智能轨道交通安全监测光纤传感基础研究

Rail transit industry, leading by the high-speed railway systems, has supported the growth of our national economy, therefore investigation of fiber sensor based intelligent monitoring technology could ensure the safety maintenance and continuous growth of high-speed railway systems. However, the high speed operation environments bring about significant challenges for the monitoring techniques in terms of the sensitivity, resolution (accuracy) and real-time response. The project will study about the node-like, semi-distributed and distributed fiber sensor technology for the key components (subgrade, rail/turnout, train body) of 350-km/h and above high-speed railway systems. We will concentrate on the sensor mechanisms for ultra-high sensitivity, ultra-high resolution and ultra-high processing speed, aiming to break the bottleneck of conventional fiber sensor approaches. Major goals include: (1) set up the fiber-sensor based intelligent safety monitoring platform for high-speed railway; (2) bring up a systematic theory about distributed fiber sensor, as well as normalized evaluation parameters; (3) provide highly sensitive techniques for separating the monitoring parameters among vibration and noise, temperature and stress/strain; (4) achieve a series of fiber sensor techniques for mm-scale displacement, nano-scale strain, mm-scale spatial resolution and ms-scale processing speed.(5)demonstrate several fiber sensor applications including rail/turnout temperature-related stress, and comprehensive evaluation of degree of comfort inside the train body.

以高速铁路为代表的轨道交通行业是国民经济重要支撑，研究以光纤传感为主的智能监测技术可以确保高速铁路的安全运维和可持续发展。高速运营环境对监测手段的灵敏度、分辨率（精度）和实时性都提出重大挑战。本项目围绕节点型、准分布式和分布式光纤传感技术，以350-km/h及以上高速铁路车地耦合系统关键环节（路基、轨道/道岔、车体）为主要目标，重点研究超高灵敏度、超高分辨率和超快处理时间的传感机制，突破传统光纤传感监测参数维度容限。主要目标包括：（1）搭建高速铁路光纤传感智能安全监测实验平台；（2）形成系统的分布式光纤传感理论体系，提出归一化评价指标；（3）实现振动与噪声分离、温度与应力/应变分离的高灵敏度传感技术；（4）突破毫米级位移、纳应变级应变、毫米级空间分辨率和毫秒级处理时间光纤传感关键技术；（5）完成轨道/道岔温度应力和车体舒适度综合评价的应用示范。

传统多维多参量光纤传感技术受限于分辨率，灵敏度以及响应时间的相互制约，难以满足智能轨道交通安全监测需求。本项目针对多维多参量传感，通过分析多参量维度内部，维度间的相互作用机制，研究具有超高分辨率、超高灵敏度和超快响应速度的3U光纤传感技术，以支撑智能轨道交通安全监测的发展和需求。同时探索通信感知一体化系统，为基于现有轨道交通通信网络的智能监测提供基础。项目在3U传感机制（多源多维多参量，高速可调谐，时空同步）、3U传感方法技术（特种传感介质，超快解调，多维异质）、3U传感应用（轨道，接触网，真空管道）等研究方向形成特色和影响。.项目执行期间共发表SCI论文60篇，其中SCI二区及以上50篇（多项研究成果发表于国际顶尖光学期刊，包括Light：Science & Applications、Opto-Electronic Advances，Science China Information Sciences等），包括2篇国际期刊特邀综述论文，1篇中文期刊特邀综述论文。发表国际会议25篇，其中三大顶级会议(OFC/ECOC/CLEO)以及光纤传感领域顶级会议（OFS）论文13篇，国际会议特邀报告20余次。申请发明专利16项，其中10项获得授权。主办3次国际学术会议/研讨会，国际学术交流超过20人次。.以项目研究成果为支撑获得2021年教育部技术发明一等奖：高速铁路线路状态多维多参量光纤传感技术；在科学出版社出版著作《轨道交通传感与检测》，参与撰写著作章节《Handbook of optical fibers: Distributed Rayleigh Sensing》，Springer Nature出版社。.研究团队中1名年轻学者获得中国光学工程学会“光华青年”称号。培养研究生30余人（13名博士，20名硕士），其中1名博士获得IEEE光子学会Graduate Fellowship，1名博士获得中国电子教育学会优秀博士论文提名奖，3名博士获得校优秀博士论文，1名博士获校优秀博士论文提名。.本项目的执行为后续高速光纤通信传感一体化系统与关键技术研究奠定良好的基础，符合国家十四五以及未来在宽带网和光电子方向的重点研究布局，具有积极的科学意义和社会价值。