基于布里渊光学相关域分析的分布式光纤传感器实时监测铁路桥梁行车过程中的分布应变

摘要

该研究通过应用基于布里渊光学相关域分析（Bocda）的开发的分布式光纤传感器，展示了在桥梁整个部分的火车通道中发生的铁路桥的分布式轨道和梁的监测。还开发了分布式光纤传感器系统和控制以及分析布里渊增益频谱信号的算法。单模光纤在轨道上的纵向方向上附着，梁的下凸缘用作Bocda系统的传感光纤。在9 Hz测量商业列车通过期间桥梁中心点的梁在桥梁中心点的变化，通过将测量的数据与来自应变计的数据进行比较来验证该测量的准确性。另外，实时测量梁和长度为40.26μm的梁和轨道的分布式应变，其空间分辨率为31.1厘米。基于轨道应变分布的结果，该研究可以识别由于不支持睡眠者对桥梁梁的影响而发生过度应变的位置。

1.介绍

桥梁是一种复杂的立交桥结构，由各种结构部件组成，包括桥面、梁、墩和轴承，允许通过河流、山谷、低洼地区或道路。最近，桥梁结构变得越来越大，这一趋势是由于设计和施工技术的进步，以及电气和电子技术等信息技术的融合。在桥梁结构的建造中，即使应用了改进的设计理论和先进的施工技术，在施工过程中也可能发生破坏。此外，长期使用的桥梁结构暴露在恶劣的外部条件下，容易受到破坏，突然倒塌可能导致巨大的破坏。因此，有必要定期进行无损安全检查，以评估各桥梁构件的状态和安全水平[1，2］．

以前的研究主要涉及通过将电应变仪（ESG）附加到构件来测量桥梁的行为，以便评估它们的最大压力[3.，但这种方法容易受到电磁噪声的影响，而且需要布线来支撑大量应变片。为了克服这些缺点，利用不受电磁波影响的光纤传感器来评估桥梁行为的研究已经在世界各地广泛开展[4，5］．特别是，光纤布拉格光栅(FBG)传感器可以通过测量反射波长的位移来简单测量诸如应变等扰动，而波分复用技术的使用也可以通过用一条线连接多个传感器来同时测量多个点[6］．然而，这种方法也有局限性，即更多的FBG传感器意味着更高的成本，而且它只允许在FBG传感器连接的点进行测量。最近的研究处理了通过在分布式光纤传感器中使用与光纤相连的单线实时测量整个桥的应变，利用光纤中发生的本征光散射现象[7，8］．由于该方法采用光纤作为光通信传感器，不需要任何额外的过程，可以大大降低使用多点传感器的成本。尽管有这样的优势，使用这种方法测量需要几分钟的信号处理，因此只能用于静态测量，涉及车辆停在桥上，而不能用于车辆行驶的动态测量。然而，为了评估桥梁构件的性能，有必要测量车辆通过时桥梁整个截面的应变分布。

本文提出了一种基于布里渊光学相关域分析(BOCDA)的分布式光纤传感器测量铁路桥梁在列车通过过程中应变纵向分布的方法。tight-buffered单模光纤连接在纵向方向上桥的铁路和梁作为上层建筑用作传感光纤,而BOCDA系统的高空间分辨率和高采样率是与光学组件和开发监测传感光纤的电子元件。实时测量了实际商业运行列车通过桥梁时钢轨和主梁上的纵向应变分布，并随机选取桥梁中心位置测量高速下应变随时间的变化。据我们所知，这是第一次使用基于BOCDA的分布式光纤传感器来监测火车通过时铁路桥梁上部结构的钢轨和梁的应变分布。

