本实用新型涉及轨道工程和健康监测技术领域，尤其涉及一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统。
背景技术：
伴随着轨道交通的长期运营，在复杂的使用条件与所处自然环境的双重作用下，由于轨道结构的原因而发生的安全性事故越来越多，这不仅要求精确严密的计算理论和先进的施工技术，同时也对轨道交通运营期间的安全维护提出更高的要求。由于轨道交通自身结构复杂而特殊，在长期运营过程中将受到各种因素的影响，诸如地质、地形条件、水文条件、气候条件等，可能导致在使用过程中出现各种各样的病害。为了保证城市轨道交通在运营和维护中的安全性，需要建立轨道结构的长期健康监测体系，对长期监控中实时采集的数据进行分析与研究，及时了解在运营期间轨道结构的沉降变形和受力状况等，预防轨道结构发生重大病害并在病害发生后发出警报，便于快速解除险情。轨道结构的监测，主要针对轨道板和钢轨的振动和位移进行实时监测。因为轨道结构过大的振动会降低列车的平稳性，影响舒适感，造成轨道部件的疲劳损伤和破坏，甚至会造成临近建筑物的开裂和疲劳损伤，以及地面软弱地层液化和沉降；高频振动还会产生地铁噪声污染；轨道结构过大的位移会造成轨道几何形位的改变，造成轨道不平整，轨距变化，列车长期运行下会造成轨道波磨和蛇形，降低轨道和车轮的使用寿命，严重的还会造成列车脱轨。
目前在轨道交通领域，尚缺乏面向光纤传感轨道结构状态监测全面地、系统地研究，特别是面向地铁轨道结构状态的光纤传感在线实时地监测研究更加匮乏，例如能够进行连续实时监测的分布式光纤传感系统存在监测精度不高的问题，一般的点式光纤传感器存在监测范围小的问题，而且在具体检测过程中，并没有很好的结合地铁线路双线并行的特点来优化布线方式，监测过程不够高效，未能有效节省监测的器件。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现要素：
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，可以在线实时地监测轨道结构状态，旨在解决现有的地铁轨道监测系统无法高效进行监测的问题。
本实用新型的技术方案如下：
一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，包括多通道光纤解调仪、数据处理终端、报警装置、若干光纤加速度传感器及光纤位移传感器，所述多通道光纤解调仪、数据处理终端及报警装置设置于地铁站，将以地铁站为中心的四个分支方向划分为四个监测区间，监测区间内每个轨道板上均设置有光纤加速度传感器和光纤位移传感器；
所述光纤加速度传感器和光纤位移传感器经通信光缆与多通道光纤解调仪的一个通道相连，以将检测到的加速度和位移数据传输至光纤解调仪；多通道光纤解调仪与数据处理终端电连接，多通道光纤解调仪对数据进行采集、解调处理后将数据传输给数据处理终端，数据处理终端将数据和安全阈值比对，若超出安全阈值则激活报警系统，并对险情发生位置进行定位。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，所述光纤加速度传感器为光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器，用于监测轨道板纵向、横向和竖向振动的加速度。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，所述光纤位移传感器为光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器的组合传感器。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，还包括设置于监测轨道板处并与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光路合束器，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器并联接入光路合束器。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器通过波分复用技术和时分复用技术并联接入光路合束器，所述多通道光纤解调仪为具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅波长解调仪。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，周期切换监测区间并实时监测相应监测区间内每个轨道板的加速度和位移。
所述的地铁轨道监测系统，其中，光纤解调仪的每个通道接入10个光路合束器。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，各光纤传感器内均设置有光纤放大器，用于对光源和传感信号进行放大。
所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，光纤加速度传感器及光纤位移传感器安装于轨道板的中央。
有益效果：本实用新型根据地铁轨道结构上、下行线路并行，且在车站位置联通并具有宽阔空间的特点，将车站位置设为工作区，将多通道光纤解调仪、数据处理终端及报警装置设置在工作区，将车站两侧上、下行线路按四个方向划分为四个监测区间，各监测区间包含若干待测轨道板，每个轨道板处均设置有与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光纤加速度传感器和光纤位移传感器，从而使上、下行线路总计四个监测区间共用一套解调系统、一套数据处理系统、一套报警系统，可以达到减少采集仪数量、节约成本、长远距离监测的目的，可以在线实时地监测轨道结构状态，解决了现有的地铁轨道监测系统无法高效进行监测的问题。
