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近几年我国高速铁路的快速发展对铁路运营安全检测及监控技术提出了更高的要求。目前的铁路安全监控技术存在复杂度过大、维护成本高,抗电磁干扰能力差等缺点。相位敏感光时域反射计(Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer,Φ-OTDR)分布式光纤传感系统是一种利用光纤集感应和传输于一体的分布式传感系统。Φ-OTDR所拥有的系统简单、维护成本低、抗电磁干扰能力强,可实现大范围分布式检测等诸多优点,使得该技术发展前景很大,具有巨大的潜在应用价值。本文在介绍Φ-OTDR技术基本原理和铁路安全监控技术研究现状的基础上,主要研究内容是把Φ-OTDR技术创新性地应用到铁路运营安全检测与监控领域,利用Φ-OTDR技术对铁轨振动信号的采集和处理,来实时获知列车行驶轨迹和有无外来异物入侵铁轨等信息。本文主要完成了以下几方面的研究工作:1、第一章绪论部分介绍了本课题研究的背景及意义。主要介绍了铁路运营安全领域包括列车行驶轨迹检测和铁轨异物入侵检测的研究和应用现状,充分了解和认识目前技术的优点与不足。2、第二章介绍了Φ-OTDR技术基本原理及其主要应用。第三章创新性的把Φ-OTDR技术引入到铁路交通领域,对现场实验环境进行介绍,利用Φ-OTDR技术实现对铁轨的振动信号的实时和连续采集。3、第四章设计并研究了一种基于Φ-OTDR技术的列车行驶轨迹检测方法,来实现对列车行驶轨迹的实时检测。该方法利用Φ-OTDR技术对铁轨振动信号的实时采集并对原始信号进行小波去噪处理,对紧邻的两个不同时刻的信号进行差值计算,并采用阈值处理和低通滤波处理,对处理后的差值信号进行幅值特征提取,对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,来实时获得列车当前位置、速度和行驶方向等列车行驶轨迹的信息。4、第五章设计并研究了一种基于Φ-OTDR技术的的铁轨外来异物入侵监测方法,来实现对铁轨异物入侵的检测。该方法在铁轨旁人为模拟一些如外来行人入侵铁轨和山体滑坡等异常事件,同时利用Φ-OTDR技术对铁轨振动信号进行连续采集。对原始信号进行小波滤波去噪处理、短时傅里叶变换和自回归模型谱估计处理来提取信号的频率特征,通过对信号频率特征的分析,来判定监测铁轨路段上任意位置点是否有事件发生,通过对该位置点前后位置点是否有事件的判断来区分正常列车行驶和外来异物入侵事件。