FBG 传感器技术在铁路智能监测领域的应用与发展

近年来，全球铁路行业正迎来规模空前的发展热潮。在贸易增长与公路运输环境问题日益凸显的双重驱动下，各国纷纷加大铁路投资力度：美国 2008 年铁路投资近 100 亿美元，2009 年为高速铁路划拨 80 亿美元专项资金；印度计划在 “第十一个五年计划” 期间投入 500 亿美元推进铁路现代化；中国作为铁路发展的核心力量，2009 年在最高时速 350km 的高速铁路系统投入 500 亿美元，至 2020 年累计新增高铁里程超 2.5 万公里，总投资最高达 3000 亿美元。随着铁路规模的快速扩张，安全性、可靠性与运营效率已成为行业核心发展目标，而构建智能状态监测系统则是实现这一目标的关键路径。

铁路系统的智能监测需覆盖全链条场景，包括列车结构与运行状态、接触网稳定性、轨道结构健康，以及过往列车的位置、速度与重量等参数，这要求监测系统具备大规模、多功能、高适应性的传感网络支撑。当前主流的分布式光纤传感技术主要基于光时域反射（OTDR）原理，衍生出拉曼（Raman）与布里渊（Brillouin）两种核心技术方案，但二者在铁路场景中存在明显局限。

拉曼分布式传感依托热激活声波的自发散射效应，通过对比斯托克斯波与反斯托克斯波的光强获取温度信息，商用设备已实现 1K 温度精度、1m 空间分辨率（10km 光纤范围），但测量时间需 1-10 分钟，难以满足实时监测需求。布里渊 OTDR 则基于散射波的频移特性，可同步测量温度（1K 精度）与应变（20µε 精度），30km 范围内空间分辨率达 1m，但同样存在测量时间长、空间分辨率仅米级的问题，无法适配铁路对快速响应与高精度点位监测的要求。

此外，传统电学传感器虽应用广泛，但易受电磁干扰（EMI）/ 射频干扰（RFI）影响，且需供电与复杂布线，在铁路沿线恶劣环境中可靠性低、维护成本高。这些技术短板，为光纤布拉格光栅（FBG）传感器的应用提供了空间。

FBG 传感器基于标准通信光纤制作，通过紫外激光干涉法或相位掩模法（后者更常用）在光纤 9μm 纤芯内形成周期性折射率变化，可反射特定窄带光谱（典型带宽 < 0.2nm）。其核心工作原理为波长编码：在 1550nm 波长附近，温度每变化 1K 对应 10pm 波长偏移，应变每变化 1µε 对应 1pm 波长偏移，通过检测反射波长即可实现参数测量。

从成本来看，标准通信光纤仅 10 美元 / 公里，FBG 材料成本极低，系统成本主要集中于传感器封装与信号采集仪。若需区分温度与应变干扰，可采用 “双 FBG 方案”—— 将一个 FBG 紧贴被测结构（测应变 + 温度），另一个不连接结构仅测温度，通过数据差值抵消温度影响，方案简单且实用。

相较于传统传感技术，FBG 传感器的多项特性精准匹配铁路监测需求，成为构建智能监测系统的理想选择：

FBG 无需供电即可工作，被测对象与沿线无需部署有源电子设备，从根本上规避了 EMI/RFI 干扰风险，同时降低设备采购与维护成本，减少系统停机时间。

单根光纤可制作多个不同反射波长的 FBG，仅光栅区域对温度 / 应变敏感，无需像拉曼、布里渊技术那样利用整根光纤，能快速精准监测铁路关键点位（如转向架、轴箱、接触网接口），且布线简化，大幅提升系统性价比。

FBG 体积小巧（最短 0.1mm），除基础的温度、应变测量外，通过定制传感器件可实现加速度、电场、磁场、倾角等多参数监测，一台采集仪即可替代铁路传统的多套电学传感系统，简化监测架构。

依托标准通信光纤的低损耗特性，1550nm 波长光信号可实现超远距离传输：默认状态下 FBG 与采集仪距离达 25km，经分布式拉曼放大可扩展至 50km，通过 “开关可调谐激光” 抑制瑞利散射噪声后，最远可达 230km，单台采集仪即可覆盖超长铁路线路，无需沿线增设中继设备。

FBG 的反射特性支持从光纤两端测量波长，且单台采集仪可处理多参数、多点位数据，冗余部署成本低、易实现，完美契合铁路对安全冗余的严苛要求。

通过波分复用（WDM）技术，每一个 FBG 的反射波长均唯一，不会出现参数混淆问题；且无需重新校准或初始化，进一步减少系统停机时间与运维成本。

FBG 基于标准单模通信光纤制作，截止波长约 1250nm，在 1250-1650nm（通信主流窗口）范围内均能单模工作，与现有铁路通信网络兼容性高，便于系统集成。

目前，FBG 传感器已在铁路领域开展多项成功应用：多家研究机构通过现场试验，将其用于轴数计数、轨道与列车振动测量、转向架状态监测、车体结构健康评估，以及接触网与受电弓交互监测等场景，证实其在测量精度、稳定性上优于传统传感器，部分系统已投入实际运营，实时提供静态 / 动态应力、轴箱温度、轴承磨损振动等关键数据，为铁路安全运行提供支撑。

尽管优势显著，FBG 传感器在铁路领域的大规模应用仍面临障碍：专用定制规范缺失、封装与可靠性标准不完善，以及现场应用经验积累不足，这些问题需行业各方协同解决，推动技术标准化与产业化。