附图说明
图1为本实用新型所述长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统的整体结构示意图；其中，实体箭头表示地铁运行方向。
图2为本实用新型所述长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统某一监测区间的结构示意图；
图3为本实用新型所述由布拉格光纤光栅制成的光纤结构的结构示意图；
图4为本实用新型所述基于双金属膜片的光纤加速度传感器结构示意图；
图5为本实用新型所述tdm/wdm混合传感系统结构原理示意图。
具体实施方式
本实用新型提供一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，如图1~2所示，包括多通道光纤解调仪7、数据处理终端8、报警装置9、若干光纤加速度传感器1、光纤位移传感器。所述多通道光纤解调仪7、数据处理终端8及报警装置9设置于地铁站，将以地铁站为中心的四个分支方向划分为四个监测区间，监测区间内每个轨道板上均设置有光纤加速度传感器1和光纤位移传感器；所述光纤加速度传感器1和光纤位移传感器经通信光缆与多通道光纤解调仪的一个通道相连，以将检测到的加速度和位移数据传输至光纤解调仪7；多通道光纤解调仪7与数据处理终端8电连接，多通道光纤解调仪7对数据进行采集、解调处理后将数据传输给数据处理终端8，数据处理终端8将数据和安全阈值比对，若超出安全阈值则激活与数据处理终端8电连接的报警系统9，并对险情发生位置进行定位。
本实用新型中将车站位置设为工作区，将多通道光纤解调仪、数据处理终端及报警装置设置在工作区，将车站两侧上、下行线路按四个方向划分为四个监测区间，各监测区间包含若干待测轨道板，每个轨道板处均设置有与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光纤加速度传感器和光纤位移传感器，仅需一个多通道光纤光栅解调仪即可同时检测一个监测区间内的所有光纤加速度传感器及光纤位移传感器，从而使上、下行线路总计四个监测区间共用一套解调系统、一套数据处理系统、一套报警系统，可以达到减少采集仪数量、节约成本、长远距离监测的目的。
所述四个监测区间可以同时监测。优选地，所述的地铁轨道监测系统中，周期切换监测区间并实时监测相应监测区间内每个轨道板的加速度和位移，即在一个监测周期中，按次序监测四个待测区间。如此，本实用新型所述的地铁轨道监测系统进行检测时，周期性切换监测区间并实时监测相应监测区间内每个轨道板的加速度和位移；通过波分复用技术和时分复用技术将加速度和位移数据经通信光缆传输至地铁站处的光纤解调仪；光纤解调仪对数据进行采集、解调处理，得到解调数据，将解调数据传输给数据处理终端，数据处理终端将解调数据和安全阈值比对，若超出安全阈值则激活报警系统，并对险情发生位置进行定位。上述方案能够更高效、远距离地对地铁轨道进行检测。
所述光纤加速度传感器及光纤位移传感器分别借助传感器外壳、固定装置、辅助装置安装在地铁轨道板的状态监测点。所述状态监测点优选为轨道板的中央位置，当然也可以换做轨道板的四个角或者其他部位。根据轨道板钢筋布置图，在轨道板中央预先埋设一个用于安装光纤位移传感器和光纤加速度传感器的小孔并避免损伤钢筋。
所述的地铁轨道监测系统，其中，所述光纤位移传感器为光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器2、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器3及光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器4的组合传感器，以实现对轨道板横向、纵向及竖向三个方向的位移监测。
所述的地铁轨道监测系统中，所述光纤加速度传感器1具体为光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器，用于监测轨道板纵向、横向和竖向振动的加速度。
光纤布拉格光栅（fbg）,是在光纤中引入周期性的折射率调制而形成的光波导器件，整个fbg可以看成是一系列周期性排列的单个反射镜面构成的，周围环境变化导致光栅中光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，光被各个镜面反射后在入射端相干叠加形成携带有效信息经解调过的反射光，经过通信光缆送入光电器件，经解调器解调后获得被测参数。由布拉格光纤光栅制成的光纤结构，如图3所示，包括由外至内依次设置的外保护套21、内保护套22、涂覆层23、包层24和纤芯25。
更具体地，所述光纤加速度传感器1为基于双金属膜片的三轴光纤加速度传感器，如图4所示，具体地，所述基于双金属膜片的光纤加速度传感器采用的是迈克尔逊干涉式结构，由可动端盖11、金属膜片12、质量块13、基座14、缠绕光纤15、横向限振片16和固定端盖17构成，由矩形膜片支撑的质量块构成了光纤加速度的敏感元件，光纤迈克尔逊干涉仪的信号臂在一定的预应力作用下缠绕在可动端盖和固定端盖的表面。该传感器感受外界加速度振动信号时，质量块相对于基座产生一个位移，使矩形膜片发生形变，从而导致缠绕在可动端盖和固定端盖表面上光纤长度发生变化。光纤长度的变化通过迈克尔逊干涉仪转化为光相位差的变化。最后由后端单点相位解调网络分析仪提取出相位差信号，从而还原出外界加速度振动信号。另外，横向加速度响应输出是光纤加速度传感器一个重要指标，它直接影响到传感器的指向性性能。为了降低横向加速度响应，提高交叉去敏度，使设计的传感器的主振动模态成为基模非常重要。
