王月太 高賢輝 吳文艾
摘 要:本文介紹了FBG的傳感原理,并具體的介紹了基于WDM和SDM的FBG高速列車定位系統(tǒng),采用WDM和SDM相結(jié)合的結(jié)構(gòu)大大降低了系統(tǒng)成本。
關(guān)鍵詞:光纖光柵傳感器;列車定位;WDM;SDM
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.127
1 引言
列車定位是列車運行過程中的重要一環(huán),負(fù)責(zé)提供正確的列車的速度和位置信息[1]。為保證列車的運行安全,必須要保證列車的速度和位置信息的安全性、正確性及可靠性。傳統(tǒng)的列車定位系統(tǒng)都需要車載設(shè)備和地面設(shè)備進(jìn)行信息的傳輸,在信息傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)信息錯誤、信息丟失等通信故障,這樣就會導(dǎo)致車載設(shè)備無法及時準(zhǔn)確的獲取列車位置信息,從而造成行車危險。 為此本文提出了基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列車定位系統(tǒng),該列車定位系統(tǒng)無需車載設(shè)備與地面感應(yīng)設(shè)備進(jìn)行信息傳輸,這樣可以有效的防止了通信故障,從而保證行車安全。同時FBG傳感器是光纖結(jié)構(gòu),具有抗電磁干擾、 耐腐蝕、維護(hù)方便等優(yōu)點,可以使系統(tǒng)的成本大大降低。
2 FBG傳感原理
寬帶光源的光通過光纖光柵中時,會分為兩部分,其中滿足條件光纖光柵Bragg條件的光將發(fā)生反射, 其余的光透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。
反射光的波長 (即諧振波長) 由Bragg公式確定[2]:
(1)
其中,λB是光纖光柵的反射波長,neff是光柵模有效折射率,Λ是光線光柵的周期。
由上式可以看出:光纖光柵的反射波長與光柵的周期和有效折射率成正比。當(dāng)外界因素發(fā)生變化時,光柵的周期和光柵模的有效折射率也隨之發(fā)生改變,而光柵的周期和光柵模的有效折射率的改變就會使得光纖Bragg光柵的中心反射波長產(chǎn)生變化。其中,應(yīng)變和溫度是引起光纖布拉格光柵中心波長的偏移的主要原因。
光纖Bragg光柵中心波長的漂移量與軸向應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式為:
(2)
其中,pe為有效彈光系數(shù);KB,ε為光纖Bragg光柵的應(yīng)變靈敏度;ε為應(yīng)變。
光纖Bragg光柵中心波長漂移量與溫度變化的關(guān)系表達(dá)式為:
(3)
其中,α為光纖材料的熱膨脹系數(shù);ζ為光纖材料的熱光系數(shù);KB,T為光纖Bragg光柵的溫度靈敏度;ΔT為應(yīng)變。
由式2、式3可知:要獲得應(yīng)變和溫度的變化情況,可以通過測量諧振波長的漂移量。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用WDM可以將多不同波長的光纖光柵串聯(lián)在一根光纖上,采用SDM可以將多個光路并聯(lián)連接,這樣就可以通過WDM+SDM的復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)分布式測量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,寬帶光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光,光信號通過3dB耦合器入射到光開關(guān),通過光開關(guān)來選擇各個支路的選通,光信號進(jìn)入到FBG串聯(lián)陣列中,會產(chǎn)生反射光,其中,第一個FBG的反射光波長為λ1,第二個FBG的反射光波長為λ2,直到最后一個FBG產(chǎn)生波長為λn的反射光。反射光通過3dB耦合器就后會進(jìn)入到波長檢測系統(tǒng),通過波長檢測實現(xiàn)解調(diào),從而實現(xiàn)對外界參量的辨識。并且并聯(lián)的各個光纖Bragg光柵的波長可以相同,這樣就會使系統(tǒng)成本降低。
4 結(jié)論
目前光纖光柵傳感器已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,相信在不久光纖光柵傳感技術(shù)會在鐵路運輸中得到廣泛的應(yīng)用,為鐵路列車的安全運行提供保障。
參考文獻(xiàn):
[1]朱愛紅,李博,楊亮.高速列車定位技術(shù)與組合定位系統(tǒng)研究[J].中國鐵路報,2013(05):63-66.
[2]孫麗.光纖光柵傳感應(yīng)用問題解析[M].北京:科學(xué)出版社,2011:7-11.
作者簡介:王月太(1989-),女,甘肅蘭州人,碩士,助教,主要研究方向:交通信息工程及控制。