本申請涉及用于使用光纖分布式感測來監(jiān)視在鐵軌軌道上移動的列車以檢測輪組（wheelset）中的異常的方法和裝置，并且特別地涉及輪組的滾動部件中的異常的檢測，特別是車輪扁疤（wheel flat）的檢測。

背景技術(shù)：

為安全起見，存在檢測鐵軌車輛的輪組中的異常的明確期望。甚至列車的單個車輪的故障可能潛在地導致脫軌，這具有潛在的嚴重后果。

希望檢測的一個這樣的車輪缺陷是車輪扁疤。車輪扁疤是車輪形狀的缺陷，例如車輪的從正常的大致圓形形狀變形的區(qū)域。車輪扁疤可以例如包括在車輪上的相對平坦的部位。車輪扁疤可能例如由列車輪組沿著鐵軌的打滑而引起。這可能例如在一些制動狀態(tài)下發(fā)生，例如重制動或者在列車制動器未被正確地應(yīng)用的情況下。滑的鐵軌或者滑動和滑行條件也可能導致列車車輪開始打滑，如果打滑延伸超過鐵軌的滑的部分，該打滑可能導致問題。當車輪被沿著鐵軌拖動時，車輪形狀可能變形。

產(chǎn)生車輪扁疤的車輪可能以各種方式存在問題。生成車輪扁疤的過程可能已經(jīng)損壞了輪組，例如由于在在車輪打滑期間生成的熱量而損壞了輪組。此外，具有車輪扁疤的區(qū)域在車輪旋轉(zhuǎn)期間將趨于沖擊鐵軌。對車輪的重復沖擊可能導致車輪和/或可能的相關(guān)的軸承組件的進一步損壞。此外，車輪扁疤可能導致鐵軌軌道本身的損壞。在極端情況下，這可能導致車輪或鐵軌軌道發(fā)生災(zāi)難性故障。車輪扁疤也可能使車輪變形，從而改變車輪與制動塊之間的間隙，這可能導致問題。

因此，存在對檢測車輪扁疤的明確期望，以使得可以應(yīng)用預防性維護。車輪扁疤檢測的最基本的方法是由維護人員對列車輪的視覺檢查。然而，這種方法是耗時的，因為每個車輪必須被單獨檢查，并且通常列車必須在車輪的兩次或多次檢查之間移動，或者可能以低速連續(xù)移動，以使得可以檢查每個車輪的整個周長。

一些車輪扁疤檢測方法依賴于檢測可能導致車輪扁疤的狀態(tài)，例如，列車車輪的打滑。如果確定列車或特定的車輪已經(jīng)打滑，則這可以觸發(fā)警報并且提示適當?shù)臋z查。

同樣已經(jīng)提出了使用聲學監(jiān)視來提供車輪扁疤的檢測。如上所述，在具有車輪扁疤的車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪扁疤將會沖擊鐵軌，這可能產(chǎn)生沖擊噪聲。在列車移動時，來自車輪扁疤的重復沖擊將因此典型地導致歸因于重復沖擊的重復噪聲。該重復的沖擊噪聲可以用作指示車輪扁疤的聲學識別標志。因此，已經(jīng)提出了在鐵軌軌道的附近放置諸如麥克風之類的聲學換能器，以在列車通過時聽取由列車生成的聲音。如果要檢測具有顯著周期分量的聲學信號，則這可以用作可能的車輪扁疤的指示。

車輪扁疤檢測的聲學監(jiān)視提供了若干益處。單個軌道旁傳感器可以提供對通過該傳感器的所有列車的自動監(jiān)視，并且不需要在列車自身上的任何感測設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例涉及通過聲學/振動檢測來檢測鐵軌車輛的輪組的滾動部件中的車輪扁疤和/或其他相關(guān)缺陷，并且旨在提供改進的檢測/區(qū)別。

因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種檢測列車輪組中的異常的方法，包括：

當列車沿著軌道的至少一部分移動時，獲得由具有沿著鐵軌軌道的該部分部署的感測光纖的分布式聲學傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，其中，所述數(shù)據(jù)對應(yīng)于由所述感測光纖的多個縱向感測部分所檢測到的聲學信號；

