3/02/2021，光纖在線訊，撰稿 | 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉思佳 編譯  目前全球定位系統(tǒng)（GPS）在世界范圍內(nèi)的覆蓋率高達(dá)98%。在實(shí)際生活中，利用GPS對通行的火車和車輛實(shí)時(shí)定位尤為重要，但由于隧道以及城市峽谷效應(yīng)降低了衛(wèi)星能見度，從而導(dǎo)致GPS無法準(zhǔn)確的定位。而分布式聲學(xué)傳感系統(tǒng)（DAS）對光纖沿線的應(yīng)變變化十分敏感并且安裝在地下光纖上，可以避免隧道以及城市峽谷效應(yīng)所導(dǎo)致的問題。DAS的基本原理就是分布式聲學(xué)傳感器詢問單元將激光脈沖傳輸?shù)焦饫w中，這種光脈沖沿光纖傳播時(shí)，光纖內(nèi)的相互作用產(chǎn)生后向傳輸?shù)娜鹄�散射光，�?dāng)光纖受到外界擾動(dòng)后，其后向瑞利散射光的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化。所以當(dāng)街道級(jí)干擾如火車、車輛通行以及建筑施工等使DAS光纖受到局部應(yīng)變時(shí)，其后向散射光的光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)這些光強(qiáng)的峰值強(qiáng)度就可以測得它們所在的位置以及速度�；�于此原理，加拿大卡爾加里大學(xué)的Robert J. Ferguson研究團(tuán)隊(duì)提出利用DAS系統(tǒng)定位火車來代替GPS定位，或者與GPS系統(tǒng)共同運(yùn)作。

作者將DAS系統(tǒng)安裝到卡爾加里市南北方向的軌道沿線的通訊光纖上，如圖1所示，南北方向的軌道為圖中紅色的線。軌道上運(yùn)行的火車會(huì)使沿線光纖受到應(yīng)變從而導(dǎo)致散射光強(qiáng)發(fā)生變化，通過跟蹤DAS聲場中強(qiáng)度峰值的變化，可以得到運(yùn)行火車在市政廳站（始發(fā)站）和托斯卡納站（終點(diǎn)站）間的走過的DAS距離(dDAS)。


圖1 卡爾加里市輕軌系統(tǒng)地圖
圖源：Journal of Applied Geophysics (2020).
https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104201(Fig1)

但由于DAS系統(tǒng)安裝在埋于地下1m的通訊光纖中，沿著軌道的通訊光纖偶爾會(huì)有彎折，如圖2所示。由于這些彎折導(dǎo)致光纖的長度大于軌道的長度，使DAS系統(tǒng)定位不準(zhǔn)確，所以作者提出建立沿光纖的距離與軌道的經(jīng)緯度之間的對應(yīng)關(guān)系，其中軌道的經(jīng)緯度是由GPS定位得到。同時(shí)，為更加準(zhǔn)確的利用進(jìn)行經(jīng)緯度定位，作者將GPS定位轉(zhuǎn)換成GPS距離(dGPS)，并且將卡爾曼濾波后的dGPS和dDAS與車速表記錄的數(shù)據(jù)位于同一坐標(biāo)系中，其中經(jīng)過卡爾曼濾波的dGPS、dDAS分別定義為kGPS、kDAS。然后將kGPS東西方向和南北方向的距離分別轉(zhuǎn)化為經(jīng)度θk和緯度λk。作者選擇裝有GPS系統(tǒng)的4節(jié)車廂的測試火車，并用DAS系統(tǒng)來記錄這三趟行程中每節(jié)車廂的kDAS。


圖2 卡爾加里市電信光纖地圖
圖源：Journal of Applied Geophysics (2020).
https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104201(Fig3)

通過分析可得，三次行程中的第一次行程的噪聲最小，這與乘客量以及道路交通量有關(guān)，并且測試火車的前兩節(jié)車廂在DAS聲場中的強(qiáng)度最大。由此作者利用第一次行程中的前兩節(jié)車廂得到的經(jīng)緯度以及kDAS數(shù)據(jù)定義了一個(gè)三維分量[kDAS, λk, θk]，這為火車定位提供了一組查找表。如圖3所示，每個(gè)kDAS直接與唯一的[λk, θk]位置相對應(yīng)，而與時(shí)間無關(guān)。只要光纖和輕軌線保持靜止，就可以對運(yùn)行火車進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。最后，作者測得運(yùn)行火車的定位精度為南北方向±30 m，東西方向±60 m。

 
圖3 距離kDAS與位置[λk, θk]關(guān)系
圖源：Journal of Applied Geophysics (2020).
https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104201(Fig18)

文章信息：
Robert J. Ferguson, Matthew A.D. McDonald, David J. Basto, Take the Eh? train: Distributed Acoustic Sensing (DAS) of commuter trains in a Canadian City, Journal of Applied Geophysics, Volume 183, 104201, 2020.
相關(guān)文獻(xiàn)鏈接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092698512030584X
https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104201