2.基于BOCDA的分布式光学传感原理

由于其独特属性，光纤可以用作各种物理变量的传感器，这是对外部环境的变化敏感的唯一属性。另外，由于其性质，冗长的光纤可以嵌入结构中，这对于分布式测量是有利的。Rayleigh，Brillouin和拉曼散射是光纤中的主要散射现象，其通过与局部分子的光（即光子）的线性或非线性相互作用发生。布里渊散射是通过传播通过光纤芯的纵向声波的光源散射，其中声波在移动布拉格光栅中发挥作用。由于多普勒效应，布里渊散射的反向散射光的光学频率从入射光的光学频率从入射光效应上升到，其中标志由声波的相对方向与光的相对方向确定。频移的量称为布里渊频率（)，由散射的相位匹配条件决定，如下[9]： 在哪里，,是光纤，声速度和光波长的折射率。在电信波长的单模光纤中，布里渊频率约为10.8 GHz（= 1550 nm）。通过测量光纤中的局部布里渊频率的变化来操作分布式布里渊传感器，这是温度和应变的线性函数。温度和应变敏感性约1 MHz/°C和0.05 MHz/με分别在传统的单模光纤中[10.］．虽然通过光纤中的热激发声波自发地发生布里渊散射，但是当通过不同光学频率的两个反向光波的干扰产生声波产生时，通过刺激的过程也可以通过刺激的处理来获得更强的散射。后一种情况被称为刺激布里渊散射（SBS）。基于SBS的分布布里渊传感器提供比自发散射的幅度大得多，而来自感测光纤的两端的光传播是必要的。

分布布里渊传感器可以根据应用散射过程(自发或受激)的类型和测量域(时间、相关或频率)采取不同的形式，布里渊光学时域分析(BOTDA)、布里渊光学时域反射(BOTDR)、和布里渊光学相关域分析(BOCDA)系统[10.- - - - - -13.］．其中，BOCDA以有限的测量范围为代价，在高空间分辨率(~mm)、高采样率(~kHz)和传感位置的随机访问等方面具有独特的优势，为近距离高分辨率分布式测量提供了一种有效的工具[13.- - - - - -15.］．在Bocda系统中，布里渊信号由SBS之间的SBS产生，由正弦RF波进行频率调制的探针波。空间分辨率（）和传感范围（）测量由调制频率确定（)及调制幅度(通过以下等式的泵和探针波[13.]： 在哪里和分别为光在光纤中的速度和布里渊增益谱的固有线宽(~30 MHz)。

本研究中使用的Bocda涉及通过使用连续波光源在相关域中观察布里渊散射的光。figure1展示了这项技术的基础。

通过以下步骤进行观察:(1）泵浦波和探测波在光纤内部以相反的方向发射，两种波的光学频率被控制为不同。(2）通常对泵浦波和探测波进行正弦频率调制，以产生一个局部相关峰值，在该峰值处泵浦波和探测波之间的频率差保持不变()随着时间而变化，而它在其他地方不断变化。（3） 被扫到光纤的布里渊频率附近，使探测波仅在相关位置获得布里渊增益。（4）在相关位置处的局部布里渊增益谱（BGS）由扫描的探针的功率变化构成。（5）当地的是由BGS中最大增益的频率对应的BGS确定的。（6）通过改变调制频率和步骤（即，所述相关峰值）的测量位置（即，相关峰的位置）可以选择（) - ()是重复的。

分布式应变是由布里渊频率计算出来的如下： 其中应变系数在我们的实验中是4.6。

在以前的工作中[16.[我们对垂直载荷下纵向静态静态应变监测进行了可行性研究，其中成功地获得了2.8米轨道的应变分布曲线。在目前的工作中，我们构建了一个便携式Bocda系统，并将其应用于火车通道中铁路桥的动态和分布式应变监测。

3.桥梁描述

清里大桥位于韩国铁道公社运营的商线清里站和玉山站之间。如图所示，这是一座典型的无砟铁路梁桥2，它可以由于设计均匀而容易地标准化。

均匀性和标准化是维持大型交通网络中的桥梁的优点[17.］．在工作日，包括6列客运、观光列车和货运列车在内的10辆列车以90公里/小时的最高时速运行在这条铁路线上。