分析所述聲學信號以確定列車速度；以及

分析來自所述縱向感測部分的所述聲學信號以獲得特征聲學信號，以便檢測輪組中的異常；

其中所述特征聲學信號基于所確定的列車速度。

因此，本發(fā)明的該方面的方法使用光纖分布式聲學感測（DAS）的原理。分布式聲學感測是已知類型的感測，其中，光纖被部署為感測光纖，并且利用電磁輻射重復地詢問以提供沿著光纖的長度的聲學活動的感測。通常，一個或多個輸入輻射脈沖發(fā)射到光纖中。通過分析從光纖內(nèi)反向散射的輻射，光纖可以有效地分成多個離散的感測部分，這些感測部分可以是（但不一定是）連續(xù)的。在每個離散感測部分內(nèi)，光纖的機械擾動（例如，由入射聲波引起的應(yīng)變）導致從該部分反向散射的輻射的性質(zhì)的變化。該變化可以被檢測和分析并用于給出在該感測部分處的光纖的擾動強度的測量。因此，DAS傳感器有效地用作光纖的聲學感測部分的線性感測陣列。光纖的感測部分的長度由詢問輻射的特征和應(yīng)用于反向散射信號的處理來確定，但通常可以使用幾米至幾十米左右的量級的感測部分。如在本說明書中所使用的，術(shù)語“分布式聲學感測”將理解為意指通過以光學方式詢問光纖以提供沿著光纖縱向分布的多個離散聲學感測部分的感測，并且術(shù)語“分布式聲學傳感器”將被相應(yīng)地解釋。術(shù)語“聲學”意指可以導致光纖上的應(yīng)變變化的任何類型的壓力波或機械擾動，并且為了避免懷疑，術(shù)語“聲學”被認為包括超聲波和次聲波以及地震波。

DAS可以被操作以在長的光纖長度上提供許多感測通道，例如DAS可以應(yīng)用在具有大約10m長的連續(xù)感測通道的長達40km或更長的光纖長度上。因此，可以監(jiān)視長的鐵路長度，但是具有高空間分辨率采樣。對于大于40km左右的長度，可以以各種間隔部署若干個DAS傳感器單元，以提供對任何期望長度的鐵路的連續(xù)監(jiān)視。

在多個單獨的通道（其可以在鐵路的長的長度上連續(xù)的）上檢測聲學信號的能力允許在比常規(guī)的軌道旁傳感器的情況下更長的時間段內(nèi)檢測信號，并且還允許在不同的列車速度范圍下檢測信號。

分析聲學信號以確定列車速度可以因此包括至少識別列車以第一速度行進的軌道的第一區(qū)段和列車以不同的第二速度行進的軌道的第二區(qū)段。在這種情況下，分析聲學信號以獲得特征聲學信號可以包括基于第一速度分析來自軌道的第一區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號，以及基于第二速度分析來自軌道的第二區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號，以檢測在與所述列車速度成比例地變化的頻率處的重復信號。

在一些實施例中，在多于一個速度處存在并且具有與列車速度成比例而變化的頻率分量的聲學信號的存在本身可以用作異常的指示。

在一些實施例中，特征聲學信號可以包括具有特征值和與所確定的列車速度成比例的特征頻率的重復信號。

在一些實施例中，所述特征聲學信號可以包括來自具有特征值和與所述第一列車速度成比例的特征頻率的軌道的第一區(qū)段的來自所述縱向感測部分的聲學信號中的第一重復信號，和來自具有相同特征值和與所述第二列車速度成比例的特征頻率的軌道的第二區(qū)段的來自所述縱向感測部分的聲學信號中的第二重復信號。

所述特征值可以對應(yīng)于針對所述輪組的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，所述旋轉(zhuǎn)參數(shù)與當所述列車行進給定距離時所述旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)程度有關(guān)。例如，為了檢測車輪扁疤，相關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件是列車車輪，并且特征值是車輪直徑的倒數(shù)。

在一些實施例中，該方法可以包括分析所述聲學信號以獲得具有在特征頻率范圍內(nèi)的頻率的重復信號，其中，所述特征頻率范圍對應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)參數(shù)的值的范圍。額外地或替代性地，該方法可以包括分析所述聲學信號以獲得具有對應(yīng)于多個特征頻率之一的頻率的重復信號，其中，每個特征頻率基于不同的旋轉(zhuǎn)參數(shù)值。所述不同的旋轉(zhuǎn)參數(shù)值中的至少一些可以對應(yīng)于針對所述輪組的一個部件的不同的可能值。額外地或替代性地，所述不同的旋轉(zhuǎn)參數(shù)值中的至少一些可以對應(yīng)于針對所述輪組的不同部件的旋轉(zhuǎn)參數(shù)值。

例如，為了檢測車輪扁疤，旋轉(zhuǎn)部件是車輪，并且旋轉(zhuǎn)參數(shù)基于車輪的已知或估計的直徑。然而，車輪的準確直徑可能不是已知的，并且因此可能的車輪直徑的范圍或集合可以用于限定車輪的可能的特征值的范圍和或集合。此外，列車車輪通常具有意味著直徑跨車輪而改變的輪廓。因此，對于標稱車輪直徑，可以存在特征值的范圍。此外，在一些實施例中，該方法可以尋找不同分量中的異常，并且軸承的特征值例如將不同于用于車輪的特征值。

在一些實施例中，分析來自所述縱向感測部分的聲學信號以獲得特征聲學信號可以包括：由通過不同的貢獻感測部分順序地檢測到的聲學信號形成至少一個測量信號，其中，選擇所述感測部分以使得貢獻感測部分的沿著光纖的位置與所述列車一起移動?？梢曰谒_定的列車速度來順序地選擇縱向感測部分。

雖然該方法可以應(yīng)用于先前已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)，但該方法還包括使用DAS傳感器實際檢測聲學信號。因此，該方法可以包括通過使用詢問器單元利用詢問輻射的一個或多個脈沖重復地詢問所述感測光纖來獲取所述數(shù)據(jù)，檢測從所述光纖內(nèi)反向散射的任何詢問輻射，并且處理所述檢測到的反向散射輻射以提供所述數(shù)據(jù)。

