【摘要】：高速鐵路周界安全防護(hù)是高速列車安全運(yùn)行的基本保障。高速鐵路分布范圍廣、距離長,氣候地理環(huán)境復(fù)雜多變,構(gòu)建一套高效智能的安全監(jiān)測系統(tǒng),準(zhǔn)確判別廣域鐵路周界的潛在危害行為,具有極其重要的科學(xué)研究和工程應(yīng)用價(jià)值。光纖震動傳感具有感知距離長、靈敏度高、施工簡單等特點(diǎn),非常切合高速鐵路這類線性分布大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測需求。然而,為了捕獲大范圍鐵路周界的震動時(shí)空信息,滿足鐵路周界安全監(jiān)測工程需求,光纖震動傳感面臨著數(shù)據(jù)并發(fā)量大、入侵震動模式復(fù)雜多樣、長期穩(wěn)定運(yùn)行等技術(shù)難題。為此,本文以提高鐵路周界安全系統(tǒng)模式識別的快速準(zhǔn)確性為目標(biāo),從光纖M-Z干涉震動檢測原理入手,重點(diǎn)研究廣域多路并發(fā)震動信號高速采集方法和快速模式識別算法,利用軟硬件協(xié)同處理,提出了環(huán)境自適應(yīng)的模式識別算法,并在動車組站通過了驗(yàn)證。論文工作包括以下三個(gè)方面:(1)提出了一種基于FPGA多路震動數(shù)據(jù)提取的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。針對入侵震動信號和系統(tǒng)靜默信號的特點(diǎn),利用FPGA實(shí)現(xiàn)了震動信號的快速定位提取,并對震動信號進(jìn)行預(yù)處理來提高上位機(jī)對入侵模式的識別速率。針對異常狀況下數(shù)據(jù)的可靠傳輸問題,采用乒乓操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,解決了入侵?jǐn)?shù)據(jù)的高速傳輸和異常狀態(tài)下入侵?jǐn)?shù)據(jù)的可靠保存。(2)設(shè)計(jì)了針對震動信號時(shí)域、頻域的快速特征提取方法。針對不同類型入侵事件的特點(diǎn)和分類器需求,利用短時(shí)過零數(shù)、FFT變換和EMD實(shí)現(xiàn)對震動信號進(jìn)行分層次的特征提取,得到能完整反映震動事件的特征向量,并且減小了系統(tǒng)的計(jì)算量,提高了特征提取效率。(3)研究了一種環(huán)境自適應(yīng)的模式快速分類方法。鐵路周界具有樣本獲取困難、入侵模式多樣和環(huán)境多變的特點(diǎn),采用K最近鄰均值與SVM相結(jié)合的分類算法,實(shí)現(xiàn)入侵信號的快速準(zhǔn)確分類。對于有效震動,通過對震動信號的特征進(jìn)行學(xué)習(xí)和處理來實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自適應(yīng)。本文研究光纖振動傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速鐵路周界入侵震動的快速準(zhǔn)確檢測與識別,并在佛山動車所進(jìn)行了現(xiàn)場工程驗(yàn)證,達(dá)到了誤報(bào)率低、模式識別快速準(zhǔn)確的安全監(jiān)測要求。
【圖文】：

光纖的芯徑、折射率和光纖長度發(fā)生變化，由于不同光纖參數(shù)不同，這樣就導(dǎo)致逡逑兩束相干光的相位發(fā)生相對變化，在耦合器２內(nèi)干涉后光強(qiáng)發(fā)生變化，通過光電逡逑轉(zhuǎn)換器檢測相干光強(qiáng)得到相位相位差。Ｍ－Ｚ干傳感器光路如圖２－１所示：逡逑震動逡逑ＶＪＳ＾Ｔ＞－逡逑參考臂逡逑光電轉(zhuǎn)換邋，邐逡逑圖２－１邋Ｍ－Ｚ干涉?zhèn)鞲衅鞴饴峰义希疲椋纾酰颍邋澹玻卞澹希穑簦椋悖幔欤穑幔簦桢澹铮驽澹停阱澹椋睿簦澹颍妫澹颍澹睿悖邋澹螅澹睿螅铮蝈义希峰义?

圖２－２光電傳感器輸出信號逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｏｕｔｐｕｔ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｏｆ邋ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑當(dāng)Ｍ－Ｚ干涉光纖傳感臂上發(fā)生擾動事件時(shí)，相位差函數(shù)在短時(shí)內(nèi)發(fā)生逡逑劇烈變化，而ＰＤ轉(zhuǎn)化后的電壓信號Ｍ（ｔ）與震動引起的相位光強(qiáng)呈線性關(guān)系，逡逑那么光纖震動信號的解調(diào)可以通過光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號的頻率和幅度解調(diào)來實(shí)逡逑現(xiàn)。然而一次外部入侵震動引起多次Ｗ（ｔ）函數(shù)發(fā)生周期和震動幅度的變化，因此逡逑可以利用震動信號的波動頻率和幅度來對震動特征進(jìn)行分類。逡逑２．２鐵路周界震動信號分析和模式識別方法逡逑由上面分析可知，光電轉(zhuǎn)換后電信號的波動頻率和幅度與光強(qiáng)存在線性關(guān)系，逡逑通過對電信號的分析來實(shí)現(xiàn)對光信號的解調(diào)，，從而實(shí)現(xiàn)對入侵震動的檢測。針對逡逑鐵路周界特殊的應(yīng)用場景，系統(tǒng)在震動信號特征提取時(shí)采用時(shí)域和頻域相結(jié)合的逡逑方式，得到震動信號的震動頻率和幅度的特征信息，根據(jù)這些信息進(jìn)行入侵模式逡逑的識別。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;U298

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2690086