激光计米器（激光测速仪）在高速铁路/城铁运行中精确定位的应用研究

　　1 引言

　　随着高速铁路飞速发展，在时速超过350 km/h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题显得越来越重要。在城铁使用过程中,停车定位的准确无不体现着城铁的质量与效率. 测速和定位的精度从根本上制约着高速铁路和城铁列车运行中自动控制系统的控制精度。为确保列车运行安全，并充分发挥运输效能，只有时刻掌握高速列车运行的即时速度和位置，才能确保列车的正点到达和安全运行。传统的轨道电路定位法由于定位粗糙、精度不够，并且无法检知列车的即时速度，难以满足高速列车的定位要求。还有一种利用电机方式实现测速定位方法，该方式只适用于列车运行速度较低的线路。测速和定位还可通过外加输入信号直接获取列车的位置和速度信息，但该方式的测量精度受到一些因素的制约，在性价比方面存在局限性。后来传感器在高速铁路/城铁的测速和定位技术中成为当前的主流产品，应用较广，有多种类型：脉冲转速传感器、惯性加速度传感器、相对传感器、地面传感器、绝对传感器等。但是随着使用时间的延长,传感器在高速铁路/城铁的运行过程中的不足也显现出来,主要体现在: A 速度精确度不高,一般只能达到1-2%之间,离高精度检测还有一定差距; B 需要定时校准和专人维护,成本比较高,主要体现在高铁/城铁运行的不间断性, 日间运行时不能满足全天候工作, 需要专人维护的特点; C 寿命有限, 频繁更换带来的烦扰; D 日常磨损及接触面的污染带来的误差使精度不可靠, 接近开关由于分辨率不高在数据传输过程中的脉冲数据的丢失也带来测量的误差.

　　2 列车测速

　　2.1转速传感器

　　转速传感器的种类很多，有磁电式、光电式、离心式、霍尔式等转速传感器。其中轮轴脉冲转速传感器在高速铁路中应用较为广泛。轮轴脉冲转速传感器测速的基本工作原理：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算列车运行速度，其基本公式为：

　　V=πDn/3.6

　　式中，π=3.14，D为车轮直径，n为车轮转速。

       从上式可知，测量列车速度就是检测列车车轮转速和列车轮径。脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，使脉冲频率与轮轴转速成正比。输出的脉冲经隔离和整形后直接输入计算机CPU进行频率测量，再经换算从而得出车组速度和走行距离。

2.2 激光计米器（激光测速仪）工作原理

 如上图所示,两束同源激光在测量区域相交后，干涉产生一个条纹立体空间; 取列车经过的截面如上小图,在该区域内，形成明暗交错的条纹带.条纹间隔为d,该值由激光波长λ及两束激光间的半角k决定. d = λ/(2*sin k)

列车移动经过该区域的条纹带时,表面的微小结构颗粒结构将产生明暗交错的漫反射光信号,该信号被仪表的光子探测器转化为频率的电信号,该频率与列车移动速度相关.

      频率 f = v/d,

      由此, f = v/{λ/(2*sin k)}

      所以, v= f*λ/(2*sin k)

      由此,由频率f 可以决定被测物速度.v.

      同时, 距离 l=∫vdt，则,行驶距离同时可以由仪器计算得到. 

　　3 列车定位

        在高速列车运行过程中，能否准确及时地获得列车位置信息是列车安全有效运行的保障。利用激光测速测长仪可以精确知道列车运行的速度和相对位置，再经过后期的信号处理即可以完成高铁和精确测速和城铁，地铁的精确停车位置。

4 结束语

通过以上论述表明，利用激光计米器进行测速和定位方法简单、经济实用，测量数据误差远远小于规定范围。