高稳定性光纤光栅轨道计轴系统的研究与实现

作     者：倪翔 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王原丽

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：电磁类计轴器 光纤光栅 边缘滤波 轨道计轴 嵌入式 

摘      要：高速铁路运输业是我国经济增长中至关重要的一环,保障铁路运输安全、预防铁路事故发生的重要性不言而喻。由于高铁列车运行速度快,在短距离内难以紧急制动,因此为了防止追尾等相撞事故发生,避免造成不可挽回的后果,监测轨道占用状态具有重要意义。轨道计轴是现有轨道占用状态监测中的关键技术之一,是利用传感器感知经过列车的轮轴信息从而计算出轴数,通过对比监测区间两端轴数实现对轨道占用状态的监测。然而,目前计轴传感器主要以电磁类计轴器为主,由于电类传感元件抗腐蚀和抗电磁干扰能力均较差,导致在雷雨等恶劣天气下工作可靠性大为降低。光纤光栅是一种新型传感器,其抗腐蚀、抗电磁干扰能力强且能与光纤很好耦合,从而克服了电磁类计轴器的缺陷。但是目前基于光纤光栅传感技术的轨道占用状态监测方案,难以兼具高解调频率、低成本和高稳定性的性能优势,无法满足长期监测高速轨道占用状态的工程化需求。在此背景之下,本文设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,提出采用边缘滤波解调法结合嵌入式技术实现一种高解调频率、低成本和高稳定性的轨道计轴系统。本文的主要研究内容如下:(1)轨道计轴系统需求分析及传感器设计。详细分析了轨道计轴系统高速、高灵敏度和高可靠性的计轴需求,提出了基于光纤光栅设计轨道计轴系统;分析了光纤布拉格光栅的传感原理,研究设计了具有故障安全模式的光纤光栅传感器,并通过增敏片的结构设计提高传感器灵敏度,以及设计基于温度补偿光栅对传感器进行温度解耦;介绍了边缘滤波解调技术的基本原理以及实现方法,并通过研究分析光纤布拉格光栅的光谱特性进一步提高传感器解调的准确性。(2)高稳定性光纤光栅轨道计轴系统研究。分析研究线性光滤波器的温度特性,仿真验证了温度对其透射谱造成的影响,根据边缘滤波解调技术搭建了多通道光路系统,研究设计温度补偿算法改善了系统高温度稳定性;对电路系统关键器件进行参数选型,设计电路满足系统高解调频率和长距离传输需求;在二取二安全型轨道计轴系统结构下,研究设计动态阈值序列计轴算法和动态阈值实时寻峰计轴算法,解决了列车慢速行驶下计轴错误的问题。(3)光纤光栅轨道计轴系统的实现。在鄂尔多斯大准铁路线搭建了一套光纤光栅轨道计轴系统,对系统基本功能和长时间解调稳定性进行了现场测试,验证了系统具备监测传感器松动/脱落功能且长时间稳定性良好;在完成系统基本功能和稳定性测试后对不同车重、不同车速、不同行车方向和慢速出站等车况下的运行列车进行了实际计轴测试,从而验证了系统具备对不同车况列车的计轴能力。