国铁光纤石墨烯声波探测技术探讨

任 翔 王 川 易文明 王 强 房甜甜1.北京铁路局天津电务段；2.深圳市长龙铁路电子工程有限公司

国铁光纤石墨烯声波探测技术探讨

任 翔 王 川 易文明 王 强 房甜甜
1.北京铁路局天津电务段；2.深圳市长龙铁路电子工程有限公司

任翔，工程师；王川，工程师；易文明，工程师；王强，高级工程师；房甜甜，工程师。

基于石墨烯的全新一代光纤微纳声波探测技术，可实现对声波信号的高灵敏度、超宽带检测，光纤声波监测技术以光波作为声信号载体，光纤作为传输介质来拾取声波信息。光纤声音侦听系统是利用光纤干涉的原理，以光学纤维或其他敏感材料作为声音探测元件，利用监测区域内声压振动对光纤中传输光干涉信号的调制，实现对铁路沿线重点区域的声音信号的采集和检测、对旅客列车运行随车检验及高铁沿线轮轨健康状态的诊断。

概述

声波传感检测和探测技术在工业探伤、安全监控、国防军事、生物医疗、铁路沿线声波检测、旅客列车轮和走行架安全检测、高铁轮轨健康状态检测等领域有着广泛的用途。

新一代光纤石墨烯声波探测系统

光纤声波监测技术以光波作为声信号载体，光纤作为传输介质来拾取声波信息。光纤声音侦听系统是利用光纤干涉的原理，以光学纤维或其他敏感材料作为声音探测元件，利用监测区域内声压振动对光纤中传输光干涉信号的调制，实现对光纤布设区域的声音信号的采集和还原。目前，国外已有类似光纤声波侦测产品在实际侦听场景中得到应用。

光纤声波探测技术的主要优点

光纤声波探头是无源设备，因此其克服了传统电声波传感器无法在电磁干扰下工作，易被反侦测等不足。

光纤的传输损耗低、复用能力强，易于构成大规模的阵列，可实现多点远距离侦测，因此解决了电侦听器不适合远距离传输的问题。

相对现有的电驻极体声传感器（灵敏度：50mV/Pa），光纤声波传感器的灵敏度（≥200mV/Pa）更高，从而解决了电学类声传感器对微弱声波信号拾取能力有限的问题，大幅提升了声音侦测的性能。

图1 声波监测技术的应用领域

基于石墨烯的全新一代光纤微纳声波探测系统

基于石墨烯的全新一代光纤微纳声波探测系统技术，充分利用了石墨烯这种二维材料独特的机械特性，并且石墨烯薄膜厚度在纳米量级，是人类目前已知最薄、最坚硬的材料。由于其机械却强度达到了1.06TPa，比钢铁高出100倍以上，其杨氏模量超过1000GPa，因此是一种极为理想的声波敏感宽带响应材料。

新一代光纤石墨烯声波探测系统将石墨烯薄膜采用湿法转移的工艺，覆盖在光纤端面，形成光纤微纳干涉腔结构。同时将石墨烯声波敏感薄膜与光纤干涉相位解调技术结合，可以实现对声波信号的高灵敏度、超宽带检测。

新一代光纤石墨烯声波探测系统的主要性能指标

探头尺寸：Φ0.5mm×10mm；

信号解调设备尺寸：30cm×20cm×10cm；

监测距离：0～10公里（可实现10公里内的远程声波监测）；

声压灵敏度： 〉200mv/pa；

信噪比： 〉40dB；

响应频宽：10Hz～5MHz；

探头无源无需供电、且不受电磁干扰；

声源分离：多个混杂的声源音频信息进行分离提取；

声源定位：通过多探头布设，可对空间内的声源位置进行定位；

单套解调设备可订制多探头同时监测（〉5个）。

新一代光纤石墨烯声波探测系统的构成和侦听布局示意图

图2 光纤石墨烯声波探头结构示意图和光纤石墨烯探头

图3 光纤石墨烯声波电子麦克风探头照片

图4 光纤石墨烯声波监测系统信号解调主机照片

图5 系统双声道监测和声源定位软件界面

光纤石墨烯声波探测系统铁路领域的应用探讨

铁路沿线重点部位的声音监控

由于铁路普速及高铁沿线点多线长，铁路线路要经过高山、平原、河流、山涧、边坡、路堑、桥梁、隧道等不同的地形地貌，并且存在一些危险的、需要增强安全监控的地点及场所，如：桥梁、隧道、容易水害、落石区域等。为对这些区域做好安全监控，现有方式包括增加人工巡视次数，在重点安全监测区段设点进行人员看护，并采用安装视频监控等办法。但实际结果还是不尽人意，铁路路基落石、人员违规上道、泥石流侵害等时有发生，如不能及时发现这些危危及列车安全，并提前在铁路运行列车靠近危险处之前即时通知及拦停，就可能造成无法挽回的铁路行车事故、危及旅客的安全，这将极大干扰正常的铁路行车秩序和铁路正常安全生产。

