基于改进的蝠鲼觅食算法的光纤布拉格光栅解调方法

针对光纤布拉格光栅在复用时,由于光源带宽有限可能会导致光谱重叠,进而影响解调精度的问题,提出一种新型的光纤布拉格光栅重叠谱解调方法。该方法基于改进的蝠鲼觅食优化算法,利用Tent混沌映射优化初始种群多样性,采用差分进化算法优化个体位置更新策略,解决了蝠鲼觅食优化算法易陷入局部最优的问题。对多个光纤布拉格光栅重叠谱进行仿真与实验,结果表明:所提方法能够准确解调出重叠光谱的中心波长,即使在光谱畸变的情况下,误差最大不超过0.01 nm;同时有效降低了陷入局部最优的概率,提高了算法的稳定性、可靠性。     

基于峰值匹配分布式估计算法的光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的波长解调

针对有限光源带宽条件下光纤布拉格光栅传感网络重叠复用的解调瓶颈,提出基于峰值匹配分布式估计算法的波长解调方法,将光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的解调问题转化为函数优化问题,利用理论光谱与重叠光谱之间的差异构建优化模型,通过峰值匹配分布式估计算法对该优化模型进行求解得到各光纤布拉格光栅的传感值.分布式估计算法采用高斯混合模型构建描述光纤布拉格光栅传感网络的解空间概率分布,由概率模型采样产生新的种群个体,并引入峰值匹配算子消除光纤布拉格光栅峰值错配,通过反复进化最终得到最优解.采用该方法对不同规模数量的光纤布拉格光栅传感网络进行解调实验,结果表明该方法在大规模光纤布拉格光栅光谱完全重叠的情况下,平均误差可控制在10pm以内;与现有其他解调技术相比,其具有更高的解调精度,能够解决光纤布拉格光栅传感网络光谱在部分重叠甚至完全重叠情况下的波长解调问题,为提升光纤布拉格光栅传感网络复用数量提供了新的解调途径.     

提升FBG传感性能的智能算法研究进展北大核心CSCD

对光纤布拉格光栅反射谱进行精确解调是影响FBG传感系统性能的关键技术之一。传统解调算法大多适用于理想反射光谱,对于重叠谱、畸变谱的精度欠佳。随着人工智能技术的迅速发展,许多智能算法已成功用于改善解调性能。文中综述了近几年在FBG传感领域常用的几种智能算法,包括群智能算法、模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法、神经网络算法等。阐述了每种智能算法的原理及在FBG传感领域应用存在的优缺点,分析了FBG传感存在的问题及发展趋势。     

基于门控循环单元网络的FBG传感网络重叠光谱的波长检测

针对光纤布拉格光栅(FBG)传感网络中重叠光谱的中心波长解调问题,提出一种基于门控循环单元(GRU)网络的波长检测方法。该方法将FBG重叠光谱的波长解调问题转换为模型回归问题,同时考虑到光谱数据的序列特征和频谱特性,采用GRU网络实现对光谱数据的特征学习,训练得到相应的波长检测模型,从而实现对重叠光谱的精确快速解调。经实验验证,所提方法能够解决FBG传感网络光谱部分重叠或完全重叠条件下的中心波长的精确解调问题,其方均根小于1 pm的测试结果占总数的88.2%。相比现有的解调方式,所提方法在检测精度和稳定性上均有一定的提升,为提高FBG传感网络的复用能力提供了新的途径。     

基于长周期光纤光栅的FBG解调方法北大核心CSCD

研究了基于长周期光纤光栅(long-period fiber gratings,LPFG)的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings,FBG)解调方法,该方法利用LPFG的透射谱作为边沿滤波器解调FBG,其解调性能主要取决于LPFG的透射光谱深度。详细分析了CO_(2)激光写制法对透射光谱的影响,制作了透射光谱深度为25 dB的LPFG,并采用该光栅搭建了FBG解调装置,将FBG粘贴于金属应变片表面,测试了其静态与动态响应特征。实验结果表明:该方法制作简单,成本低,具有较好的线性动态范围,可以实现较高灵敏度的FBG解调。     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测,基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构,编写了上位机软件,嵌入了不同的寻峰算法,可适用于不同噪声环境下中心波长的计算,以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例,提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法,提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验,结果表明,阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果,且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算,所得系统精度为5.89 pm,与模拟评测结果的误差小于1.7 pm,验证了模拟评测的可行性。     

