基于电信光纤激光干涉技术的高速铁路健康监测系统：分布式振动传感与实时轨道状态评估

为解决高速铁路(HSR)传统检测方法周期长、效率低的问题，研究人员开发了一种基于激光干涉仪和电信光纤的分布式振动传感系统。通过分析列车通过时产生的平均功率谱密度(A-PSD)指标，实现了对轨道基础设施健康状况的实时监测。该系统成功识别出3 mm级轨道蠕变变形，并检测到300 km外地震波，为HSR健康监测提供了高效补充手段。

　　

随着中国CR450高速列车试验速度突破450 km/h，轨道基础设施的健康监测面临前所未有的挑战。传统轨道检测车(TRV)每月仅能检测一次，难以捕捉突发性轨道缺陷。更棘手的是，轨道蠕变、冻胀等潜在风险往往在两次TRV检测间隔期间悄然发展，可能酿成重大安全事故。这一现状促使科学家们寻求更高效的实时监测方案。

中国铁道科学研究院联合清华大学的研究团队独辟蹊径，利用沿铁路铺设的电信光纤作为传感介质，构建了一套创新的激光干涉振动监测系统。这项发表于《Nature Communications》的研究，通过分析列车振动特征实现了轨道状态的实时评估，将检测频率从每月一次提升至每日数十次，为高速铁路安全运营提供了革命性技术支撑。

研究团队采用三项核心技术：首先，基于1550.12 nm窄线宽激光器的干涉系统，通过声光调制器(AOM)实现100 MHz频移的异频外差探测；其次，利用分布式声波传感(DAS)数据训练残差神经网络-长短期记忆网络(Res-LstmNet)，实现振动事件的400米级空间定位；最后，开发平均功率谱密度(A-PSD)算法，从30列次列车振动数据中提取轨道结构特征指纹。

实验平台与Res-LstmNet定位
在长达12公里的京广高铁北京段实验平台上，研究团队将电信光纤接入激光干涉仪。通过Res-LstmNet对振动信号进行时频分析，成功将连续振动波形分割为5秒片段并精确定位。该系统不仅能追踪列车实时位置（空间分辨率400米），还意外捕捉到相邻2公里轨道传来的振动传播现象，揭示了高速铁路高架桥的振动传递特性。

HSR健康检查中的A-PSD应用
研究发现，不同类型轨道结构呈现独特的A-PSD"指纹"：有砟轨道桥梁在60Hz处出现显著峰，而无砟轨道桥梁的峰值集中在30-50Hz。通过对四种典型结构（有砟/无砟轨道桥梁和路基）长达14个月的监测，发现其A-PSD在极端天气和地震干扰下保持稳定，证实了高铁基础设施的可靠性。特别值得注意的是，系统成功记录了2023年7月北京特大暴雨和300公里外5.5级地震对轨道的冲击响应。

HSR桥梁蠕变变形的A-PSD分析
在最具说服力的案例中，研究团队对比了轨道维护前后3mm级蠕变变形的A-PSD变化。维护前，变形导致2-5Hz频段A-PSD升高20dB，80Hz附近升高15dB；维护后这些异常峰消失，与TRV检测的几何形变改善结果高度吻合。这证实A-PSD对微小轨道缺陷具有卓越的敏感性，能捕捉传统方法难以发现的早期损伤。

环境振动的意外发现
在夜间"天窗期"，系统还检测到两类特殊振动：一是300公里外5.5级地震产生的P波和S波（信噪比达20dB），二是6.9公里外运煤列车通过交叉点时引发的结构振动。这些发现暗示该技术可能构建覆盖全国的地震监测网络。

这项研究标志着基础设施健康监测领域的重大突破。激光干涉系统将电信光纤转化为数万计的"振动传感器"，通过列车自身振动实现轨道状态的"全时体检"。其意义不仅在于将检测周期从月级缩短至小时级，更开创了"交通-地震"双功能监测新模式。随着更多轨道缺陷特征的积累，未来有望建立A-PSD与具体故障类型的映射数据库，最终形成智能化的高铁健康预警系统。研究团队指出，下一步将重点突破100公里级超长距离监测技术，并探索卫星定位替代DAS的可行性，为这项技术的规模化应用铺平道路。