一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法转让专利
申请号 : CN201810830562.7
文献号 : CN109141488B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 江灏 , 周清旭 , 陈静 , 缪希仁
申请人 : 福州大学
摘要 :
本发明涉及一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，首先采集布拉格光纤光栅传感器FBG的光谱数据；接着采用粒子群算法对目标函数进行寻优；然后运用交换算子对最优解中的元素进行交换位置重组，并返回步骤S2重新进行优化计算；最后当满足终止条件时，解调出采样光谱的波长值，否则重复步骤S2与步骤S3。本发明解决了因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
权利要求 :
1.一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：采集布拉格光纤光栅传感器FBG的光谱数据；
步骤S2：采用粒子群算法对目标函数进行寻优；
步骤S3：运用交换算子对最优解中的元素进行交换位置重组，并返回步骤S2重新进行优化计算；
步骤S4：当满足终止条件时，解调出采样光谱的波长值，否则重复步骤S2与步骤S3；
其中，步骤S1具体为：改变FBG系统的温度或者应力环境，使得FBG的光栅布拉格波长漂移，FBG的反射光谱通过3dB光耦合器进入光谱采样设备，所得到采样数据交由电脑进行数据处理，得到采样光谱R(λ)；
其中，步骤S2具体为：运用粒子群对数学模型进行优化，取得最小值，并输出解调最优解X(s1,s2,...,sn)，其数学模型采用的目标函数为：式中，Rv(λ,s1,s2,...,sn)＝R1g1(λ‑s1)+R2g2(λ‑s2)+...+Rngn(λ‑sn)；其中，sn表示理论光谱波长，Rn表示反射峰值，gn表示理论光谱的数学模型，λ表示波长的取值范围；
其中，步骤S3具体为：运用交换算子对最优解X(s1,s2,...,sn)中的元素进行交换位置重组，得到n！个个体，将n！个个体带入目标函数中，并求出其中的最小值，得到最优解X'(s1',s2',...,sn')，并返回步骤S2，将最优解X'(s1',s2',...,sn')替换目标种群的一个个体。
2.根据权利要求1所述的一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，其特征在于：所述光谱采样设备包括光谱仪。
说明书 :
一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤光栅设计领域，特别是一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法。
背景技术
[0002] 布拉格光纤光栅(FBG)传感器最近几年光纤传感技术领域的研究热点，也是进行应力和温度测量的有力竞争者。它们有许多先进性优于传统的传感器，如：灵敏度高、防电
磁干扰、耐腐蚀、避免接地回路、带宽大、和远程操控能力等，包括在高温下对微应力的有效
测量。基于光栅的传感器的出现对各种的应用都十分有用，由于布拉格光栅体积小且耐腐
蚀，可以方便地埋入材料的成分中，检测和测量诸如负载水平、应力、温度和振动等参数，从
中可以评估结构的健康状况和追踪建筑物的实时偏差。在恶劣环境或超大型的结构中，对
准分布式传感器可靠的运行能力的需要日益增加。复用测量温度和应力在许多工业领域很
重要，如电厂、桥梁监测、探油和智能系统，还包括医学测量内部温度的应用。应力和温度在
许多其他的工程领域也是必需的，特别是在严酷的环境下，包括高温高压有毒和高电磁干
扰。所以基于FBG传感器的复用技术已经成为实现多点测量和分布式传感技术的关键技术
之一。
磁干扰、耐腐蚀、避免接地回路、带宽大、和远程操控能力等，包括在高温下对微应力的有效
测量。基于光栅的传感器的出现对各种的应用都十分有用，由于布拉格光栅体积小且耐腐
蚀，可以方便地埋入材料的成分中，检测和测量诸如负载水平、应力、温度和振动等参数，从
中可以评估结构的健康状况和追踪建筑物的实时偏差。在恶劣环境或超大型的结构中，对
准分布式传感器可靠的运行能力的需要日益增加。复用测量温度和应力在许多工业领域很
重要，如电厂、桥梁监测、探油和智能系统，还包括医学测量内部温度的应用。应力和温度在
许多其他的工程领域也是必需的，特别是在严酷的环境下，包括高温高压有毒和高电磁干
扰。所以基于FBG传感器的复用技术已经成为实现多点测量和分布式传感技术的关键技术
之一。
[0003] 正如上面所提到的，大容量光栅单元的复用能力在设计光栅传感系统中要考虑的关键问题之一，在FBG传感系统的设计中，光纤光栅中心波长的高精度解调问，是系统能否
