[发明专利]一种铁路落石防护网分布式光纤传感检测装置和方法

权利要求书

1.一种铁路落石防护网分布式光纤传感检测装置，其特征在于，包括：布里渊光时域反射系统和相干光时域反射系统；

布里渊光时域反射系统包括：窄线宽激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、偏振控制模块（3）、电光调制器（4）、偏压控制板（5）、脉冲信号发生模块（6）、脉冲光放大器模块（7）、第一密集型波分复用器（8）、光环形器（9）、探测光纤（10）、第二光纤耦合器（11）、小信号连续光放大器（12）、第二密集型波分复用器（13）、第三光纤耦合器（14）、扰偏器（15）、第四光纤耦合器（16）、第一光电探测器（17）、频率混合模块（18）、低噪声放大器（19）、滤波器（20）、微波可调频率源（21）、模数转换模块（22）、第二光电探测器（23）和上位机（24）；

相干光时域反射系统通过复用布里渊光时域反射系统的窄线宽激光器（1）、第一光纤耦合器（2）、偏振控制模块（3）、电光调制器（4）、偏压控制板（5）、脉冲信号发生模块（6）、脉冲光放大器模块（7）、第一密集型波分复用器（8）、光环形器（9）、探测光纤（10）、第二光纤耦合器（11）、第三光纤耦合器（14）、第二光电探测器（23）和上位机（24）得到；

其中，窄线宽激光器（1）的输出端与第一光纤耦合器（2）的输入端A相连接，第一光纤耦合器（2）的输出端B与偏振控制模块（3）的输入端相连，第一光纤耦合器（2）的输出端C与第三光纤耦合器（14）的输入端相连，偏振控制模块（3）的输出端与电光调制器（4）的输入端D相连，偏压控制板（5）的输出端与电光调制器（4）的端口E相连，脉冲信号发生模块（6）的一端输出端与电光调制器（4）的端口F相连，另一输出端口与上位机（24）的输入端V相连，电光调制器（4）的输出端G与脉冲光放大器模块（7）的输入端相连，脉冲光放大器模块（7）的输出端连接第一密集型波分复用器（8）的输入端，第一密集型波分复用器（8）的输出端与光环形器（9）的输入端H相连，探测光纤（10）与光环形器（9）的I端口相连，光环形器（9）的输出端J与第二光纤耦合器（11）的输入端相连，第二光纤耦合器（11）的输出端K与第二光电探测器（23）的输入端X相连，第二光纤耦合器（11）的输出端L连接小信号连续光放大器（12）的输入端，小信号连续光放大器（12）的输出端与第二密集型波分复用器（13）的输入端相连，第二密集型波分复用器（13）的输出端与第四光纤耦合器（16）的输入端P相连，第三光纤耦合器（14）的输出端M与扰偏器（15）的输入端相连，第三光纤耦合器（14）的输出端N与第二光电探测器（23）的输入端Y相连，扰偏器（15）的输出端与第四光纤耦合器（16）的输入端O相连，第四光纤耦合器（16）的输出端Q连接第一光电探测器（17）的输入端，第一光电探测器（17）的输出端与频率混合模块（18）的输入端R相连，微波可调频率源（21）的输出端与频率混合模块（18）的端口S相连，频率混合模块（18）的输出端T连接低噪声放大器（19）的输入端，低噪声放大器（19）的输出端与滤波器（20）的输入端相连，滤波器（20）的输出端与模数转换模块（22）的输入端相连，模数转换模块（22）的输出端与上位机（24）的输入端U相连，第二光电探测器（23）的输出端与上位机（24）的输入端W相连。

2.根据权利要求1所述的铁路落石防护网分布式光纤传感检测装置，其特征在于，还包括光缆保护装置，用于保护铁路落石防护网分布式光纤传感检测装置中的探测光纤（10）；该光缆保护装置包括：锚杆（25）、落石防护网（26）、金属薄片（28）和金属基索状铠装应变感测光缆（29）；其中，金属基索状铠装应变感测光缆（29）由光纤护套（30）、探测光纤（10）、纤膏（32）和钢丝护套（33）组成；

其中，落石防护网（26）折叠成V型，通过锚杆（25）固定于靠近铁路轨道（27）的山体上，金属薄片（28）放置于落石防护网（26）的V型结构内，金属基索状铠装应变感测光缆（29）固定于金属薄片（28）下面；金属基索状铠装应变感测光缆（29）中，探测光纤（10）由光纤护套（30）包覆进行保护，光纤护套（30）外侧设置钢丝护套（33），钢丝护套（33）外侧设置纤膏（32）。

