基于布里渊散射光纤传感器的轨道监测研究

刘宝+王月太

摘 要：该文详细介绍了外界因素应变和温度变化时布里渊频移的变化的关系，说明了光纤布里渊散射传感的原理，分析了布里渊散射光纤传感器在轨道监测中的可应用性，以及轨道监测在铁路运营中的重要性，最后提出了一种布里渊散射光纤传感器监测系统结构。

关键词：轨道监测 布里渊散射 应变 温度

中图分类号：U211.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0081-02

钢轨——轨道的重要部件。铁路线路常年暴露在外，作为轨道重要部件的钢轨会受到环境的影响，由于环境的影响可能会发生安全隐患。通过对钢轨进行一定的监测，可以得到轨道的一些实时状态，并且通过对实时状态的分析，预先发现一些隐患，并给工作人员发出警报，工作人员可以及时进行维修。由此可见，轨道监测是提升铁路运营的安全性与可靠性的一种技术手段。

轨道监测易受到环境的影响，对其检测设备有抗电磁干扰、损耗低等要求。光纤在通信中已应用广泛，具有损耗低、带宽资源丰富、耐高压、抗电磁干扰等优点。因此布里渊散射光纤传感器可以应用到轨道监测中。

1 布里渊光纤传感器传感原理

光通过光纤时，光子和光纤中自发热运动产生的声子会产生非弹性碰撞，碰撞会发生布里渊散射。布里渊散射光的频率相对入射光的频率发生变化。在普通石英单模光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的折射率和超聲声速有关。而光纤的折射率和超声声速与温度和应力有关。想要得到温度和应力在光纤上的分布，可以通过检测光纤中布里渊频移的变化得到两个变量的变化值。

布里渊频移与温度、应变的关系为：

其中，υB为布里渊频移；n为介质折射率；E为杨氏模量；k为泊松比；ρ为介质密度，都是温度和应变的函数。

此外，布里渊散射的强度也与温度和应变有关，布里渊强度与温度、应变的关系为：

其中，p B为布里渊散射的强度；λ为真空中的光波长；n为纤芯折射率；Aeff为光纤有效面积；T 为绝对温度，k0为玻尔兹曼常数；ρ为光纤材料密度；p12为光纤弹光系数；VA为光纤中声波的纵模声速；v为光纤中的光速；W为脉冲宽度。

由上面的分析可知：通过测量光纤的布里渊频移和布里渊强度，可以得到温度和应变的具体信息。

2 布里渊散射光纤传感器监测系统结构

布里渊散射光纤传感器监测系统结构框图如图1所示。布里渊散射光纤传感器的布里渊频移和布里渊强度信息经过解调仪的解调发送到本地控制中心，由监测系统软件对数据进行处理、分析和实时显示。通过局域网可将数据传送到上层控制中心，上层控制中心可以实现远程控制。

3 结语

近年来，铁路运输在运输行业的作用越来越重要，因此，对铁路运输的安全提出了更高的要求。而作为保证铁路运输安全的轨道在线监测技术的要求也越来越高。轨道监测需要更新的技术来提高安全，分布式光纤温度和应变传感器是新式的传感器，可以克服传统传感器的缺点。相信光纤传感器在不久的将来将会大范围应用到铁路运输中，为提高铁路运输的安全提供有力的保障。

参考文献

[1] 张旭苹.全分布式光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2013.

[2] 潘建军.光纤传感轨道监测的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2012.