桥梁上部结构的设计是基于LS-22铁路荷载条件。钢轨和木枕木放置在无压载的板梁上，板梁通过桥梁支座放置在桥中心的两个桥墩上和桥两端的两个桥台上。i型截面板梁由上翼缘、下翼缘和钢腹板三种型钢构件组成，外钢腹板焊接竖向加强筋。清里桥的规格见表1。

4.实验设置

睡眠的轨底的外表面和较低的外表面法兰梁的桥墩,光纤是附加在纵向方向与地面砂纸去除微小波动,使表面光滑,而灰尘表面与乙醇被抹去了。将光纤沿桥架纵向沿预定位置沿直线放置，然后用0.3 mm厚的PET薄膜附着在桥架表面，如图所示3.。

所使用的光纤是在1550nm的电信波长的单模光纤，而无需任何用于对图中所示的内部结构感测的任何处理4并且是一个涂有Hytrel的紧缓冲纤维，以便容易地传输从外部施加的应变。

表格2列出用于该实验的光纤的更具体的特性。

为了将使用光纤测量的数据进行比较，电应变仪（ESG）连接到轨道以及下凸缘的左侧和右侧，如图所示5。

ESGs的长度为5mm，测量系数为2.08±1%。车轮称重传感器和ESGs分别通过引线连接到数据记录仪(CR9000X, Campbell Sci.)，并通过PS-232C端口连接到计算机进行数据采集。

将连接在钢轨和主梁上的光纤作为单线连接到BOCDA系统，如图所示6（a）。

激光二极管（LD）在1550nm波长发射连续波光，并且通过向LD施加直接电流调制，输出光波以正弦形式以正弦形式调制。当前调制由控制PC控制，以便根据需要精确控制调制频率和幅度以定位感测位置。来自LD的输出由50/50方向耦合器分开到泵和探针臂中。在探针臂中，通过使用单个边带调制器（SSBM）和微波发生器的边带生成技术产生探针波。在泵臂中，泵波由电光调制器（EOM）切成强度，并通过延迟光纤，掺铒光纤放大器（EDFA）和光学循环器发射到光纤中。通过EOM切割的强度以固定频率施加，该固定频率也用作锁定放大器的参考频率，用于锁定BGS的检测。EDFA用于放大高达500 MW的泵波，泵和探针波通过沿彼此相反的方向上附接到桥的光纤传播。

泵和探针波之间的频率偏移由施加到SSBM的微波频率控制，该微波频率被扫过的光纤的布里渊频率附近，以在感测位置获取局部BGS。

在上述设置下，泵浦波和探测波在光纤内部以相反的方向运动，通过SBS诱导探测波获得布里渊增益。探针波通过传感光纤时，由SBS在相关位置放大，然后由光电探测器将振幅转换为电信号。光电探测器的信号由数据采集板采集，锁相放大器消除噪声，控制PC构成目标位置的局部BGS。在锁相检测中，只有泵浦波的同步布里渊增益信号通过锁相放大器进行放大，抑制了不同来源的泵浦波或探测波的强度波动引起的噪声。通过控制PC的寻峰过程得到局部布里渊频率，利用(3.）.表格3.列出组件的规格，以开发图中所示的分布式光纤传感器系统6（b）。

figure7显示控制PC的控制PC算法，用于控制Bocda系统的组件，并用于加工布里渊增益频谱信号。

为了控制BOCDA系统的组件，必须首先初始化组件，然后需要输入连接在桥上的光纤的长度信息。然后必须设置启动和结束测量的位置。根据光纤的测量位置，调整LD电流调制器的电流，调制电压和调制宽度，以配置LD的调制频率。另外，通过调节微波发生器的扫描时间和扫描频率来配置布里渊增益谱的采集频率的范围，并且配置了滤波器和锁定放大器的斩波频率。在局部BGS的处理中，配置了诸如高斯函数和洛伦出函数的非线性近似功能，并且通过曲线配件提取布里渊频率。应变由提取的布里渊频率的变化计算。使用LabVIEW实现了控制PC的算法。

