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针对光纤布拉格光栅(FBG)传感网络畸变光谱难以解调的问题,在超高斯光谱函数的基础上构造畸变光谱的理论函数,将畸变FBG传感网络光谱的解调问题转化为函数优化问题,提出了基于分布式估计算法的波长解调技术,并对已发生畸变的FBG传感网络进行解调实验。结果表明:分布式估计算法解调算法不仅能够在光谱畸变情况下保持较高的解调精度,其平均误差控制在1 pm以内,而且能够对光谱畸变的程度作出定量估计。与传统峰值检测解调技术相比,该方法解决了FBG传感网络畸变光谱波长难以解调的问题,为延长FBG传感网络使用寿命提供了新的途径,对提升FBG传感网络可靠性具有重要意义。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
畸变光谱下光纤布拉格光栅传感网络
波长检测优化方法
江 灏
,
,
,
周 清 旭
,
,
陈 静
,
,
缪 希 仁
,
福州大学电气工程与自动化学院
福建 福州
福州大学电力系统与装置产业研究院
福建 福州
福建省医疗器械和医药技术重点实验室
福建 福州
摘要
针对光纤布拉格光栅
传感网络畸变光谱难以解调的问题
在超 高斯 光谱函 数的 基础上 构造 畸变光 谱
的理论函数
将畸变
传感网络光谱的解调问题转化为函数优化问题
提出 了基 于分布 式估 计算法 的波 长解调
技术
并对已发生畸变的
传感网络进行解调实验
结果表明
分布式 估计 算法解 调算 法不仅 能够 在光谱 畸变
情况下保持较高的解调精度
其平均误差控制在
以内
而且能够对光谱畸变的程度作出定量 估计
与传 统峰
值检测解调技术相比
该方法解决了
传感网络畸变光谱波长难以解调的问题
为延长
传感网络使用寿命
提供了新的途径
对提升
传感网络可靠性具有重要意义
关键词
光纤光学
光纤布拉格光栅
畸变光谱
波长解调
分布式估计算法
中图分类号
文献标识码
doi
Wavelen
g
thDetectionO
p
timizationofFiberBra
gg
Gratin
g
Sensin
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NetworksBasedonDistortionS
p
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andAutomation
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Fu
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FuzhouUniversit
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Fuzhou
Fu
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Fu
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Laborator
y
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MedicalInstrumentation&PharmaceuticalTechnolo
gy
Fuzhou
Fu
j
ian
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
福建省自然科学基金面 上项 目
福建 省教
育厅中青年科研项目
福 建 省高 校 青 年 自然 科 学 基 金 重 点 项 目
福 州 大 学 引 进 人 才 科 研 启 动 项 目
福建省高校杰出青年科研人才计划
EGmail
光
学
学
报
引
言
光纤光栅
传感作为近年来迅速发展的一
项新型传感 技 术
由 于 其 具 有 抗 电 磁 干 扰
线 性 传
感
便于复用组网等优点
被应用于多种工程领域的
传感监测中
尤其在 结 构健康监 测 领域具有 巨 大的
应用价 值
传 感 网 络 通 过 分 布 式 多 点 测
量
对结构对象进行安全评估和损伤定位
实现长期
服役过程的预警和诊断
为大型工程如桥梁大坝
土
木建筑
电力系统等 不 同环境健 康 监测提供 技 术解
决途径
传感网 络 在 结 构 健 康 监 测 系 统 中 需 要 进
