，取得经验后，进行推广。轨道信号的闭塞是指：有列车进入一个区 间后，该区间要隔绝，区间两端都不能向区间内发车。这样，9 0 年代末，进口 计轴设备就批量使用在我国铁路区间半自动闭塞上了，并一直处于垄断地位。 近年来，国内外城轨信号的发展趋势是采用移动闭塞技术，它是基于环线、 波导管、无线等技术实现地车信息传递，确定列车所在的线路位置，将列车所 4 武汉理工大学硕士学位论文 在的位置信息通过轨旁设备传至室内控制设备；室内设备再将前方运行列车位置 信息由轨旁设备传至后续列车，后续列车根据该信息调用计算机存储的线路数据 等资料，实时计算本列车最高运行速度；并在列车运行中不断进行修正和计算， 在确保列车安全条件最大限度地提高线路的通过能力。但是，移动闭塞技术使用 感应轨间电缆，造成线路日常养护困难，所以，在正线上还要计轴设备作为移动 闭塞故障情况下的备用设备使用。而且在车场，因为线路复杂，交叉干扰大，调 度用的轨道电路和计轴设备是难以被替代的。另外，移动闭塞技术不具备车辆的 健康监测的功能。 光纤光栅轨道检测技术是利用安装在钢轨上的光纤光栅传感器来检测钢轨 的应力变化，通过分析实时的应变数据得到通过该段钢轨的轮轴数、列车行驶速 度、行进方向、轴重以及列车车轮的健康状况等信息。在这些功能之中，对铁路 信号自动控制系统最为重要的是轮轴计数功能。 目前，尚未找到采用布喇格光纤光栅( f b g ) 和啁啾光纤光栅( f c g ) 进行 轨道检测的报道。在2 0 0 5 年车辆动态称重国际会议上( 台北市) ，荷兰n e d t r a i n 公司宣布研制了光纤列车称重合车轮健康监测装置，但没有提到光纤光栅传感技 术。目前，香港理工大学已报道采用f b g 进行轨道列车健康检测的研究【l 引。没 有查到利用啁啾光纤光栅( f c g ) 进行轨道列车计轴和健康检测的报道。 1 3 主要研究内容及创新点 本文首先利用经典的“耦合模理论”和“传输矩阵法”，建立了分析f b g 和f c g 的模型，通过数值仿真方法直观地显示它们的光谱特性。指出了如何在传感检测 中利用它们特点。结合理论分析和实验验证，得到了f b g 和f c g 的应变传感特 性，实验表明f b g 和f c g 的传感输出量与输入应变量之间有着良好的线性关系。 利用f e a 法( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，有限元分析法) 分析了钢轨的应 变场，找出了钢轨应变检测的最优位置，并设计了相应的固定装置。给出了数据 采集系统的软件和硬件设计方案和具体实现。通过对数据处理的算法研究，已经 初步达到了提取列车轮轴数，列车行驶速度、方向及轴重等信息的目的。 本文将研究内容分为5 章，主要内容如下： 第l 章首先对光纤光栅的发展状况作了概括性的阐述；接着对轨道检测的国 内外的发展状况及存在的问题作了综述；最后介绍了光纤光栅在轨道检测中的查 新结果。 第2 章首先分析了光纤光栅的制作原理：再利用经典的“耦合模理论”和“传 输矩阵法”，建立了分析f b g 和f c g 的模型，选取典型参数，通过数值仿真的 方法直观地显示它们的光谱特性；并加以分析；最后指出了如何在传感检测中利 武汉理工大学硕士学位论文 用它们特点。 第3 章主要内容是光纤光栅轨道状态检测传感装置的设计。本章首先详细的 论述了f b g 和f c g 传感的基本原理，并用相应的试验验证，并求出它们传感特 性的典型参数；然后对光纤轨道检测系统中的直接检测对象钢轨进行有限元分 析以及相关试验，找出其应变敏感区域，从而得出最佳的检测位置，并设计了符 合工程要求的固定装置。 第4 章的主要内容为数据采集与处理系统设计。分别以核心器件f b g 解调 仪和f c g 解调仪为基础，详细地阐述了两套数据采集和处理系统的设计思路与 方案。