本研究中实现的BOCDA系统通过EOM调制连续波光源发出的光的频率，从而实现安全稳定的光信号调制，而不会造成光源过载或光强度的变化。此外，由于该系统不使用光脉冲进行分布式传感，空间分辨率不受类似脉冲的基于脉冲的系统的限制，允许在高重复率下选择一个特定的部分进行测量。因此，该系统可以快速、有效地应用于应变等扰动的分布式监测。

5.结果和讨论

本研究实验所用列车由8节车厢组成，包括1节柴油机车、1节发电机车厢和6节客车车厢。图为，在商业路线上运行的无穷花号列车8。

柴油机车通过使用推力作为其驱动力来拉动乘用车和发电机车，并且比乘用车更重，因为它配备了柴油发动机，驱动系统和燃料箱[18.］．内燃机车的重量由两个转向架支撑，每个转向架由前、后两个车轴组成。与此同时，由两个轴组成的两个转向架分别在前后支撑发电车和乘用车的重量。

figure9图为，安装在铁轨上的车轮重量传感器测量的无穷花列车在行驶过程中的车轮重量5。

六轮重量显示在左侧的左侧9从机车上发出，平均98.76 kN。发电车和客车的重量平均各为49.97 kN，约为机车的一半。由于每辆客车有不同的客运量和货运量，车轮重量也因客车而异。发电机车和乘用车的车轮重量差异不大。

通过将10.5 GHz到11.1 GHz扫描到11.1 GHz的微波发电机，在Cheong-Ri桥上的30毫秒扫描时，将微波发电机从10.5 GHz扫描到11.1 GHz的微波发电机，在桥梁中间，光纤的光纤。10.。应该注意的是，虽然扫描时间为30 ms时，需要应用泵浦波的正交偏振态进行两次测量，以避免可能的偏振相关信号衰落。因此，单个位置的总测量时间约为100 ms，其中包括用测量的BGS确定布里渊频率的信号处理时间。通过改变激光器的调制频率来改变测量位置需要额外的10 ms，因此局部BGS测量的总体采样率为9 Hz。

在12秒内，布里渊部分频移在0.01 GHz以内。应变计算采用(3.)，根据图中所示的布里渊频率的变化11.。

火车以每小时15公里的速度驶过。图的最左边显示了两个峰值12.为机车通过桥时梁处发生的应变，约为200με。同时，乘用车和发电车通过时发生的拉力约为100με。这是由于发动机、机车和客车之间车轮重量的差异[19.］．峰的可变循环是由机车三轴转向架与乘用车的双轴转向架之间的距离差异引起的，如图所示8。分布式光纤传感器系统的测量频率为9 Hz，而应变分辨率为±15 με。动态数据记录器（CR9000x，CampBell SCI。）用于单独的通道，以使用ESG进行测量。与分布式光纤传感器匹配以及与测量的ESG，确认一个列车通过时的分布式光纤传感器可以充分地测量在梁的应变变化的数据测量的数据。用DOF和ESG测量的部分不同的菌株由比ESG的菌株分辨率相对低于ESG的应变分辨率以及在实验中安装的DOF和ESG之间的测量位置和方向的略微差异，如图所示3（b）。

figure12.展示了用光纤传感器在梁上测量的应变在桥的纵向上的分布。

空间分辨率为31.1厘米，测量在1.1米的间隔以40.26μm的长度进行。在火车通道之前和火车通道期间，从光纤的布里渊频率的变化获得不同位置的应变分布。因为火车车轮重量被施加的位置换档，因为火车通过桥梁时，梁的纵向应变也在图中的一系列应变中表现出动态变化11.。应该指出的是，图中38点的分布式测量12.花了4.2秒，单点采样率为9 Hz，考虑到桥梁上火车通道所需的时间是足够的约10秒。