行长期的信息监测
不可避免 地 会受到诸 如 环境温
度
湿度
化学腐蚀等 外 界 因 素 的 冲 击 影 响
虽
然
具有较长的使用寿命
但是在长期的循环荷
载和环境侵蚀的双 重作用下
加上施工 技 术和结构
设计的局限
传感器会出现不同 程度的性能 退
化现象
等
基 于 应 力 疲 劳 理 论 报 道 了 长
期处于应力载荷 下
栅 体 结 构 会 被 破 坏
导 致
性能衰减和反射光谱畸变这一现象
研
究了不同类型
的长期热稳定性
证实高温环境
下
将 产 生 波 长 漂 移
反 射 率 不 可 逆 变 化 等 现
象
吴俊等
揭 示 了
调 制 深 度 的 衰 变 机 理
交变温度及应力会使
热稳定特性加速退化
使
反射光谱无 法 识 别
性 能 退 化 会 出 现 不 同 程
度的光谱畸变
光强衰减
光谱重叠 等 现象
这些退
化光谱难以被解调
进而使
失去传感能力
因
此
保证
传感网络在局部性能退化情况下能够
正常工作 的一种有效 途径就是增 强
传感网络
对复 杂 畸 变 光 谱 的 解 调 能 力
张 娅 玲 等
针 对
反射光 谱 波 长 缺 失 的 现 象
利 用 径 向 基 函 数
网络模型恢复数据方法避免了链路损耗对解
调异常的影响
然而与光 谱 退化引起 的 异常相比
波长缺失更难辨识
目前异常光谱解调技术的研究
尚处于起 步 阶 段
文 献
提 出 一 种 微 结 构 法 布
里
珀罗 干 涉 仪 的
波 长 解 调 方 法
文 献
从优化角度对
光谱的重叠串扰问题进行了
初步研究
采用差分进化算法解调两个串联
的
重叠光谱
验证了利 用 进化计算 方 法可以得 到 较高
解调精度的结 论
文 献
又 进 一 步 引 入 最 小
二乘 支 持 向 量 回 归 机
和 极 端 学 习 机
算法研究重叠光谱解调 模 型 的 构 建
文 献
针对
重叠光谱的特点
采用峰值匹配分布
式估计算法对反射 光谱峰值 进 行重新匹 配
避免了
峰值错配 问 题
提 高 了 重 叠 光 谱 的 解 调 精 度
然而上述研究尚未 考虑光谱 畸 变的情况
正常光谱
和畸变光谱之间同 样会产生 串 扰
畸变光谱 还 存在
谱型的不 对称性以及
性能退化的 不确定性等
问题
如何从混淆光谱数据解调出正确的测量结果
是在性能退化下提升容错机制的难点所在
综合考
虑
性能退化特 性
提取光谱畸 变特征
研究有
效的自适 应解调方法 对于
传感网络容 错研究
具有十分重要的意义
本文通过提取 不同应变 下 的
传 感 器 光 谱
信号
重点分析主瓣变宽
波形不对称以及光强变弱
三种畸变的谱型特征
在超高斯光谱的基础上构造
畸变光谱的理论函 数
设计表征 三 种畸变特 征 的参
数
完成对整个
传感网络光 谱的模型重构
使
之能够同 时 适 用 正 常 光 谱 与 异 常 光 谱
为 实 现 对
传感网络畸变光谱的解调
从优化角度 提出了
一种基于分布式估计
算法
的
传感
网络波长解调技术
通过引入 种 群进化的 概 率模型
评估候选解在空间 的分布
再依据概 率 模型采样 产
生新的种群进行进化寻优
分布式估计算法在搜索
策略上摒弃 了 遗 传 算 法 等 较 为 盲 目 的 种 群 进 化 过
程
将更有助于解决
传感网络畸变光谱的解调
问题
传感网络畸变光谱解调模型
2.1FBG
畸变反射光谱特征
典型的
传感网络如图
所示
宽带光源产
生的入射光经过
光耦合器及
T
T
为光路
数量
的分束器进入
阵 列 中
随 后 各
的
反射光谱经 过 分 束 器 和 光 耦 合 器 进 入 光 谱 分 析 仪
等光谱采样设备
最后将采样 数据送 入计算
机进行解调 处 理
传 感 网 络 在 大 型 结 构 健 康
检测系统中由于受 到外界因 素 冲击的影 响
其部分
节点发生性能退化
其网络结构 本身并不会 发
生改变
主要区别仅在于采样得到
的光谱发生
了畸变
如图
中的光谱所示
实线表示正常光谱
虚线表示畸变光 谱
可以发现
与正常光 谱 相比
畸
变光谱的峰值位置和波形对称性都发生了改变
如图
所示
因
性能退化而引起的光谱畸
变可以大致分为
种类型
光谱的主峰展宽变大
导致峰顶变平
使得 传 统最大峰 值 检测算法 的 解调
精度降低
光谱的中心波长向左或向右发生偏移
导致波形左右不对称
使得波长解调产生测量误差
光谱的光强变弱
导致中心波长峰值降低
当峰值
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