利用模拟退火算法研究光纤布拉格光栅的光谱形状复用技术

利用光谱形状复用技术和模拟退火算法对光栅光谱重叠现象进行了理论分析和实验研究,分别研究了2个、3个和4个光栅光谱部分重叠和完全重叠时的区分识别情况。研究结果表明,当光纤光栅反射谱发生部分重叠或完全重叠时,可以利用模拟退火算法实现光栅的区分识别,且不多于4个光栅的光谱重叠能够被很好地区分识别,波长识别误差小于10 pm,实验结果与理论能够很好地吻合。此方法为大规模光纤光栅传感网络中光栅复用解调提供了一种可供选择的解决方案。     

基于三角波驱动法珀可调谐滤波器的光纤光栅解调偏差校正算法

为了校正解调系统在三角波上升行程和下降行程对光纤布拉格光栅(FBG)波长解调结果出现的偏差,提出一种采样点相对位置的校正算法。将三角波2个扫描行程的FBG波峰分别映射到相应的标准具原始数据中,再对2个映射波峰在标准具光谱中的相对位置偏差进行校正,达到减小解调偏差的目的。实验采用2支不同波长的FBG进行验证,结果显示,经过校正,FBG1将三角波上下扫描行程的解调偏差从12.053 pm减小到了0.476 pm,FBG2将该解调偏差从12.101 pm减小到了0.427 pm,2支传感器的解调偏差相比校正前分别减小了25.3倍和28.3倍。     

粒子群优化算法在光纤光栅传感器波长解调中的应用

为了提高光纤光栅(FBG)解调系统的波长解调精度,采用粒子群优化(PSO)算法结合参考光纤光栅(FBG),对常用波长解调器Fabry-Perot型光纤滤波器(FPF)的透射光谱中心波长与控制电压之间存在的非线性和回滞特性进行了研究,并提出一种实时建立FPF透射光中心波长与其控制电压之间关系模型的方法。该方法利用粒子群优化算法收敛快、易实现的特点,保证了FPF模型建立的准确性和实时性。实验结果证明,利用所建模型可有效提高FBG传感系统的波长测量准确度,测量误差不超过25 pm。系统结构简单,对提高FBG传感系统的测量准确度具有重要意义。     

指数修正高斯拟合寻峰算法处理FBG传感信号

光纤布拉格光栅(FBG)传感系统因其检测精度高、重复性好和适应性强等优点而被广泛应用于不同领域。由于FBG传感器为波长调制型传感器,因此对于外界参量的检测即为FBG中心波长的检测,而FBG中心波长值对应于FBG反射光谱的峰值。因此,系统解调的核心即为FBG反射光谱的峰值检测,而高精度的寻峰算法是系统解调的关键技术。现有的寻峰算法对FBG反射谱进行峰值检测时,都是以FBG反射谱为标准高斯型为前提的。但由于实际制作工艺及环境的影响,FBG反射光谱并不是标准高斯型光谱,而是非对称的高斯型光谱,其非对称特性往往会对寻峰精度有一定的影响。针对现有算法这一缺陷,提出了一种指数修正高斯(EMG)拟合寻峰算法。利用三次判定定位实现粗定位,同时剔除假峰和无效峰值;在此基础上以粗定位点为中心进行光谱重构,再利用积分判定峰值偏向;然后根据不同的峰值偏向以给定的指数修正函数进行相应的峰值修正。实验仿真结果表明：定温条件下或变温条件下,与直接寻峰算法、高斯拟合算法和文献中的算法相比,EMG算法的峰值检测误差最小,寻峰精度提高。考虑了FBG反射光谱非对称特性对寻峰的影响,从光谱自身特性的角度,既克服了传统寻峰算法的局限性,又保证了高精度的寻峰效果。     

基于CDMA的布拉格光纤光栅传感系统的仿真分析

讨论了光纤光栅传感系统中常用的复用技术及其限制,阐述了利用CDMA技术实现光纤布拉格光栅阵列波长解调的复用方式,对系统的原理和性能进行了理论分析。在此基础上通过MATLAB做了基于CDMA的光纤光栅传感仿真分析,仿真结果表明该方法能区分反射波长重叠的光栅,从而提高FBG网络复用的频带利用率。     