可以沿著鐵軌軌道的一部分部署感測光纖，這里，例如通過軌道的存在第一平均速度的至少第一區(qū)段和軌道的存在第二不同的平均速度的第二區(qū)段，當列車沿著軌道移動時預期列車的速度改變。光纖可以例如位于相對尖銳的彎曲部之前和之后和/或靠近車站。

該方法可以由適當編程的計算機實現(xiàn)，并且在另一方面，提供了一種在非暫時性存儲介質(zhì)上的計算機程序，該計算機程序包括用于指示合適的計算機執(zhí)行上述任何變體的方法的計算機可讀代碼。

在另一方面，提供了一種用于檢測列車輪組中的異常的裝置，包括：

分布式聲學傳感器詢問器單元，其用于在列車沿著軌道的至少一部分移動時詢問沿著鐵軌軌道的該部分部署的感測光纖，以提供與由所述感測光纖的多個縱向感測部分檢測到的聲學信號相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；以及

處理器，其被配置為：

分析聲學信號以確定列車速度；以及

分析來自所述縱向感測部分的聲學信號以獲得特征聲學信號，以便檢測輪組中的異常；

其中，所述特征聲學信號基于所確定的列車速度。

附圖說明

根據(jù)本發(fā)明的該方面的設(shè)備可以利用上述任何變型實現(xiàn)。

現(xiàn)在將僅通過示例的方式關(guān)于附圖來描述本發(fā)明，其中：

圖1圖示了常規(guī)DAS傳感器；

圖2圖示了DAS傳感器可以如何沿著鐵路部署；

圖3圖示了當列車移動時車輪扁疤可以如何產(chǎn)生沖擊聲音；

圖4圖示了聲學纖維的虛擬感測部分可以如何與列車一起移動；以及

圖5圖示了部署在列車速度的變化是預期列車的區(qū)域中的DAS傳感器。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例使用光纖分布式聲學感測（DAS），其中，沿著鐵軌軌道的至少一部分部署感測光纖，以在列車在該鐵軌軌道上移動時提供對列車輪組中的異常的檢測。光纖DAS的使用意味著可以監(jiān)視相對長的軌道區(qū)段，這提供了在移動的列車在相對長的距離上移動和/或移動達顯著的時間段而且在軌道的不同區(qū)段以不同的速度移動時，監(jiān)視由該移動的列車生成的聲學信號的能力。這可以改善由于列車輪組的滾動部件的缺陷所導致的信號分量的檢測。

如上所述，由于車輪扁疤在鐵軌上的重復沖擊，在列車的車輪中的諸如車輪扁疤之類的缺陷將導致在列車移動時由列車生成的重復噪聲。然而，將理解的是，由任何這種缺陷產(chǎn)生的噪聲將僅僅是由列車運動生成的聲音范圍中的一個，并且在一些情況下，可能難以將由于諸如車輪扁疤之類的缺陷而導致的信號分量與其他噪聲源區(qū)別開。

已知由車輪扁疤產(chǎn)生的缺陷噪聲的頻率將取決于列車速度以及車輪直徑。如果列車速度和相關(guān)的車輪直徑是已知的，則因此可以尋找在特定的感興趣的頻率處的聲學信號分量。即使準確的車輪直徑不是已知的（例如因為具有不同車輪直徑的多個不同的鐵軌車輛在軌道上運行），也將可以基于假定可能的車輪直徑或可能的車輪直徑的范圍來尋找多個候選頻率或在某個預期的頻率范圍內(nèi)尋找。

使用DAS來檢測來自列車的聲學信號允許當列車移動時由列車生成的聲學信號被監(jiān)視達比使用在給定位置處的軌道旁麥克風將可能的更長時期，從而有效地提供更多的測量并且因此改善信噪比（SNR）。來自DAS傳感器的信號還可以用于確定列車速度，從而允許確定與缺陷相關(guān)聯(lián)的感興趣的特定頻率（即特征頻率），而不需要一些其他傳感器來確定列車速度或者從列車本身接收關(guān)于列車速度的信息。此外，可以分析由列車在列車的兩個或更多個不同速度下生成的聲學信號。這可以改善由諸如車輪扁疤之類的缺陷生成的任何聲學信號的檢測。

如上所述，由移動列車上的諸如車輪扁疤之類的缺陷生成的重復聲學信號的頻率與列車速度成比例（并且對于車輪扁疤，與車輪直徑成反比）。通過在不同的列車速度下監(jiān)視由DAS傳感器檢測到的聲學信號，由于諸如車輪扁疤之類的缺陷導致的任何分量將變得更加明顯。特別地，尋找與列車速度成比例地變化的信號分量可以幫助識別由諸如車輪扁疤之類的缺陷產(chǎn)生的信號并且消除來自其他重復信號的假警報，該其他重復信號可能由列車運動或環(huán)境中的其他地方生成但是不與列車速度一起縮放（scale with）。