实现准确测量的关键。对于一个光纤传感系统，精确检测温度和应操控能力等变的变化归
根结底是检测由被测量引起的Bragg波长的微小漂移。目前对于FBG波长移动量检测已有大
量的报道，由此国内外的很多学者也对基于波分复用(WDM)的FBG传感系统的研究产生了很
大的兴趣。而WDM系统中要求各个光栅的光谱互不重叠，在光源谱宽一定的情况下，就限制
了在系统中应用的光栅的数量。网络复用是FBG的突出优点。对复用传感网络的解调识别是
目前需要突破的一大难点。波分复用和时分复用技术采用的峰值检测方法限制可复用光栅
的数量，当FBG光谱发生重叠时，该方法会引起串扰而影响解调结果。本发明利用交换粒子
群算法对光谱形状复用技术形成的传感网络进行解调识别。
实现准确测量的关键。对于一个光纤传感系统，精确检测温度和应操控能力等变的变化归
根结底是检测由被测量引起的Bragg波长的微小漂移。目前对于FBG波长移动量检测已有大
量的报道，由此国内外的很多学者也对基于波分复用(WDM)的FBG传感系统的研究产生了很
大的兴趣。而WDM系统中要求各个光栅的光谱互不重叠，在光源谱宽一定的情况下，就限制
了在系统中应用的光栅的数量。网络复用是FBG的突出优点。对复用传感网络的解调识别是
目前需要突破的一大难点。波分复用和时分复用技术采用的峰值检测方法限制可复用光栅
的数量，当FBG光谱发生重叠时，该方法会引起串扰而影响解调结果。本发明利用交换粒子
群算法对光谱形状复用技术形成的传感网络进行解调识别。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，解决了因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
[0005] 本发明采用以下方案实现：一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤S1：采集布拉格光纤光栅传感器FBG的光谱数据；
[0007] 步骤S2：采用粒子群算法对目标函数进行寻优；
[0008] 步骤S3：运用交换算子对最优解中的元素进行交换位置重组，并返回步骤S2重新进行优化计算；
[0009] 步骤S4：当满足终止条件时，解调出采样光谱的波长值，否则重复步骤S2与步骤S3。
[0010] 本发明基于曲线拟合的思想，建立了基于FBG串联复用结构传感器的解复用最小化数学模型，通过光谱仪将采集到的FBG重叠的光谱输入到解调系统中，运行粒子群算法对
目标函数进行寻优。基本PSO算法的优点是能更快地向最优解收敛，在快速循环到最大代之
后，将寻得的最有个体通过交换算子进行目标函数计算，比较之后求得最优解，再随机初始
化种群，将这个最优解替换种群其中一个粒子个体，循环几次之后，寻得最优个体，解决了
因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
目标函数进行寻优。基本PSO算法的优点是能更快地向最优解收敛，在快速循环到最大代之
后，将寻得的最有个体通过交换算子进行目标函数计算，比较之后求得最优解，再随机初始
化种群，将这个最优解替换种群其中一个粒子个体，循环几次之后，寻得最优个体，解决了
因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
[0011] 较佳的，布拉格光纤光栅的反射光谱是一个窄带光谱，其尖峰的中心波长被称为布拉格波长λB。布拉格波长λB取决于光纤光栅的有效折射率Deff和光栅周期Λ。当光纤光栅
受到应力或温度影响时，有效折射率neff和光栅周期Λ会发生不同程度的改变，从而引发布
拉格波长λB的漂移。只要测量出这个波长漂移就可以间接测量出传感参量的值。任何使有
效折射率neff和光栅周期Λ发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移，光纤光
栅的一系列传感应用正是基于这个物理原理设计。在所有引起光纤光栅布拉格波长漂移的
外界因素中，最直接的是应力和温度参量，这两个参量与布拉格波长漂移的关系是线性的，
而且是同时作用的。其传感方程可以表示如下：
受到应力或温度影响时，有效折射率neff和光栅周期Λ会发生不同程度的改变，从而引发布
拉格波长λB的漂移。只要测量出这个波长漂移就可以间接测量出传感参量的值。任何使有
效折射率neff和光栅周期Λ发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂移，光纤光
栅的一系列传感应用正是基于这个物理原理设计。在所有引起光纤光栅布拉格波长漂移的
外界因素中，最直接的是应力和温度参量，这两个参量与布拉格波长漂移的关系是线性的，
而且是同时作用的。其传感方程可以表示如下：
[0012]
[0013] 式中，ε是应力的变化，ΔT是温度的变化，Kε是应变敏感系数，KT是温度敏感系数。在此基础上具体分析和推导各类传感应用原理。