基于Sagnac环的FBG时分复用强度解调技术

提出了一种基于Sagnac光纤环的布拉格光栅时分复用强度解调方法,多个中心波长相同的光纤布拉格光栅组成时分复用传感网络,通过光纤布拉格光栅网络输出光谱的强度变化对光信号进行解调;在系统信号解调模块,采用小波分析与高斯拟合的算法对信号进行滤波处理及拟合优化处理。实验结果证明,系统信号信噪比由8.06 dB提高到11.7 dB,提高了约36%,有效提升了系统的抗干扰能力以及检测外界参量传感的准确度。该方法在极大降低解调系统成本的同时,有效提高了布拉格光栅传感器复用数量,可用于各种传感系统或者参量检测系统中。     

双边缘均值光纤Bragg光栅波长解调技术

光纤Bragg光栅（FBG）传感器是一种波长调制型传感器，波长解调技术是FBG传感系统的关键，通常是对FBG反射谱进行波形采样，得到反射谱的峰值信号，以此作为FBG中心波长的特征值。这种方法需要实时采集大量数据，所以影响解调速度。通过对FBG反射谱的分析，得出FBG反射谱具有很好的对称性。在此基础上提出了采用反射波双边缘均值的方法测算中心波长。实验证明，采用这种方法进行波长解调，可以使FBG信号处理简单、动、静态波长时测算精度高，可以极大地提高解调系统处理FBG传感信号的速度。     

基于麻雀搜索算法的土壤重金属X射线荧光光谱重叠峰解析

近年来随着土壤重金属污染的加剧,和人们环境意识的逐渐提高,科研人员对快速检测土壤重金属含量方法的研究正在不断深化。目前,X射线荧光分析法(XRF)是广泛应用于土壤重金属污染检测的方法。但由于X射线荧光光谱仪的能量分辨率有限,而一些重金属元素的荧光产额较低,一些元素的相邻谱峰出现了重叠现象。针对XRF法中元素相邻谱峰的重叠问题,提出了一种基于麻雀搜索算法(SSA)的光谱重叠峰解析方法。首先,将从河北保定地区采样得到的土壤,制备出不同含水率、不同重金属元素含量的样本并用X射线荧光光谱仪获取原始光谱数据。接着,对光谱数据进行预处理,采用谱聚类算法剔除异常光谱样本,采用Savitzky-Golay五点二次去噪法和线性本底法完成对光谱的去噪和本底扣除,并对光谱净计数用随机数法生成大量模拟光谱数据,以备后续算法使用。然后,用期望最大化法(EM)对重叠峰进行初步解析,首先设置EM算法的初始参数,并将生成的模拟光谱数据代入EM算法,当达到迭代次数时,即可初步得到高斯混合模型(GMM)中各高斯峰的期望、方差和权重参数。但由于EM算法容易受初始参数设置的影响,且易陷入局部最优而导致结果不准确,还需对EM算法进一步优化。本研究采用SSA对GMM的各参数进行全局优化,在设置SSA算法的基本参数后,将100组由EM算法得到的参数作为该算法的初始种群,并设置合适的适应度函数,通过迭代,最终得到全局最优参数,实现了重叠峰的分解。SSA受参数设置的影响较小,相比于一些传统的优化算法,如遗传算法(GA)、蚁群算法(ACO)、粒子群算法(PSO)等,具有收敛速度快、不易陷入局部最优的特点,因此,采用此算法,可以达到较好的优化效果。通过对重叠峰解析结果的分析表明,该算法可在较少的迭代次数下得到较准确的解析结果,可广泛应用于能谱重叠峰解析。     

光纤菲佐传感器频分复用网络解调方法研究

为了减小光纤菲佐传感器间的串扰,提高传感器网络的复用能力,提出了基于Pisarenko正弦波恢复法的光纤菲佐应变传感器频分复用网络光谱解调方案。在多光束干涉原理的基础上,建立了基于Pisarenko正弦波恢复方法的传感器频分复用解调模型,并对2个光纤菲佐传感器的串扰进行了实验研究。快速傅里叶变换能够达到应变精度好于±10με的传感器间最小腔长差约为500μm,而该方法可以把最小腔长差缩短至100μm左右。这意味着系统的复用能力提高了大约5倍。因此,该方法是一种串扰小、复用能力强的解调方法,在大容量准分布式传感网络中具有极大的潜在应用价值。     

