基于WDM 和SDM 的 FBG 高速列車定位系統(tǒng)研究

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)，負責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)都需要車載設備和地面設備進行信息的傳輸，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，這樣就會導致車載設備無法及時準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)無需車載設備與地面感應設備進行信息傳輸，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變的關系表達式為：

（2）

其中，pe為有效彈光系數(shù)；KB，ε為光纖Bragg光柵的應變靈敏度；ε為應變。

光纖Bragg光柵中心波長漂移量與溫度變化的關系表達式為：

（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為應變。

由式2、式3可知：要獲得應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，通過光開關來選擇各個支路的選通，光信號進入到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域得到應用，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用，為鐵路列車的安全運行提供保障。

參考文獻：

[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.光纖光柵傳感應用問題解析[M].北京：科學出版社，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。