此外,图13.显示了光纤传感器在桥的纵向上测量到的布里渊频率和应变的分布。

在火车通道期间，由于木枕头的弹性，导轨上下撞击，因此导轨的纵向应变在负值和正值内变化。导轨上的测量应变分布在-98的范围内 με到144年με并且显示了与图中所示的梁相同的趋势12.。但是，在27.5米点，在222米范围之外是一个特别高的值με显示了。这是因为，如图所示14.，木枕头在梁顶部没有紧密支撑，但在睡眠者和梁之间的长度有1.5厘米的间隙，当火车通过这一点时可能导致过度应变。

木枕木一旦安装好，随着时间的推移，其收缩速度会有所不同，从而产生不同的厚度。因此，如果由于上述现象，轨枕与主梁之间存在间隙，则列车通过时将受到巨大的冲击载荷，可能导致轨道损坏变形[20.］．此外，轨道的快速变形可能会破坏运行列车的安全性，同时也会削弱乘坐舒适度。

与上述实验中,应变的分布在铁路和梁作为实验的上层建筑铁路桥梁在列车监控通道实时利用分布式光纤传感器,而桥的位置差距的木质枕木和梁可以检测到。

结论

本文提出了一种基于BOCDA的分布式光纤传感器系统，该系统被认为是最适合测量火车通过时发生在铁路桥梁上部结构钢轨和主梁处的纵向应变分布的类型。并通过实验验证了所研制的传感器系统的性能。基于连续波光源的频率调制对泵浦波和探测波之间的SBS进行局域化，实现了BOCDA系统。本文还提出了一种算法来控制系统以及处理来自布里渊增益谱的信号。

将一根紧缓冲单模光纤连接在实验桥的钢轨和主梁上作为传感器，实时测量列车通过过程中应变的分布。根据桥中心测得的主梁应变，分别识别出内燃机车和客车的应变响应，并与应变仪的数据相吻合。此外，还测量了主梁和钢轨在桥的纵向应变分布。从这个结果，研究可以确定在火车通过时铁轨上的某些点发生了过度的应变，这是由于桥的木枕木和梁之间的间隙。

在该研究中实施的Bocda系统很少受测量期间强度噪声影响，这消除了对重复测量的需求来获得平均数据。因此，信号处理需要较少的时间，使得高速，分布式测量成为可能。此外，因为可以随机选择获得BGS的位置，所以可以选择铁路桥上的任何点以用于高速测量。因此，本研究中提出的系统在大规模的土木工程结构中可以非常有用。

竞争利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

致谢

这项研究得到了韩国政府国土交通部(MOLIT)和韩国基础设施技术振兴院(KAIA)共同资助的“智能民用基础设施研究计划”(14SCIP-B065985-02)的资助。

