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为了简化布里渊散射提取温度的步骤并提高提取精度,提出利用径向基函数神经网络直接通过布里渊散射谱获取温度特征的一种新方案;将各温度布里渊散射谱作为训练集计算出温度模型,将待测布里渊散射谱直接输入至模型即可获取温度;对比平滑拟合、反向传播神经网络、径向基函数神经网络3种方案对温度测量的效果,分别选取扫频频率间隔为0.175,1,5,10,20 MHz时的77组数据,并对不同线宽进行扩展。结果表明:基于径向基函数神经网络方法的均方根误差较小,且随步进频率增加而增长缓慢;步进频率为20 MHz时,单线宽误差达到0.8002 ℃,多线宽误差为1.0814 ℃,分别是平滑拟合测量温度方法误差的33.04%和42.88%,是反向传播神经网络均方根误差的40.25%和55.89%;基于径向基函数神经网络的方法在一定程度上减少了计算步骤,提高了收敛性。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于径向基函数神经网络直接提取布里渊散射谱
温度的方法
隋 阳
,
孟 钏 楠
,
董 玮
,
张 歆 东
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室
吉林 长春
摘要
为了简化布里渊散射提取温度的步骤并提高提取精度
提出利用径向基函数神 经网 络直接 通过 布里渊 散射
谱获取温度特征的一种新方案
将各温度布里渊散射谱 作为 训 练集 计算 出 温度 模型
将 待测 布里 渊 散射 谱直 接 输
入至模型即可获取温度
对比平滑拟合
反向传播神 经网 络
径 向基 函数 神 经网 络
种 方案 对温 度 测量 的效 果
分
别选取扫频频率间隔为
时的
组数据
并对不同线宽进行扩展
结果表明
基于 径向 基函
数神经 网 络 方 法 的 均 方 根 误 差 较 小
且 随 步 进 频 率 增 加 而 增 长 缓 慢
步 进 频 率 为
时
单 线 宽 误 差 达 到
多线宽误差为
分别是平滑拟合测量温度方法误差的
和
是反向传播神经网络
均方根误差的
和
基于径向基函数神经网络的方法在一定程度上减少了计算步骤
提高了收敛性
关键词
散射
直接提取
径向基函数神经网络
温度特征
布里渊散射
中图分类号
文献标识码
doi
MethodforDirectTem
p
eratureExtractionofBrillouinScatterin
g
S
p
ectraBasedonRadialBasisFunctionNeuralNetwork
StateKe
y
JointLaborator
y
o
f
Inte
g
ratedO
p
toelectronics
Colle
g
eo
f
ElectronicScienceandEn
g
ineerin
g
JilinUniversit
y
Chan
g
chun
Jilin
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
吉林省科技发展计划
EGmail
EGmail
引
言
在基 于布里渊散 射的光时域 传感系统中
当抽
运光和探测光在传感光纤中相遇并满足布里渊散射
条件时
就会发生布里渊散射
散射信号由探测光携
带并进入终端进行 数据处理
进而可以 获 取温度和
光
学
学
报
应变信息
数据处理一般包括利用
软件
采集数据或结合动态链接库
采集数据
以
及布里渊散射信号的累加
平均
拟合
寻峰
计算布
里渊频移等过程
基于布里渊散射的光时域传感系
统以光纤作为传感 介质和传 输 信道介质
具有灵敏
度高
体积小
质量小等优点
适用于公路隧道
石油
管道
等结构的健康检测
以及光纤激光器等热敏
感 器 件 的 保 护
等
年
等
利用差分脉冲对
技术实现了
以上
的空间分辨率
为了精确 测 量温度和 应 变
需要对布里渊频谱进行拟合
以提高传感测量精度
拟合方法包括
非线性最小 二
乘法
最优化参数估计
平滑拟合
次多项式拟
合
径向 基 函 数 神 经 网 络
拟 合
等
此
外
三 次 数 据 融 合
与 布 谷 鸟 牛 顿 搜 索
混合拟合
也取得了较好 的效果
反向传播
神经网络
混合拟合
在信噪比为
时
仿真的拟合度均大于
互相关 卷 积与高阶 矩 质
心
遗传
粒 子 群
混 合 算 法
也 取 得
了较好的效果
但这些方法都是通过计算布里渊频
移得到温度信息的
本文利用直接提取温度的方法
代替传统的拟合方法
在
的基础上
提出使
用基于
范数欧式距离的
直接提取 温度特
征
将光纤放在温度为
的恒温水浴锅中
加热
采集不同温度下的布里渊增益谱
以不同温度
下的布里渊增益谱信号及其对应的温度作为高维训
练集进行训练
以获得温度特征模型
训练过程中将
输入样本和节点中心按距离权值相乘
形成高维到一
维的映射
考虑到不同测试环境线宽的变化对温度
精度的影响
对数据进行增强处理
以得到适用性较
高的模型
该方法不依赖于温度系数和公式
简化了
传统拟合的步骤
在步进频率 较大时
特别是在
等较大扫频频率时仍能保持较高的精度
布里渊散射谱提取温度的方案
2.1
布里渊散射模型
布里渊散射是入射光与声波相互作用产生的散
射现象
布里渊增益谱
在理想情况下表现为
型
即
g
v
=
g
v
v
-
v
+
v
式中
g
为布里渊 散 射谱增益
g
为布里渊频谱峰
值增益系数
v
为 横 轴 频 率
v
为 布 里 渊 频 谱 增 益
的峰 值 频 率
即 布 里 渊 频 移
v
为布里渊频谱 的半峰全宽
在实
际情况中
布里渊散射谱表 现 为
种曲线型 的 权重
叠加
如 图
所 示
布 里 渊 曲 线 为
曲 线 与
曲线按
权值叠加
图
布里渊散射增益谱
零应变时布里渊频移与温度的变化关系为
v
T
=
v
T
+
C
T
T
-
T
式中
T
为温度自变 量
T
为参考温度
C
T
为温度
系数
v
T
为
T
温度下的 布 里 渊 频 移
v
T
为无应变的布里渊频移
式表明
布里渊频移
与温度呈线性关 系
为了求解 此 线性关系
可采用
拟合的方法对布里 渊散射谱 进 行拟合寻 峰
找到布
里渊频移点后再 求 线性关系
从而得到 温 度
但该
方法的步骤较多
另一种方法是使用端对端神经网
络直接输入布里渊散射谱而得到温度
2.2
提取温度的流程
和 拟 合 方 法 温 度 测 量 流 程 如 图
所
示
T
T
T
n
分别为不同温度下的布里渊增益
谱
其中
左侧为
直接提取温度方法的流
程
训练阶段将采集 到 的波形进 行 训练就可 以 得到
网络模型
在测试阶 段 只需将待 测 波形输入 网 络即
可获得温度
右侧拟 合 方法需要 对 布里渊频 谱 进行
拟合寻峰后再次进行线性拟合
计算温度系数
将测
量波形拟合寻 峰 后
根 据 温 度 系 数 获 取 温 度 信 息
从流程上看
算 法 的 步 骤 比 拟 合 方 法 的 步
骤少
在使用阶段更直接
快速
2.3RBFNN
原理
利用神经网络提取温度可以发挥其端到端的优
势
是最普遍的 浅 层神经网 络
但易陷入 局
部最小
收敛较慢
深度神经 网 络适合解 决 较复杂
的计算机视觉
自然 语 言处理等 大 规模数据 处 理和
语义层面上的问题
在小规模 数 据集上易 出 现过拟
合
并且参数繁 多
预测速度较 慢
因此
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