下面將描述本發(fā)明的實施例的其他示例和優(yōu)點。將主要關(guān)于車輪扁疤的檢測來描述本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于檢測列車輪組的滾動部件中的其他缺陷。術(shù)語“滾動部件”被認為意指當列車移動時列車輪組的旋轉(zhuǎn)或滾動的那些元件，以及與移動部分接觸的部件，例如，車輪、軸承、軸承殼體、軸等。因此，術(shù)語“輪組”應(yīng)被認為意指列車的組件，其包括列車的車輪、軸和軸承或軸承組件。術(shù)語“列車”應(yīng)被認為包括任何類型的鐵軌車輛，其包括機車和任何鐵軌車廂。一般來說，術(shù)語“車輪”應(yīng)被認為意指包括任何輪胎（如果存在的話）的車輪。

本發(fā)明的所述實施例采用分布式聲學感測（DAS）。

圖1示出了分布式光纖感測裝置的示意圖。感測光纖104的長度在一端處可拆卸地連接到詢問器106。來自詢問器106的輸出被傳遞到信號處理器108并且可選地傳遞到用戶接口/圖形顯示器110，信號處理器108可以與詢問器共置（co-locate）或者可以遠離詢問器，用戶界面/圖形顯示器110在實踐中可以通過適當指定的PC來實現(xiàn)。用戶界面可以與信號處理器共置或者可以遠離信號處理器。

感測光纖104的長度可以是許多千米，并且該長度可以是例如40km或更長。感測光纖可以是標準的、未修改的單模光纖，諸如常規(guī)地用在電信應(yīng)用中的光纖，而不需要刻意引入的反射位置，諸如光纖布拉格光柵等。使用未修改長度的標準光纖來提供感測的能力意味著可以使用低成本的、易于獲得的光纖。然而，在一些實施例中，光纖可以包括已經(jīng)被制造為對入射振動特別敏感的光纖。將通過以電纜結(jié)構(gòu)包含光纖來保護光纖，該電纜結(jié)構(gòu)可以包含多于一個光纖。在使用中，光纖104被部署在待監(jiān)視的感興趣的區(qū)域中，在本發(fā)明中，該區(qū)域可以沿著將要描述的鐵路的路徑。

在操作中，詢問器106將詢問電磁輻射發(fā)射到感測光纖中，該詢問電磁輻射可以例如包括具有選定頻率模式的一系列光脈沖。光脈沖可以具有英國專利公開GB2,442,745中描述的頻率模式或者諸如WO2012 / 137022中描述的光學特性，其內(nèi)容據(jù)此通過引用并入本文，盡管也已知并且可以使用依賴于單個詢問脈沖的DAS傳感器。應(yīng)注意，如本文所使用的，術(shù)語“光”不限于可見光譜，并且光輻射包括紅外輻射和紫外輻射。如GB2,442,745和WO2012/137022中所描述的，瑞利反向散射的現(xiàn)象導致輸入到光纖中的光的某部分被反射回詢問器，在該詢問器處，光被檢測以提供表示光纖附近的聲學擾動的輸出信號。因此，詢問器合宜地包括至少一個激光器112和至少一個光學調(diào)制器114，以用于產(chǎn)生分離達已知的光學頻率差的多個光脈沖。詢問器還包括至少一個光電探測器116，該光電探測器116被布置為檢測從光纖104內(nèi)的固有散射位置瑞利反向散射的輻射。瑞利反向散射DAS傳感器在本發(fā)明的實施例中非常有用，但是基于布里淵或拉曼散射的系統(tǒng)也是已知的并且可以在本發(fā)明的實施例中使用。

來自光電探測器的信號由信號處理器108處理。信號處理器基于光脈沖之間的頻率差合宜地解調(diào)返回的信號。處理器可以處理檢測到的反向散射，例如如在GB2,442,745，WO2012/137021或WO2012/137022中的任一者中所描述的。信號處理器還可以應(yīng)用相位解纏（unwrap）算法。因此，可以監(jiān)視來自光纖的各個區(qū)段的反向散射光的相位。因此，可以檢測給定光纖區(qū)段內(nèi)的有效光程長度的任何變化，諸如由于引起光纖上的應(yīng)變的入射壓力波所導致的變化。

光輸入的形式和檢測方法允許單個連續(xù)光纖在空間上分解成離散的縱向感測部分。也就是說，在一個感測部分處感測的聲學信號可以基本上獨立于在相鄰部分處的感測信號而被提供。應(yīng)注意，術(shù)語“聲學”應(yīng)被認為意指在光纖上產(chǎn)生的任何類型的壓力波或變化的應(yīng)變，并且為了避免疑問，術(shù)語“聲學”將在說明書中使用以包括地震信號和波或其他類型的振動。

這樣的傳感器可以被看作是完全分布的或固有的傳感器，因為該傳感器使用在光纖中固有處理的固有散射，并且因此遍及整個光纖分布感測功能。光纖的感測部分的空間分辨率可以例如是大約10m，其對于大約40km的連續(xù)長度的光纖例如提供沿著40km的鐵路部署的4000個左右的獨立的聲學通道。這可以有效地提供整個40km的軌道區(qū)段的同時監(jiān)視。在列車監(jiān)視的應(yīng)用中，各個感測部分可以各自具有大約10m或更小的長度。