所述基于双金属膜片的光纤加速度传感器，其全部由金属构成，在恶劣环境下长期使用具有较高可靠性。将三个基于双金属膜片的光纤加速度传感器两两正交封装，即可构成基于双金属膜片的三轴光纤加速度传感器，其加速度响应在工作带宽5-400hz内达到42db（0db=1rad/g），横向加速度响应被抑制在3db（re:0db=1rad/g）左右，实现了高达-40db的交叉去敏度。所述基于双金属膜片的三轴光纤加速度传感器中的三支光纤加速度传感器的加速度响应一致性起伏较小，约为±2.5db，在宽频带内其加速度响应的信噪比>20db。光纤加速度传感器的噪声水平接近10-5rad/hz1/2，理论上能探测到的最小加速度达到90ng/hz1/2。
解调仪的复用数目可以到达64个通道，通常接32个通道，每通道利用复用技术接10个光纤传感器的情况下精确度较优。当每块轨道板接4个布拉格光纤光栅时，则一套解调仪可以监测80块轨道板。结合本方法将监测区间分为4个，一个检测周期中分4个时段监测的特点，则一套解调仪在一个检测周期中可以监测320块轨道板，累计覆盖一千多公里的监测范围，若各个地铁车站都设置一套监测装置，则可以实现对地铁轨道线路监测的全覆盖。
优选地，所述的地铁轨道监测系统，还包括设置于监测轨道板处并与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光路合束器5，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器2、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器3、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器4及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器并联接入光路合束器5。
更优地，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器通过波分复用技术和时分复用技术并联接入光路合束器，即将每一轨道板上布置fbg板式道床三轴加速度传感器、fbg板式道床横向位移和纵向位移及竖向位移组合传感器（3个传感器），共计4个fbg类传感器阵列,通过波分复用技术和时分复用技术并联入光路合束器，相应地，所述多通道光纤解调仪为具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅波长解调仪。这样各轨道板上并联的4个fbg类传感器阵列的波长输出混合信号分别接至光路合束器，再通过一根通信光缆接至具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅波长解调仪，并占用一个数据通道，既节约了解调仪的数据通道，利用复用技术实现了信号的集成，又通过光路合束器将多根光纤内的信号合并输入至一根光纤，节约了通信光缆。具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅解调仪、数据处理终端及报警装置电路顺序相连，具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅波长解调仪分辨、分离并解调出各数据通道上连接的传感器阵列的波长信号，并将解调出的波长变化信号送往实时数据处理终端及报警装置。
进一步地，可以将多块轨道板上的传感器阵列利用波分复用和时分复用技术进行并联。
所述的光纤布拉格光栅波分复用和时分复用技术。fbg的波分复用技术（wdm）,每个探测点的fbg传感器具有互不重叠的工作波长，宽带光源发出的光经耦合器进入到fbg传感器阵列，fbg传感器阵列所反射回来的多个波长信号将再次经过耦合器进入波长解调系统被逐一解调为单波长信号，与之对应的是fbg传感器阵列中固定的某一个探测点的波长信号，该信号即对应的是fbg传感器阵列中固定的某一探测点的波长信号，该信号即对应于测量点的传感信号。另外，光源也可以是可调谐的激光光源，采用此种光源可以有效提高系统的信噪比。fbg的时分复用技术（tdm）,需和wdm技术结合起来应用，组成tdm/wdm混合传感系统，其中，tdm/wdm混合传感系统结构原理如图5所示，相同的光栅串之间用光纤延迟线连接，光脉冲进入光纤，不同光栅串反射的传感信号光到达波长解调系统后在时间先后次序上分开，从而实现fbg的tdm和wdm传感。为了增加fbg的复用数量，还可以用光纤放大器对光源和传感信号进行放大，即在各传感器里均设置光纤放大器，用于对光源和传感信号进行放大。
在fbg的wdm传感系统中，由于多个fbg共用一个光源，且每个光栅的反射波在一定光谱范围内随待测物理量移动，各个光栅光谱区之间必须互不重叠，且都位于光源的光谱范围内，才能保证他们的测量互不干扰。因此，单个fbg波长的变动范围和光源的光谱范围决定了复用个数。一般的具有波分复用和时分复用功能的解调仪每通道复用光栅传感器个数在10个左右，测得的值精度能有保证，也即优选，光纤解调仪的每个通道接入10个光路合束器。
本实用新型适用于地铁的运营及维护阶段，利用分布在隧道区间重点监测段的fbg板式道床三轴加速度传感器、fbg板式道床横向位移和纵向位移及竖向位移组合传感器，可以实现对轨道结构中板式道床横向振动加速度和纵向振动加速度及竖向振动加速度的监测，对板式道床的横向位移和纵向位移及竖向位移的监测，通过上述监测数据可以构建地铁轨道结构实时安全监测网络，为实现地铁安全、健康有序的运营和养护提供智能化管理和可靠保障。