[0014] 以两个FBG为例，从反射光谱的参数重构角度出发，将从光谱分析仪采集到数据构造采样光谱构R(λ)，根据光纤传感原理得到的构造光谱Rv(λ,s1,s2)，将波长检测问题转为
求解公式D(s1,s2)的函数优化模型，并用数学拟合的方法给出测量值。
求解公式D(s1,s2)的函数优化模型，并用数学拟合的方法给出测量值。
[0015] R(λ)＝R1g1(λ1‑λB1)+R2g2(λ‑λB2)+N(λ)；
[0016] Rv(λ,s1,s2)＝R1g1(λ‑s1)+R2g2(λ‑s2)；
[0017]
[0018] 式中，λB1与λB2分别表示FBG1和FBG2的初始布拉格波长；当且仅当s1＝λB1,s2＝λB2时，D(s1,s2)取到最小值0，采样光谱和重构光谱的拟合基本完全重合，即可得到采样光谱的
波长值，实现了解调的目的，D(s1,s2)式作为求解FBG传感网络布拉格波长问题的优化数学
模型。
波长值，实现了解调的目的，D(s1,s2)式作为求解FBG传感网络布拉格波长问题的优化数学
模型。
[0019] 由此本发明中，n‑FBG传感网络的优化模型表示为：
[0020]
[0021] λmin≤s1,s2,...,sn≤λmax；
[0022] 进一步地，步骤S1具体为：改变FBG系统的温度或者应力环境，使得FBG的光栅布拉格波长漂移，FBG的反射光谱通过3dB光耦合器进入光谱采样设备，所得到采样数据交由电
脑进行数据处理，得到采样光谱R(λ)。
脑进行数据处理，得到采样光谱R(λ)。
[0023] 进一步地，所述光谱采样设备包括光谱仪。
[0024] 进一步地，步骤S2具体为：运用粒子群对数学模型进行优化，取得最小值，并输出解调最优解X(s1,s2,...,sn)，其数学模型采用的目标函数为：
[0025]
[0026] 式中，Rv(λ,s1,s2,...,sn)＝R1g1(λ‑s1)+R2g2(λ‑s2)+...+Rngn(λ‑sn)；其中，sn表示理论光谱波长，Rn表示反射峰值，gn表示理论光谱的数学模型，λ表示波长的取值范围。
[0027] 进一步地，步骤S3具体为：运用交换算子对最优解X(s1,s2,...,sn)中的元素进行交换位置重组，得到n！个个体，将n！个个体带入目标函数中，并求出其中的最小值，得到最
优解X'(s1',s2',...,sn')，并返回步骤S2，将最优解X'(s1',s2',...,sn')替换目标种群的
一个个体。
优解X'(s1',s2',...,sn')，并返回步骤S2，将最优解X'(s1',s2',...,sn')替换目标种群的
一个个体。
[0028] 与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明克服了传统峰值检测技术中要求各个FBG的带宽必须不能互相重叠的缺点。并且本发明在大大提高运算速度的同时极大
程度地增加可复用的光栅的数量。
程度地增加可复用的光栅的数量。
附图说明
[0029] 图1为本发明实施例的布拉格光纤光栅解调系统示意图。
[0030] 图2为本发明实施例的方法流程示意图1。
[0031] 图3是本发明实施例的方法流程示意图2。
[0032] 图4是本发明实施例的2个FBG的重叠的采样光谱图。
[0033] 图5是本发明实施例的2个FBG的光谱错配图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0035] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。
理解的相同含义。
[0036] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0037] 如图1至图3所示，本实施例提供了一种一种基于交换粒子群的布拉格光纤光栅传感器重叠光谱解调方法，包括以下步骤：
[0038] 步骤S1：采集布拉格光纤光栅传感器FBG的光谱数据；
[0039] 步骤S2：采用粒子群算法对目标函数进行寻优；
[0040] 步骤S3：运用交换算子对最优解中的元素进行交换位置重组，并返回步骤S2重新进行优化计算；
[0041] 步骤S4：当满足终止条件时，解调出采样光谱的波长值，否则重复步骤S2与步骤S3。
[0042] 本实施例基于曲线拟合的思想，建立了基于FBG串联复用结构传感器的解复用最小化数学模型，通过光谱仪将采集到的FBG重叠的光谱输入到解调系统中，运行粒子群算法
对目标函数进行寻优。基本PSO算法的优点是能更快地向最优解收敛，在快速循环到最大代
之后，将寻得的最有个体通过交换算子进行目标函数计算，比较之后求得最优解，再随机初
始化种群，将这个最优解替换种群其中一个粒子个体，循环几次之后，寻得最优个体，解决
了因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
对目标函数进行寻优。基本PSO算法的优点是能更快地向最优解收敛，在快速循环到最大代