由于感測光纖相對便宜，所以感測光纖可以被以永久的方式部署在一個位置，因為將光纖留在原位的成本不顯著。光纖可以被沿著軌道部署并且可以例如沿著軌道的區(qū)段埋設(shè)。

圖2圖示了具有沿著軌道埋設(shè)的光纖的鐵軌軌道201的區(qū)段。如上所述，可以在大約40-50km的光纖長度上執(zhí)行光纖感測。然而，對于一些DAS傳感器，可能難以沿著光纖可靠地感測超過50km左右。40-50km 的長度可能足以監(jiān)視例如主站之間的期望的軌道區(qū)段，并且其他光纖可以被部署成監(jiān)視其他軌道區(qū)段。對于非常長的軌道而言，可能必須將若干DAS傳感器鏈接在一起。圖2圖示了一個詢問器單元106，其被布置為監(jiān)視沿著軌道的一個部分部署的一個光纖104a和沿著軌道的另一長度部署的另一光纖104b。詢問器單元可以容納兩個激光器和檢測器等，即用于每個光纖的專用部件或可以在兩個光纖之間復用的激光器以及可能地檢測器。在例如40km 的光纖104b之后，可以部署由另一詢問器單元所監(jiān)視的另一光纖。因此，在詢問器單元之間可能存在80km左右。

在使用中，詢問器如上所述地操作以沿著軌道的路徑提供一系列聲學感測通道，該一系列聲學感測通道可以但是不必是連續(xù)的。感測光纖的路徑是已知的，以及因此光纖的單獨的感測部分所對應(yīng)的鐵軌軌道的區(qū)段也將是已知的。在使用中，可以檢測和分析由沿著軌道201運動的列車202生成的聲學信號，以檢測諸如車輪扁疤之類的缺陷。因此，DAS傳感器提供了可以以相對高的空間分辨率監(jiān)視長的長度的軌道的監(jiān)視系統(tǒng)。如所述，感測部分的長度可以是數(shù)米的量級。然而，部署傳感器僅僅涉及沿著軌道的路徑布設(shè)光纖電纜-并且在某些情況下，合適的光纖可能已經(jīng)就位。

因為顯著的軌道長度可以由光纖的連續(xù)感測部分來監(jiān)視，所以它可以相對直截了當?shù)貦z測沿著軌道的列車移動。顯然，列車的移動將創(chuàng)建一些噪聲，由于機車的引擎噪聲、由于列車車廂和耦合部的噪聲、以及由于軌道上的車輪的噪聲。聲學信號將在列車附近最大并且因而著眼于由傳感器檢測到的信號的強度，來自與列車的當前位置相鄰的光纖的感測部分的返回將表現(xiàn)出相對高的聲學強度。因此，通?？梢酝ㄟ^檢測感測光纖的感測部分中的相對高強度的連續(xù)聲學擾動來確定列車移動時的列車位置。

因此，有可能通過當聲學噪聲沿著DAS光纖的感測通道移動時監(jiān)視聲學噪聲的連續(xù)周期來確定列車沿著軌道的速度v。

此外，將通過列車附近的光纖104的感測部分來檢測當列車移動時由列車生成的聲學信號。在諸如車輪扁疤之類的缺陷的情況下，該聲學信號可以包括與如關(guān)于圖3所圖示的列車的速度v相關(guān)的聲學分量。圖3圖示了在列車以基本上恒定的速度v移動時沿著軌道302滾動的單獨的列車車輪301。圖3圖示了直徑為D的車輪具有平坦部位303。左手側(cè)示出了車輪處于第一位置處，這里平坦部位303相對遠離鐵軌。圖3的中間所圖示的位置示出了剛好在平坦部位與鐵軌接觸之前的車輪，并且右手側(cè)示出了沖擊到鐵軌上并且由于沖擊而生成增加的噪聲的平坦部位。

將理解的是，因此將存在車輪每轉(zhuǎn)一圈生成一次的沖擊噪聲。假設(shè)列車以恒定速度v（米每秒）移動而不滑動，并且車輪直徑為D米，則重復的沖擊噪聲的頻率將為v/π.D HZ。因此，例如，具有1m的標稱車輪直徑的以50mph（大約80.5km每小時或22.4ms^-1）行進的列車將生成大約7.1Hz的頻率處的重復的沖擊噪聲。

當然，應(yīng)當理解，大多數(shù)列車車輪具有胎面輪廓，從而使得輪胎旨在接觸鐵軌的胎面部分具有截頭圓錐形形狀，并且因此車輪與鐵軌接觸的部分的直徑可以變化。因此，在實踐中，給定列車速度、標稱車輪直徑和胎面輪廓，則沖擊噪聲將具有預期的頻率范圍。

