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随着我国高铁网规模的不断扩大,列车速度的不断提高,实时掌握列车准确的行驶位置、行驶方向和速度等信息,对于确保高铁运行安全至关重要,因此对列车安全监测技术提出了更高的要求。我国目前的铁路安全监测主要依赖地面设备和无线通信手段,建设成本较高、运营维护成本较大。基于相位敏感光时域反射计(Phase-Sensitive Optical Time-Domain ReflectometerΦ-OTDR)的分布式光纤振动传感技术,因具有对光纤沿线的外界扰动可进行分布式感知、全方位连续监测、系统维护成本低、抗电磁干扰能力强的优点,在隐蔽性、环境适应性和事件精确定位等方面有潜在的应用前景。本文基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)技术的基本原理,创新性地提出将该技术应用到铁路轨道上,实现长距离分布式振动信号的检测与采集,从而实现对列车行驶轨迹的实时监测。本课题以高速列车的行驶轨迹为研究对象,通过对列车行进过程中铁轨振动信号采集以及对信号特征的处理与分析,实时获得列车位置、速度和行驶方向与列车长度等信息,从而判断在列车行进途中是否正常行驶、是否遇到突发事件,以便及时进行调度,从而提高列车运行的安全性。本文主要完成了以下几方面的研究工作:1.第一章绪论介绍了本课题研究的背景及意义。主要介绍了列车振动信号以及列车行驶轨迹检测的研究现状和应用现状,充分认识到实现列车轨迹监测的必要性,了解和认识目前技术的优缺点2.第二章介绍了光纤传感技术和OTDR技术的基本原理和发展概况及Φ-OTDR技术的主要应用。根据Φ-OTDR技术的数学模型,探讨了实现Φ-OTDR技术对列车振动信号实时采集的可行性。3.第三章设计并研究了一种基于Φ-OTDR技术的振动信号特征提取方法,提出了基于Φ-OTDR的振动信号频谱的特征提取和特征选择策略,该策略由信号预处理、频谱特征选择、频谱特征提取三部分组成。首先由信号预处理模块对原始信号进行一阶平滑滤波;再由频谱特征选择模块对滤波后信号进行基于短时傅里叶变换(STFT)的振动信号时频分析,并通过能量熵函数选择频谱中具有较多列车行驶信息的特征;最后利用频谱特征提取模块,将能量熵作为特征,考虑到OTDR技术的信号衰减的物理特性,将每一个采样的位置点作为一个分类器,采用k-means聚类算法,优化能量熵的特征提取。4.第四章设计并研究了一种基于Φ-OTDR技术的列车行驶轨迹监测方法,实现了对列车行驶轨迹的实时监测。该方法利用Φ-OTDR技术对铁轨振动信号进行实时采集,对原始信号采用第三章所述方法进行特征提取,利用能量熵幅值特征进行判断来确定列车行驶的有效信号,通过对不同时刻列车行驶的有效信号分析,匹配列车行驶模型,再进行全局分段回归算法,获得列车位置、速度和行驶方向等列车行驶轨迹的信息。为了提高在线监测的准确性,还应该对列车信号阈值进行在线更新,添加了在线阈值与离线数据库的的加权系数,初步实现了轨道轨迹检测的智能识别。