之后，将寻得的最有个体通过交换算子进行目标函数计算，比较之后求得最优解，再随机初
始化种群，将这个最优解替换种群其中一个粒子个体，循环几次之后，寻得最优个体，解决
了因FBG光谱重叠而解调效果不良的情况。
[0043] 较佳的，在本实施例中，布拉格光纤光栅的反射光谱是一个窄带光谱，其尖峰的中心波长被称为布拉格波长λB。布拉格波长λB取决于光纤光栅的有效折射率Deff和光栅周期
Λ。当光纤光栅受到应力或温度影响时，有效折射率neff和光栅周期Λ会发生不同程度的改
变，从而引发布拉格波长λB的漂移。只要测量出这个波长漂移就可以间接测量出传感参量
的值。任何使有效折射率neff和光栅周期Λ发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长
的漂移，光纤光栅的一系列传感应用正是基于这个物理原理设计。在所有引起光纤光栅布
拉格波长漂移的外界因素中，最直接的是应力和温度参量，这两个参量与布拉格波长漂移
的关系是线性的，而且是同时作用的。其传感方程可以表示如下：
Λ。当光纤光栅受到应力或温度影响时，有效折射率neff和光栅周期Λ会发生不同程度的改
变，从而引发布拉格波长λB的漂移。只要测量出这个波长漂移就可以间接测量出传感参量
的值。任何使有效折射率neff和光栅周期Λ发生改变的物理过程都将引起光栅布拉格波长
的漂移，光纤光栅的一系列传感应用正是基于这个物理原理设计。在所有引起光纤光栅布
拉格波长漂移的外界因素中，最直接的是应力和温度参量，这两个参量与布拉格波长漂移
的关系是线性的，而且是同时作用的。其传感方程可以表示如下：
[0044]
[0045] 式中，ε是应力的变化，ΔT是温度的变化，Kε是应变敏感系数，KT是温度敏感系数。在此基础上具体分析和推导各类传感应用原理。
[0046] 以两个FBG为例，从反射光谱的参数重构角度出发，将从光谱分析仪采集到数据构造采样光谱构R(λ)，根据光纤传感原理得到的构造光谱Rv(λ,s1,s2)，将波长检测问题转为
求解公式D(s1,s2)的函数优化模型，并用数学拟合的方法给出测量值。
求解公式D(s1,s2)的函数优化模型，并用数学拟合的方法给出测量值。
[0047] R(λ)＝R1g1(λ1‑λB1)+R2g2(λ‑λB2)+N(λ)；
[0048] Rv(λ,s1,s2)＝R1g1(λ‑s1)+R2g2(λ‑s2)；
[0049]
[0050] 式中，λB1与λB2分别表示FBG1和FBG2的初始布拉格波长；当且仅当s1＝λB1,s2＝λB2时，D(s1,s2)取到最小值0，采样光谱和重构光谱的拟合基本完全重合，即可得到采样光谱的
波长值，实现了解调的目的，D(s1,s2)式作为求解FBG传感网络布拉格波长问题的优化数学
模型。
波长值，实现了解调的目的，D(s1,s2)式作为求解FBG传感网络布拉格波长问题的优化数学
模型。
[0051] 由此本发明中，n‑FBG传感网络的优化模型表示为：
[0052]
[0053] λmin≤s1,s2,...,sn≤λmax；
[0054] 在本实施例中，步骤S1具体为：改变FBG系统的温度或者应力环境，使得FBG的光栅布拉格波长漂移，FBG的反射光谱通过3dB光耦合器进入光谱采样设备，所得到采样数据交
由电脑进行数据处理，得到采样光谱R(λ)。
由电脑进行数据处理，得到采样光谱R(λ)。
[0055] 在本实施例中，所述光谱采样设备包括光谱仪。
[0056] 在本实施例中，步骤S2具体为：运用粒子群对数学模型进行优化，取得最小值，并输出解调最优解X(s1,s2,...,sn)，其数学模型采用的目标函数为：
[0057]
[0058] 式中，Rv(λ,s1,s2,...,sn)＝R1g1(λ‑s1)+R2g2(λ‑s2)+...+Rngn(λ‑sn)；其中，sn表示理论光谱波长，Rn表示反射峰值，gn表示理论光谱的数学模型，λ表示波长的取值范围。
[0059] 在本实施例中，步骤S3具体为：运用交换算子对最优解X(s1,s2,...,sn)中的元素进行交换位置重组，得到n！个个体，将n！个个体带入目标函数中，并求出其中的最小值，得
到最优解X'(s1',s2',...,sn')，并返回步骤S2，将最优解X'(s1',s2',...,sn')替换目标种
群的一个个体。
到最优解X'(s1',s2',...,sn')，并返回步骤S2，将最优解X'(s1',s2',...,sn')替换目标种
群的一个个体。
[0060] 在本实施例中，以2个FBG组成的传感网络为例，改变FBG系统的温度，得到如图4所示的重叠的采样光谱，运用粒子群进行寻优，寻的结果会出现错配情况如图5所示，通过交
换算子避免出现这种情况，寻优结果提高，系统的解调性能提高。
换算子避免出现这种情况，寻优结果提高，系统的解调性能提高。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。