3.一种铁路落石防护网分布式光纤传感检测方法，利用如权利要求1所述的铁路落石防护网分布式光纤传感检测装置进行检测，其特征在于，包括：

步骤一：窄线宽激光器（1）发出波长为1550nm的光，进入第一光纤耦合器（2），第一光纤耦合器（2）将连续光分为两路，第一光纤耦合器（2）的B端口输出光功率占比为80%的探测光，C端口输出光功率占比为20%的参考光；

步骤二：第一光纤耦合器（2）的B端口输出的探测光经过偏振控制模块（3），调整探测光的偏振态后，进入电光调制器（4）中进行脉冲调制；

步骤三：电光调制器（4）的射频输入端口F连接脉冲信号发生模块（6）的输出端口，产生移频200MHz的脉冲波形，同时，脉冲信号发生模块（6）的TTL同步触发输出端口产生周期为125us的脉冲信号，连接至上位机（24 ）中，完成每经过125us的周期进行布里渊后向散射曲线的采集；

步骤四：从电光调制器（4）调制出的光脉冲输入脉冲光放大器模块（7）中进行放大，放大后的光脉冲送入第一密集型波分复用器（8）中进行滤波处理，将放大滤波后的光脉冲输入光环形器（9）中，所述光环形器（9）的I端口连接探测光纤（10），光环形器（9）的输出端口J连接第二光纤耦合器（11），第二光纤耦合器（11）通过输出端L将含有布里渊频移的后向散射光依次送入小信号连续光放大器（12）与第二密集型波分复用器（13）中进行放大、滤波处理，此时从第一光纤耦合器（2）的C端口分出的输出光功率占比为20%参考光与第三光纤耦合器（14）的输入端相连，第三光纤耦合器（14）的输出光功率占比为80%的端口M连接扰偏器（15）进行偏振态的调整，将调整好偏振态的参考光送入第四光纤耦合器（16）光功率占比为50%的端口O中，同时，含有布里渊频移的后向散射光通过第二密集型波分复用器（13）送入第四光纤耦合器（16）的另一光功率占比为50%的端口P中，并在第一光电探测器（17）中进行拍频处理，得到只含有布里渊频移的差频信号，所述第二光电探测器（23 ）的输出端与频率混合模块（18）的输入端R相连，进行降频处理，便于在模数转换模块（22）中进行数据采集；

步骤五：所述微波可调频率源（21）的输出端连接到频率混合模块（18）的输入端S，以此改变布里渊频移的频率大小；所述频率混合模块（18）的输出端T连接低噪声放大器（19）的输入端，将此微弱的连续信号进行放大；此信号进入滤波器（20）中通过微波频率扫描的方式获得布里渊频移信息；滤波器（20）的输出端口通过模数转换模块（22）进行模数转换后，送入上位机（24）中进行采集，并在上位机中进行累加平均处理与洛伦兹拟合后，得到含有距离-频移的布里渊散射曲线；当落石落在防护网上会产生相应应力变化，通过将后一时刻的布里渊散射曲线与没有发生应力变化的布里渊散射曲线进行差分运算处理即可得到有变化的布里渊频移，由于应变与布里渊频移具有线性关系，此时频移的改变即为应变的变化，以此检测防护网是否有落石落下；

步骤六：将步骤四中放大滤波后的光脉冲输入光环形器（9）及探测光纤（10），得到后向瑞利散射光，并将得到的后向瑞利散射光通过分光比为50%：50%的第二光纤耦合器（11），由第二光纤耦合器（11）输出光功率占比为50%的端口K连接第二光电探测器（23）的输入端口X；同时，第一光纤耦合器（2）的C端口输出的20%的参考光在经过分光比为80%：20%的第三光纤耦合器（14）后，通过第三光纤耦合器20%的输出端口N直接与第二光电探测器（23）的输入端口Y相连；

步骤七：将含有移频200MHz信号的瑞利后向散射光与参考光在第二光电探测器（23）中进行拍频处理，由于参考光发出的频率与瑞利散射光的频率相同，根据积化和差的拍频原理处理后，得到只含有移频200MHz的信号，将移频200MHz的信号在上位机（24）中进行IQ解调可得到幅值曲线，此时在幅值曲线中，没有发生振动的地方幅值基本保持一致，而有振动发生的位置处幅值不断变化，通过后一时刻幅值曲线与无振动发生的幅值曲线进行移动差分运算处理，可将振动位置进行准确还原，并通过累加平均去噪运算得到含有振动位置的定位曲线，以此实现对落石位置的精准定位。