常規(guī)地，車輪扁疤的聲學檢測依賴于位于一個軌道旁位置處的點傳感器?？梢苑治鲇蛇@樣的軌道旁點傳感器所檢測到的聲學信號以尋找特征重復模式，但是如果基于可能的車輪直徑使用列車速度來尋找感興趣的特定頻率或?qū)ふ铱赡艿念l率范圍，則列車速度將必須由一些其他傳感器分開監(jiān)視，并且來自兩個不同傳感器的數(shù)據(jù)將必須在一個位置接收并以某種方式組合。此外，可以被檢測的聲學信號被限制于在那一個位置接收的那些聲學信號。

通過使用具有沿著鐵軌軌道的路徑部署的感測光纖的DAS傳感器（諸如如圖2所示），來自列車的聲學信號可以用于在列車移動時監(jiān)視列車。然后可以分析聲學信號以從聲學信號本身直接確定列車速度，而不需要任何單獨的傳感器來確定列車速度。一旦已經(jīng)確定列車速度，可以針對指示輪組中的異常的特征聲學信號來分析來自感測光纖的縱向感測部分的聲學信號，其中，特征聲學信號基于所確定的列車速度。

特征聲學信號可以例如包括特征值和具有與所確定的列車速度成比例的特征頻率的重復信號。如上所述，由列車輪組的旋轉(zhuǎn)部件中的缺陷或與這種旋轉(zhuǎn)部件接觸的表面中的缺陷生成的重復聲學信號將與列車速度成比例。比例常數(shù)將具有與旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)參數(shù)有關(guān)的特征值，例如，對于部件的一次完整旋轉(zhuǎn)（或者替代性地，當列車行進設(shè)定距離時的旋轉(zhuǎn)量）列車必須行進的距離。對于車輪扁疤，例如，特征值將與車輪直徑D相關(guān)，并且將是車輪周長的倒數(shù)。

因此，列車速度的知識可以用來確定感興趣的一個或多個頻率或特征頻率，以用于檢測車輪扁疤或列車輪組的滾動部件中的其他缺陷。如果用于討論中的列車的車輪的標稱直徑是已知的，則特征頻率或特征頻率范圍可以基于如上所述的列車速度和車輪直徑來確定。如果未準確地知道車輪直徑，則可以基于可能的車輪直徑（例如參考可能的車輪尺寸的數(shù)據(jù)庫）來確定多個不同的可能的特征頻率。

然后可以分析聲學信號以尋找一個或多個特征頻率處的重復分量。例如，檢測到的聲學信號可以由一個或多個帶通濾波器來濾波和/或可以確定不同頻帶中的聲學強度。這種信號的檢測可以指示車輪扁疤。另外或替代性地，可以確定聲學信號中的任何有效頻率分量，并且將頻率值除以所確定的列車速度以提供速度不變值，該速度不變值可以與一個或多個特征值或者特征值的范圍進行比較。

處理器可以連接到存儲器，該存儲器存儲用于感興趣的各種部件的可能特征值的數(shù)據(jù)庫，例如，基于可能的車輪直徑、軸承直徑等的特征值。

DAS的使用還允許在比常規(guī)固定位置軌道旁傳感器更長的時間段內(nèi)確定由列車生成的聲學信號。如所述，感測光纖的長度可以是許多千米，以及因此隨著列車行進若干千米，可以連續(xù)地監(jiān)視聲學信號。這提供了更大量的要處理的數(shù)據(jù)，以便檢測指示車輪扁疤或其他異常的特征聲學信號。

在一些實施例中，可以基于由不同的貢獻感測部分順序地檢測到的聲學信號生成至少一個測量信號，其中選擇感測部分以使得沿著光纖的貢獻感測部分的位置隨著列車移動。例如，可以基于列車速度來順序地選擇感測部分。這有效地提供來自虛擬感測部分的測量信號，該虛擬感測部分沿著軌道的路徑以與列車基本上相同的速度行進，并且因此對列車保持基本上固定的關(guān)系。以這種方式，在跟蹤列車的虛擬感測位置處有效地接收測量信號。

圖4圖示了來自不同的貢獻感測部分的信號可以如何組合以形成與列車一起跟蹤的測量信號。圖4圖示了以速度v沿著軌道（未圖示出）移動的列車202。沿著軌道的感測光纖104被劃分為多個感測部分401至403。在第一時刻（t1），第一感測部分401可以被選擇作為貢獻感測部分。在列車運動的方向上更遠地沿著軌道的第二感測部分402可以在第二較晚時刻（t2）被選擇作為貢獻感測部分。在第三時刻（t3），可以選擇第三感測部分403，以此類推。第一、第二和第三感測部分被選擇為使得在第一時刻處列車相對于第一感測部分的位置大體上或基本上與在第二時刻處列車相對于第二感測部分的位置或在第三時刻處列車相對于第三感測部分的位置相同。在圖4所圖示的示例中，例如所選擇的感測部分位于列車的前方。因此，由感測部分401從時間t1至t2檢測到的聲學信號形成測量信號，隨后由感測部分402從時間t2至t3檢測到的聲學信號形成測量信號，以此類推。