本实用新型所述的监测系统，可以长时间对多点、多区乃至整个地铁网络中的板式道床的振动、位移进行检测；通过波分及时分复用技术可以极大地节约解调系统的数据通道、通信线路，并且解调系统的每一数据通道可以监测对应的轨道板上的所有待监测内容，集成度高，线路铺设及安装方便；能快速定位，通过分区间监测，解调仪的每一通道又按一定顺序对应相应轨道板上的传感器阵列，一旦检测到异常情况，可以快速锁定发生异常的轨道板在地铁隧道区间的位置；该光纤监测方法是基于波长编码，本质上绝缘，抗击地磁干扰，稳定性好，抗干扰能力强，且不影响列车的在线运营。
另外，本实用新型所述的系统中，可以将地铁轨道结构变为高铁或其他轨道结构。
综上所述，本实用新型提供的地铁轨道监测系统，根据地铁轨道结构上、下行线路并行，且在车站位置联通并具有宽阔空间的特点，将车站位置设为工作区，将多通道光纤解调仪、数据处理终端及报警装置设置在工作区，将车站两侧上、下行线路按四个方向划分为四个监测区间，各监测区间包含若干待测轨道板，每个轨道板处均设置有与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光纤加速度传感器和光纤位移传感器，从而使上、下行线路总计四个监测区间共用一套解调系统、一套数据处理系统、一套报警系统，可以达到减少采集仪数量、节约成本、长远距离监测的目的，可以在线实时地监测轨道结构状态，解决了现有的地铁轨道监测系统无法高效进行监测的问题。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
技术特征：
1.一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，包括多通道光纤解调仪、数据处理终端、报警装置、若干光纤加速度传感器及光纤位移传感器，所述多通道光纤解调仪、数据处理终端及报警装置设置于地铁站，将以地铁站为中心的四个分支方向划分为四个监测区间，监测区间内每个轨道板上均设置有光纤加速度传感器和光纤位移传感器；
所述光纤加速度传感器和光纤位移传感器经通信光缆与多通道光纤解调仪的一个通道相连，以将检测到的加速度和位移数据传输至多通道光纤解调仪；多通道光纤解调仪与数据处理终端电连接，多通道光纤解调仪对数据进行采集、解调处理后将数据传输给数据处理终端，数据处理终端将数据和安全阈值比对，若超出安全阈值则激活报警系统，并对险情发生位置进行定位。
2.根据权利要求1所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，所述光纤加速度传感器为光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器，用于监测轨道板纵向、横向和竖向振动的加速度。
3.根据权利要求2所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，所述光纤位移传感器为光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器的组合传感器。
4.根据权利要求3所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，还包括设置于监测轨道板处并与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光路合束器，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器并联接入光路合束器。
5.根据权利要求4所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，单个轨道板处的光纤布拉格光栅板式道床横向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床纵向位移传感器、光纤布拉格光栅板式道床竖向位移传感器及光纤布拉格光栅板式道床三轴加速度传感器通过波分复用技术和时分复用技术并联接入光路合束器，所述多通道光纤解调仪为具有波分复用和时分复用功能的多通道光纤光栅波长解调仪。
6.根据权利要求5所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，周期切换监测区间并实时监测相应监测区间内每个轨道板的加速度和位移。
7.根据权利要求5所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，多通道光纤解调仪的每个通道接入10个光路合束器。
8.根据权利要求4所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，各光纤传感器内均设置有光纤放大器，用于对光源和传感信号进行放大。
9.根据权利要求1所述的长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其特征在于，光纤加速度传感器及光纤位移传感器安装于轨道板的中央。
技术总结
本实用新型公开了一种长距离、高精度和可切换的地铁轨道监测系统，其中，包括多通道光纤解调仪、数据处理终端、报警装置、若干光纤加速度传感器及光纤位移传感器，所述多通道光纤解调仪、数据处理终端和报警装置设置于地铁站，将以地铁站为中心的四个分支方向划分为四个监测区间，监测区间内每个轨道板处均设置有与多通道光纤解调仪经通信光缆连接的光纤加速度传感器和光纤位移传感器，从而使上、下行线路总计四个监测区间共用一套解调系统、一套数据处理系统、一套报警系统，可以达到减少采集仪数量、节约成本、长远距离、在线实时监测的目的，解决了现有的地铁轨道监测系统无法高效进行监测的问题。
技术研发人员：杜彦良;周瑜;周锐;张文涛
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：.01.28
技术公布日：.01.07