如果把这些重点防护部位全面监控起来，就一定可以最大限度保证的铁路行车秩序。这些重点部位一般都很偏僻，很难做到24h不间断的监控，如果我们通过光纤石墨烯高灵敏声音传感器对这些重点部位进行24h监听，可以监控这些重点数百米范围的震动和声音情况，一旦监测到落石、人员上道等异常声音情况，再通过和视频系统的联动，可以立即调动摄像头查看和确认重点部位的异常事件，提前采取安全措施，避免危机铁路行车安全的事故发生。

旅客列车随车检验的仪器化和专业化

铁路列车车轮在钢轨上高速运行，可能随时会有对列车运行不利的情况发生，如车轴的过热、松动，车轮的过度磨损、表面裂痕，支撑走行架的弹簧断裂等。为保证及时发现这种不利影响来确保列车安全运行，铁路机务系统专门为铁路列车配备了随车列检员，在列车进站停轮后，列检员通过人工敲击车轮，并根据返回的声音的音调、响度和音色等情况，判定敲击位置支撑弹簧、车轮、车轴的好坏情况，目前这种人工检测方式，对列检员素质和经验要求非常高。

因此，这种检测方式的差异性和误差是由铁路列检员唯一确定的，若不能及时发现转向架和列车轮对的安全隐患，就会形成铁路行车的安全隐患，严重时甚至造成铁路行车事故。随车列车检查完全依靠列检员的眼睛、手和耳朵的协调进行人工检测，目前铁路一线还没有配备随车检查的便携式回声检验设备。

本系统利用无源石墨烯探头做为敲击时的声音探头，把敲击声和敲击回声回传到便携式回声检验设备，由随身检测设备对上传的声音进行定量分析。随身检测设备通过对敲击的回声按着声音的特征值进行分析，可以对检测部位的状态做出科学准确分析和准确判断。

图6 光纤石墨烯声波监测系统对不同频率声信号的响应

图7 光纤石墨烯声波监测系统对不同距离声源信号的响应

高铁沿线轮轨健康状态的诊断

目前，铁路系统正在推行TADS系统（铁路声波探测系统）的示范应用推广工作，主要用于高铁沿线轮轨健康状态的诊断，对保障高铁运行安全具有重大的意义。

据我们所知，国内有企业在开发相关的集成系统，但是主要都是侧重于后端的振动模式识别的算法和软件开发，前端声波探测和采集系统主要依赖于进口，进口设备价格昂贵，后期维护成本高，是的很难实现大规模应用。此外，由于现有进口声波探测系统也是通过电学的原理实现，探测系统需要供电，因此只能在进出站位置区域布设，大大限制了该系统在长距离铁路沿线的使用，而光纤石墨烯声波探测技术可以实现远程的无源监测，可以增加TADS系统的在高铁沿线的探头布设密度，从而更全面掌握在高速运行状态下轮轨相互作用时的车轮健康和安全状态。

光纤石墨烯声波探测技术在其他潜在领域的应用

石墨烯探头因其无源性、极宽的频响范围和优良的线性响应，其在工业探伤领域也有广泛的应用范围。如在钢轨探伤方面的应用，能极大提升现有探伤系统声波图像的灵敏度。

结束语

本文对基于石墨烯的国铁新一代光纤微纳声波探测技术，可实现对声波信号的高灵敏度、超宽带检测技术进行了介绍，同时该技术在铁路区间线路重点区域的安全防护、铁路列车安全检查、高铁沿线轮轨健康状态的诊断等应用领域进行了探讨和介绍。该系统技术在国铁系统，特别是在高铁系统的推广运用，将有效提高铁路安全检测技术手段，提前、准确报警，全面提升铁路安全防护、新技术检测手段的普及应用水平，为保证铁路运输安全生产保驾护航。