[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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：

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。

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。