例如，考慮到列車202以20ms^-1移動，并且感測部分401-403是連續(xù)的并且長度為10m，并且光纖104沿著與鐵軌軌道相同的路徑行進，即，100m的光纖對應(yīng)于100m的軌道?？梢酝ㄟ^使用來自第一感測部分的從t1到t2的聲學返回來生成測量信號，其中，t2為t1 + 0.5s。換言之，t2比t1晚半秒，其對應(yīng)于列車穿過第一感測部分401的長度所花費的時間。然后，選擇來自感測部分402的信號，直到時間t3為止，t3為t2 + 0.5s，以此類推。以這種方式，得到的測量信號表示來自虛擬感測部分的聲學信號，該虛擬感測部分跟蹤列車的給定區(qū)段，在該示例中跟蹤列車的前部。當然，將理解的是，第二測量信號可以由在時期t1至t2中的來自在感測部分401的上游的相鄰感測部分的信號、在時期t2至t3中的來自感測部分401的信號以及從時間t3的來自感測部分的信號等形成。第一測量信號將跟蹤列車的前10m，并且第二測量信號將跟蹤列車的下一個10m。以這種方式，可以從跟蹤列車的任何期望區(qū)段的虛擬感測部分來生成測量信號。

這可以有助于檢測來自各個輪組的特征沖擊聲音，并且可以允許確定沿著列車的長度的缺陷的輪組的位置。例如，如果一個特定的車輪具有缺陷，則所產(chǎn)生的缺陷噪聲將在來自虛擬感測部分的測量信號中最明顯，該虛擬感測部分有效地跟蹤列車可能有缺陷的相關(guān)部分。

這還可以使得與輪組的其他滾動部件相關(guān)聯(lián)的缺陷（例如軸承等中的缺陷）的聲學檢測可行。使用單個軌道旁傳感器來檢測這種缺陷將是非常困難的。然而，因為可以由虛擬感測部分產(chǎn)生測量信號，該虛擬感測部分有效地與列車一起移動達顯著的時間段，所以可以檢測來自這種缺陷的信號。

在本發(fā)明的一些實施例中，監(jiān)視由不同速度下的列車生成的聲學信號，以幫助識別由于車輪扁疤或類似缺陷所引起的信號。如上所述，由車輪扁疤生成的任何沖擊噪聲將與列車速度成比例，并且知道列車速度意味著可以檢測感興趣的特定頻率。然而，在一些情況下，可能存在可能在與車輪缺陷無關(guān)的感興趣的頻率處或周圍生成的其他聲音。這可能潛在地導致假警報。通過查看在不同列車速度下檢測到的聲學信號，車輪扁疤或相關(guān)缺陷的存在可以是顯而易見的，因為缺陷噪聲將隨著列車速度以特有的方式改變，其他噪聲源也許不大可能重復該特有的方式。

因此，處理器可以布置為分析當列車以第一速度行進時檢測到的聲學信號，以及當列車以不同的第二速度行進時檢測到的聲學信號。這可以涉及分析聲學信號以確定列車速度，包括至少識別軌道的第一區(qū)段和軌道的第二區(qū)段，在軌道的第一區(qū)段處列車以第一速度行進，在軌道的第二區(qū)段處列車以不同的第二速度行進。處理器可以被配置為處理檢測到的聲學信號，以尋找以特有的方式隨著列車速度而變化的聲學信號。

例如，處理器可以基于第一速度分析來自軌道的第一區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號，并且基于第二速度分析來自軌道的第二區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號，以檢測在與列車速度成比例地變化的頻率處的重復信號。處理器可以針對特征聲學信號來分析所檢測到的聲學信號，該特征聲學信號包括來自具有特征值和與第一列車速度成比例的特征頻率的軌道的第一區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號中的第一重復信號，以及來自具有相同的特征值和與所述第二列車速度成比例的特征頻率的軌道的第二區(qū)段的來自縱向感測部分的聲學信號中的第二重復信號。

例如，處理器可以在第一列車速度v1處檢測到的信號中的頻率f1處以及在第二列車速度v2處檢測到的信號中的頻率f2處尋找任何相對較強的分量，這里f1/v1 = f2/v2。比例常數(shù)k（其中k = f1 / v1 = f2 / v2）可以被確定為特征值并且用于嘗試對噪聲的類型進行分類。例如，對于車輪扁疤，特征值將是旋轉(zhuǎn)參數(shù)并且對于車輪直徑D將預期為1/π.D。對于1m的車輪直徑，旋轉(zhuǎn)參數(shù)的特征值因此將為約0.32m^-1。這可以幫助對檢測到的信號進行分類，并且允許識別指示可能的缺陷的任何信號。將理解的是，可能存在可以由列車生成的與列車速度成比例的其他重復信號，但是這些重復信號可以具有不同的相關(guān)聯(lián)的速度不變值。例如，當車輪經(jīng)過鐵軌區(qū)段之間的接頭時，可以生成與當車輪在鐵軌的中間區(qū)段行駛時相比不同的聲音。這可以導致每個車輪在其跨過鐵軌區(qū)段之間的接頭時生成重復的聲音，并且該聲音將隨著列車速度而變化。然而，對于長度為大約20m的鐵軌區(qū)段，相關(guān)比例常數(shù)k將為0.05m^-1（即1/20），這遠低于與車輪扁疤相關(guān)的比例常數(shù)。