系统的设计包括两方面：硬件构成和软件设计。在硬件构成设计方面，从 解调仪表的原理出发，合理设计系统硬件资源的布局，同时指出了在工程应用时 的注意事项。在软件设计方面，首先从用户角度出发，全面地进行了软件系统的 需求分析；然后以保证系统稳定可靠地运作为目的，进行了多线程设计。 第5 章的主要内容是数据分析与处理。首先在硬件和软件系统完成的基础之 上，采集了足够多的数据样本，对数据样本进行离线分析，结合铁路专家系统， 找出数据样本中所包含的信息；然后进行数据处理算法研究，并最终制定出一个 稳定、准确的算法来提取信息。 研究的创新点有： 一利用f e a 分析了处于不同工况下钢轨的应变场的特性。按照f b g 和f c g 的 传感原理，得出光纤光栅应变传感检测的最优位置的约束条件有两个：a ) 传感光栅应处于应变场中的应变幅度尽可能大的地方，以便得到尽可能的大 的信噪比。b ) 应变场沿传感光栅处的方向导数尽可能的小，最好为0 ，以防 止光栅光谱畸变，影响测量精度。最终依据约束条件，利用a n s y s 软件进行 f e a 的处理结果，找出了钢轨应变检测的最优位置，并设计了相应的固定装 置。最终结果表明采用该装置所得到信号幅度足够满足分析处理的需要，实 现了轨道状态检测系统基础。 二结合硬件，通过对系统软件进行需求分析，找出软件系统的参与者与系统交 互的用例。为保证软件系统的运行稳定度和执行效率，检测系统采用多线程 技术的解决方案。 三在硬件和软件系统完成的基础之上，采集了足够多的数据样本，对数据样本 进行离线分析，结合铁路专家系统，找出数据样本中所包含的信息。通过对 导数法、高斯拟合法、循环计数法等寻峰算法的对比和分析，找到了一种适 于实时寻峰算法，在软件系统的主运算单元实现其功能，并达到了良好的效 果。 6 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章光纤光栅的理论基础及光谱特性 2 1 引言 光纤光栅作为一种重要的无源光器件，在通信和传感领域都有着越来越广泛 的应用。为了满足实际需要，需要从理论上研究光在光纤光栅中的传输问题，以 便分析光纤光栅的物理结构与其光谱特性之间的关系，以便可以为光纤光栅的设 计和制作提供理论支持。 在理论上，光在任何介质中的传输问题，都可以由m a x w e l l 方程加上适当的 边界条件来求解，但是，由于微分方程的复杂性，有许多问题没有解析解，常常 需要进行近似处理。对于光纤光栅这种折射率非均匀分布的情况，直接用 m a x w e l l 方程求解非常困难。实际上，能够对光纤光栅的光谱进行定量分析和研 究的最有效的理论应首推“耦合模理论”。1 9 7 3 年，a y a d v 首先利用耦合模理论 研究周期性微扰介质光波导中的模式耦合问题【2 们，1 9 7 6 年，k o g e l n i kh 等人利 用耦合模理论研究分布反馈半导体激光器的光谱问题【2 1 1 ，1 9 9 7 年，t e r d o g a n 用“耦合模理论”研究光纤光栅的光谱特性【2 2 】，给出均匀光纤光栅光谱的解析解， 同时，提出非均匀光纤光栅的传输矩阵解法，成为研究光纤光栅光谱理论的纲领 性文献。 2 2 光纤光栅的制作理论 光纤光栅是利用光纤的光敏特性，采用紫外曝光的方法，在光纤纤芯上形成 折射率沿轴向周期性分布的光波导器件。 1 9 7 8 年，h i l l 等人发现了掺锗光纤的紫外光敏特性，并展示了在光纤纤芯形 成光栅的可行性。但由于制作技术上的困难，很难重复做出相同的光栅。后来， m e l t z 等人发展了相干光束横向侧面曝光光纤光栅制作技术，推动了光纤光栅的 进一步发展。随后，又发展了相位掩模技术。目前，在光纤光栅制作中，大多使 用相位掩模技术。