参考资料

1. A. Au, C. Lam, B. Tharmabala，“公路交通条件下的荷载响应数据监测和荷载测试对钢桥梁抗剪性能的研究”，加拿大土木工程学报，卷。36，不。3，第449-462,2009。视图:出版商网站|谷歌学者
2. M. E. Jemli, R. Karoumi，和F. Lanaro，“使用传统和光纤传感器监测新的Arsta铁路桥”智能结构与材料学报2003:民用基础设施的智能系统与无损评估，卷。5057的Spie诉讼程序，pp。279-288,2003。视图:谷歌学者
3. M. R. Chowdhury和J. C. Ray，“用于桥梁装载测试的加速度计”，NDT和E国际，卷。36，不。4，pp。237-244,2003。视图:出版商网站|谷歌学者
4. R. C. Tennyson, A. A. Mufti, S. Rizkalla, G. Tadros和B. Benmokrane，“用光纤传感器监测加拿大创新桥梁的结构健康”，智能材料和结构，卷。10，没有。3，pp。560-573，2001。视图:出版商网站|谷歌学者
5. G. Kister，R. A. Badcock，Y. M.Gebremichael等，“使用布拉格光栅传感器监测全复合桥”，建筑和建筑材料第21卷第2期7, pp. 1599-1604, 2007。视图:出版商网站|谷歌学者
6. H.-J.Yoon，D. M. Costantini，H.G.Limberger，R.P.Salathé，C.-G。Kim，V.Michaud，“适应性复合材料的原位应变和温度监测”，智能材料系统与结构杂志CHINESE，卷。17，不。12，pp。1059-1067，2006。视图:出版商网站|谷歌学者
7. A. Minardo, R. Bernini, L. Amato，和L. Zeni，“使用布里渊光纤传感器的桥梁监测”，IEEE传感器杂志，第12卷，第2期1, pp. 145-150, 2012。视图:出版商网站|谷歌学者
8. J. He, Z. Zhou, O. jinxi，“基于光纤传感器的自传感智能桥式电缆”，机械系统和信号处理，卷。35，不。1-2，pp。84-94,2013。视图:出版商网站|谷歌学者
9. G. P. Adrawal，非线性光纤，美国加州圣地亚哥学术出版社，第二版，1995年。
10. M.Niklès，L.T​​hévenaz和P.A. Robert，“Brillouin在单模光纤中获得光谱表征，”光波技术学报，卷。15，不。10，pp.1842-1851,997。视图:出版商网站|谷歌学者
11. X. Bao, M. DeMerchant, A. Brown, T. Bremner，“在实验室和现场用分布式布里渊散射传感器测量拉伸和压缩应变”，光波技术学报第19卷第2期11，PP。1698-1704,2001。视图:出版商网站|谷歌学者
12. M. N.Alahbabi，Y.T.Cho和T.P.Newson，“150公里范围的分布式温度传感器，基于完全打磨的自发性布里渊反向散射和在线拉曼放大”，“美国光学学会学报B：光学物理学第22卷第2期6，页1321-1324,2005。视图:出版商网站|谷歌学者
13. K. Hotate和T. Hasegawa，“使用基于相关的技术测量沿光纤的布里渊增益频谱分布——建议、实验和模拟，”电子学报，第83卷，第83期3, 2000。视图:谷歌学者
14. 宋克英，“基于布里渊光学相关域分析的空间分辨率分布应变测量”，光学信，卷。31，不。17，pp。2526-2528,2006。视图:出版商网站|谷歌学者
15. K. Y. Song和K. Hotate，“基于布里渊光学相关域分析的1 khz采样率分布式光纤应变传感器”，IEEE Photonics Technology字母第19卷第2期23页，1928-1930,2007。视图:出版商网站|谷歌学者
16. H.-J.yoon，k ..歌曲，J.-S.Kim和D.-S.KIM，“利用分布式光纤传感器的纵向应变监测基于布里渊光学相关域分析”，“NDT和E国际，第44卷，第5期。7, pp. 637-644, 2011。视图:出版商网站|谷歌学者
17. J. Zhao和D. Tonias，桥梁工程学，麦克劳，纽约，纽约，美国，2012年第3版。
18. M. J. haeman, J. Long, D. L. Plette，《柴油电力机车推进系统——展望未来》，IEEE行业应用的交易第22卷第2期3，第495-501页，1986。视图:出版商网站|谷歌学者
19. R. Karoumi, J. Wiberg，和A. Liljencrantz，“使用仪器铁路桥监测交通负荷和动态影响”，工程结构第27卷第2期12，页1813-1819,2005。视图:出版商网站|谷歌学者
20. J. Shi，A. H. Chan和M. P. N. Burrow，“不支持枕头对重型铁路路堤动态反应的影响”，机械工程师学会论文集，第F部分:轨道和快速交通学报，卷。227，没有。6，pp。657-667，2013。视图:出版商网站|谷歌学者

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