因此，處理器可以檢測特定頻率處的任何強信號分量，基于列車速度縮放頻率值（以產(chǎn)生速度不變值），并且比較在多個列車速度下獲得的結(jié)果，以確定具有與列車速度成比例的頻率的分量的存在?；谒_定的特征值，聲音可以被分類為是否指示缺陷。然而，替代性地，列車速度可以與一個或多個特征值一起使用，以導出針對每個確定的列車速度的一組特征頻率?？梢詫⑴c在不同速度下獲得的信號中的相同特征值相對應(yīng)的特征頻率的檢測作為缺陷的指示。

例如，當尋找指示車輪扁疤的信號時，處理器可以分析對應(yīng)于第一列車速度的聲學信號，以基于第一列車速度和已知的車輪直徑或一組可能的車輪直徑來尋找至少一個第一特征頻率或在第一特征頻率范圍內(nèi)。也可以基于第二列車速度和相同的車輪直徑來分析對應(yīng)于第二列車速度的聲學信號，以查看至少一個第二特征頻率或在第二特征頻率范圍內(nèi)。如果在第一列車速度處的第一特征頻率處檢測到信號分量，并且在第二列車速度處的第二特征頻率處也檢測到信號分量，并且第一和第二特征頻率對應(yīng)，即可以由相同的車輪直徑生成，則這可以很好地指示諸如車輪扁疤之類的缺陷的存在。該處理可以額外地或替代性地基于列車速度和其他部件的直徑（例如，軸承尺寸等）來尋找指示其他故障的其他特征頻率。

因此，處理器可以被布置為分析當列車在不同的速度下行進時檢測到的聲學信號。因此，處理器可分析聲學信號，以確定對應(yīng)于第一列車速度的第一組信號和對應(yīng)于第二列車速度的至少第二組信號。處理器可以識別獨特的時期，列車在所述時期期間以基本上恒定的速度行進并且在每個時期中具有顯著不同的速度。額外地或替代性地，可以處理當列車改變速度時隨時間檢測的連續(xù)的聲學信號組。處理器可以適于使用任何機會信號，即，檢測列車速度變化的任何情況。列車速度的一些輕微變化可能沿著軌道的任何給定區(qū)段發(fā)生，并且處理器可以尋找這樣的變化。

然而，在一些實施例中，用于檢測列車輪組中的缺陷的DAS傳感器因此可以與沿著軌道的區(qū)段部署的感測光纖的至少一部分一起布置，在該軌道區(qū)段處已知將發(fā)生或有可能發(fā)生列車速度的變化。例如，如圖5所圖示，感測光纖104可以被部署在軌道201中的相對尖銳的彎曲部501之前和之后，在這里可以預期列車在直線區(qū)段中從第一速度v1減小到彎曲部的較低速度v2，可能之后再加速。額外地或替代性地，感測光纖可以部署在車站502附近，在該車站處，預期列車將減速，例如，減速到接近車站的相對較慢的速度v3。當然，將理解的是，圖5圖示了在軌道上在一個方向上前進的列車的可能的速度變化。在軌道的相同區(qū)段上在相反方向上前進的列車可以經(jīng)歷通常相反的一組速度變化。

在這種布置中，處理器可以被布置為處理來自沿著軌道的第一區(qū)段的光纖的感測部分的信號，以確定對應(yīng)于第一速度的信號子集，并且還處理來自沿著軌道的第二區(qū)段的光纖的感測部分的信號，以確定對應(yīng)于第二速度的信號子集。然后，可以如上所述地分析來自第一子集和第二子集的信號。

因此，本發(fā)明的實施例提供用于自動檢測列車輪組中的缺陷的傳感器裝置，該傳感器裝置是相對低成本的并且可以被相對容易地部署，并且該傳感器裝置與其他聲學監(jiān)視方法相比可以提供對這種故障的更可靠的檢測和區(qū)別。

用于這種監(jiān)視的DAS傳感器還可以用于針對鐵軌網(wǎng)絡(luò)的各種其他監(jiān)視應(yīng)用，例如鐵軌軌道的一般狀況監(jiān)視。例如，可以由DAS傳感器檢測任何滑坡等。列車沿著軌道的區(qū)段通過或者穿過或經(jīng)過鐵軌網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（例如，橋梁、隧道等）可以產(chǎn)生可以由DAS傳感器檢測的特征聲學識別標志。此特征隨時間的任何改變可以指示可能的故障。DAS傳感器還可以用于監(jiān)視或控制列車在鐵軌網(wǎng)絡(luò)上的移動，這可以用作主動列車控制系統(tǒng)的一部分，例如用于移動閉塞信號傳送等和/或平交道口（level crossing）等的控制，或者用于例如在車站信息板或網(wǎng)站等上提供乘客信息。

應(yīng)當注意，上述實施例說明而不是限制本發(fā)明，并且在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計許多替代性實施例。詞語“包括”不排除除了權(quán)利要求中列出的元件或步驟之外的元件或步驟的存在，“一”或“一個”不排除多個，并且單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)在權(quán)利要求中所列舉的幾個單元的功能。權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)被解釋為限制其范圍。