这种技术的特点是，利用相位掩膜板对紫外光的衍射，在模板 后产生两束相干光束，这两束相干光干涉后在空间产生周期性变化的光场，将具 有光敏特性的光纤置于光场中，光纤的芯区就产生了周期性的折射率调制，如图 2 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 相位掩模法制作光纤光栅示意图 相位掩模板一般用石英制成，其厚度呈锯齿型周期变化。假设模板的齿高为 h ，模板对2 4 4n n l 紫外光( 九) 的折射率为n ，模板周期为人。在光栅制作过程 中，主要利用+ l 和1 级衍射光干涉，为了增大+ 1 和1 级衍射光的强度，就要选 择合适的齿高h ，以抑制0 级衍射光。由图2 1 可知，通过模板锯齿处和凹槽处 的0 级衍射光相位差为： 妒= 2 n ( n 一1 ) h 2 ( 2 1 ) 当a f t , = ( 2 k + 1 弦 ( k 为整数) 时，0 级衍射光干涉相消。由此可得模板齿高： h = ( k + 1 2 ) 2 ( n 一1 ) 设士l 级衍射光的衍射角为0 ，由光栅方程： 人s i n 0 = 五 由干涉理论，士1 级衍射光干涉场在位置x 处的光强为： ，( x ) = 4 1 0c o s 2 ( 8 2 ) 其中而为干涉前士l 级衍射光的光强，6 为x 处两束衍射光的相位差。 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 武汉理t 大学硕士学位论文 6 = 2 n 2 x s i n e | 天 于是( 2 4 ) 式变为： ，( x ) = 4 1 0c o s 2 ( 2 7 r s i n 0 x ) 由光纤的光敏性引起的折射率调制a n 正比于光强： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 刀，( x ) = 4 1 0c o s 2 ( 2 n s i n a x ) = 2 1 0 + 2 1 0c o s ( 4 x s i n 0 x ) ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) n - 矢h ，光栅的折射率调制周期为： a o = 1 2 s i n 秒= a 2 ( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可得如下结论： ( 1 ) 紫外光透过模板，在光纤上形成周期性正弦折射率调制，从而形成光栅； ( 2 ) 光栅周期为模板周期的一半； ( 3 ) 光栅周期与紫外光频率无关，与光纤和模板的距离无关； ( 4 ) 由紫外光引起透过模板引起的光栅折射率调制，包括直流调制项( 2 1 。) 和交 流调制项( 2 厶c o s ( 4 n s i n 秒x ) ) 。 2 3 耦合模理论 均匀介质的圆形光波导中的光场分布可由m a x w e l l 方程加上边界条件精确 求解得到，正交归一化的本征解所描述的光波场分布称为光波导的本征模。在均 匀介质的光波导中传输的本征模各自独立、互不干扰。如果波导介质的均匀性被 破坏，使得传导模发生振幅的或位相的扰动，则这些本征模之间就会发生能量的 转换，即耦合。如果这些扰动比较微弱，则可近似认为除了进行能量交换之外， 这些本征模的场分布不发生改变。同时在弱微扰的波导中可以把耦合光波看成是 这些本征模的线性叠加【2 3 1 。这种情况下，再经过“慢变近似”处理和适当的数学推 演，可将光波导的二阶微分方程简化为关于模场振幅变化的一阶微分方程，即耦 合模方程【2 4 1 。考虑到耦合模与微扰源之间的相互作用应满足“谐振”要求，在耦合 模方程中提取出谐振的“两个耦合模式”的一阶微分方程组，再根据边界条件得到 解析解。 在无电荷、无铁磁体存在情况下，在介质中传输的光波电场满足波动方程 9 武汉理工大学硕士学位论文 旷肚眦。