基于多尺度局部信噪比的拉曼谱峰识别算法

拉曼谱峰识别是拉曼光谱定性分析中的关键技术之一。针对现有方法的自动化程度不高、识别率低的问题,提出了一种新的基于多尺度局部信噪比(MLSNR)的拉曼谱峰识别算法。算法通过多尺度二阶差分运算,得到光谱的差分系数,再将差分系数除以估计出的噪声标准差,获得光谱的MLSNR矩阵,通过寻找MLSNR矩阵中的局部极大值形成的脊线来识别拉曼谱峰。算法采用自动阈值估计法去除噪声引起的局部极大值的干扰,可实现谱峰的自动化识别,不需设置任何参数。仿真实验结果表明:无论对单峰还是重叠峰,当拉曼谱峰信噪比大于等于6时MLSNR的谱峰识别准确率均高达100%,即使对处于检测限的单峰,仍有95%以上的识别准确率。MLSNR是一种切实可行的拉曼谱峰识别方法。     

利用成像光谱技术的光纤光栅多传感器复用

根据光纤光栅多传感器复用时信号的光谱特征，提出了采用成像光谱技术对复用信号进行解调的方案。在分析了成像光谱复用方案原理、推导了其测量分辨率及复用能力等主要性能指标的基础上，给出了验证实验系统及相应实验的结果。     

基于衍射光栅的FBG传感系统解调算法分析

研究并实现了一种基于衍射光栅的FBG解调系统,针对该解调系统从理论上分析了光纤内的模式分布,分析了由FBG引起的模式间耦合效应。根据高斯光束经过该系统后的空间光强分布,采用多项式拟合的方法实现了反射光谱峰值定位算法。通过与高精度光谱仪的测量结果对比表明,该解调方法具有较高的波长解调精度和稳定性。由于系统中不存在扫描机构,该技术可以实现较高的动态扫描频率。     

双长周期光栅调制的光纤光栅光谱分析及其在智能结构监测中的应用

提出一种双长周期光栅(LPFG)调制光纤Bragg光栅(FBG)传感器光谱的方法。双LPFG是由两个中心波长一致的LPFG构成,FBG反射光谱位于双LPFG透射光谱的线性范围内。在对FBG及双LPFG光谱分析的基础上,利用双LPFG的带阻滤波特性,获得FBG反射光经双LPFG调制后的出射光谱并进行分析。将FBG粘贴于钢梁表面,当钢梁产生弯曲应变时,FBG光谱的中心波长发生偏移,经双LPFG调制的FBG光谱的峰值随之变化,引起双LPFG出射光强的变化。采用光电探测器监测经双LPFG调制后FBG的输出光强,得滤波后光强与FBG中心波长变化成线性关系,可探测的材料(钢梁)最小应变为1.05 με。将该方案应用于光纤智能结构冲击监测中,采用摆锤冲击法对四边固支碳纤维板(CFP)试件进行冲击,利用FBG测量板结构的冲击响应信号,系统采集到的动态信号时域波形及频谱与电涡流位移计的测量结果吻合得很好, 实验结果表明采用该调制、解调方案测量结构的冲击响应是可行的。研究结果为FBG在光纤智能结构动态监测领域提供了实验参考。     

结合FBG-FP的变压器局部放电光纤全方向传感研究

为实现变压器局部放电的灵敏检测,避免漏检局部放电信号,基于光纤布拉格光栅(FBG)与法布里珀罗腔(Fabry-Perot cavity)传感原理提出了一种结合FBG-FP的变压器油中局部放电光纤全方向传感方法。介绍了FBG与FP腔的局部放电传感原理,局部放电产生的超声波会引起FBG反射光谱与FP腔干涉光谱的偏移,通过光谱边缘解调法进行光强解调可实现局放信号的检测。研制了局部放电光纤全方向传感器,通过3D打印技术制作了尺寸为25 mm×25 mm×25mm的长方体探头,探头中空结构用于插入单模光纤形成FP腔,四个侧面用于形成膜片式FBG传感结构,可接收不同方向的超声信号。基于变压器油中局部放电的频谱特性与液相环境中膜片的振动模型设计了超声传感膜片,选用镀有高反介质膜的康宁玻璃作为FP腔传感膜片,膜片半径为1.7 mm,厚度为0.165 mm,理论谐振频率为82 kHz;选用单晶硅作为FBG传感膜片,膜片半径为2.5 mm,厚度为0.1 mm,理论谐振频率为25.6 kHz。搭建了光纤局部放电传感系统并进行了局部放电光纤全方向传感器性能测试。通过断铅实验测得变压器油中传感器FBG传感膜片实...