雾懈警， ( 2 9 ) o l o r 式中，豆为光波的电场强度，户为电极化强度，o 为磁导率，6 0 为真空介电常 数。其中， 声= 印疆， ( 2 1 0 ) 式中， z 为电极化率。( 2 - 9 ) 式简化为 v 2 - - o o o o o o r 矿a 2 雷， ( 2 一1 1 ) 式中，q = 1 + z 称为相对介电常数。( 2 - 1 1 ) 式即为均匀介质中的光波导方程。 在无微扰的均匀介质中，光波的横向电场的本征模满足波动方程( 2 1 1 ) ， 则 旷e t , m - t t l o e o f r 等瓦， ( 2 1 2 ) 式中，下脚标t 表示横向电场，下脚标m 表示第m 个本征模。 假设光波在介电常数( 折射率) 弱微扰的波导中传输，则可以把电极化强度分成两项 户= 昂+ 豆， ( 2 1 3 ) 式中，用昂表示无微扰项，再表示有微扰项。其中， 昂= c o 疆f ， ( 2 1 4 ) 将( 2 1 3 ) 式代入( 2 9 ) 式得到 妒豆铂舻罢丘啪笔d t 再， ( 2 - 1 5 ) 甜一 一 在弱微扰的介质中，可认为光波场的本征模保持不变，任何在光波导中传输 的光波的横向电场都可以看成是这些本征模的线性叠加，因此， 豆= 毒窆【彳州( z ) 或，州p 饼一尾z + c c 】+ j c o 彳p ( z ) 己，p e 耐一伽和， ( 2 - 1 6 ) - m = l 式中，己，朋为l p 导波模或包层模，己，p 为辐射模，a m ( z ) 和a p ( z ) 为相应的振幅， c c 表示前一项的复共轭。将( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 5 ) 式，得 武汉理工大学硕士学位论文 v 2 丢毫t 彳m c z ，己，用p “耐一尾力+ c c ，+ j c d 彳pc z ，己, p e t ( a t - p , z ) 和 确舻，科a 21 - 互1 蚤t 瓦，m e i ( a t - p z ) + c c + n 己, p e i ( 耐- p p z ) 和 确等瓦。 ( 2 1 7 ) 将v 2 = v ；+ 导代入( 2 - 1 7 ) 式，考虑到本征模六，埘满足均匀介质的光波导 方程( 2 1 2 ) ，并且忽略导波向辐射模的耦合，则把( 2 1 7 ) 式简化为 c 9 矗z 2 睦 芝 a m ( z ) e t , m e i ( c n t - f l z ) + c c + f a p ( z ) 荟t , p e i ( o x - f l z ) d p 确缸协 在光波长范围内，振幅彳珊( z ) 变化较慢，则有 粤d z 风警， 协 纪 所以， 扑i f l m 訾- e t , m e i ( 耐- p z ) + c c h 知， 仫2 。， 对( 2 - 2 0 ) 式两侧乘上本征模的复共轭，然后在波导横截面积分，利用正交关系 得到 譬卅刖一譬卅纠+ c c = 一去- - 了0 0 - - 了o 。笔露，e - ；c o t 小姗，协2 ， 舷以zz 彩o o 式中，振幅的上脚标( 一) 和( + ) 分别表示沿一z 和+ z 轴方向传输的光波。 ( 2 2 1 ) 式就是处理模式间相互作用的耦合模方程。 将 豆f = 印g ( x ，y ，z ) 丘， ( 2 - 2 2 ) 和( 2 1 6 ) 式代入( 2 2 1 ) 式，并忽略与辐射模的耦合，得到 d , 4 ( - ) e i ( 耐+ 尾引一d a + ) e i ( 耐一尾z ) + c c ：一i 砂托，用p 懈+ 岛z ) + i 雒也，所p 懈一局：) + c c 】，( 2 - 2 3 ) 武汉理下大学硕士学位论文 式中， 心，埘= 粤，s ( w ，z ) 瓦e - ：, m a