一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，包括以下步骤：S1，根据FBG传感网的数学特性，和测得的反射光谱，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式，并重构反射光谱的数学表达式，将入射光谱与反射光谱数学表达式的方差作为目标函数；S2，采用粒子群算法对目标函数的解进行搜寻，得到最优解之前，每次粒子位置更新以后均采用改进模拟退火算法进行退火操作，避免求出的解陷入局部最优解；S3，将得出的最优解作为FBG传感网中各FBG的反射光谱中心波长值。与现有技术相比，本发明专利技术提高对FBG光谱复用的解调效率，增加了光栅光谱重叠解调数量，克服不同光栅的波长范围不能重叠的限制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法
本专利技术涉及一种FBG传感网光谱解调方法，尤其是涉及一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法。
技术介绍
光纤布拉格光栅(FiberBragggrating,FBG)传感器为一种光纤无源器件，具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、灵敏度高、易于实现分布式网络复用等优点，广泛应用于光学通信和光学传感等领域。光纤光栅传感器利用其反射光谱波峰的中心波长偏移量与被检物理量之间的对应关系，实现对传感参量(例如温度、湿度、应变等)的检测。在对多个变量进行同步检测时，需要将FBG传感器组建成多路复用的网络结构。然而当光源的带宽有限时，随着光栅的复用数量增加，会出现FBG光谱重叠的问题，影响到传感系统的解调效果。因此，区分出FBG传感网络中重叠的光谱对提高传感系统的复用能力至关重要。目前在解决FBG传感网络中光谱重叠的问题中，常使用的方法有：遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法等。遗传算法应用于FBG传感网中，能够精准检测传感系统中重叠光谱的布拉格光栅波长，但是遗传算法没有及时利用网络的反馈信息，导致算法的搜索速度比较缓慢，在求得精确的解时需要大量的计算时间，并且在求解问题时需要编码，求出最优解后需要进行解码，加大计算复杂性，不适合实际工程环境下的波长识别；差分进化算法对寻找FBG的波长精度有所提高，但是随着进化迭代步数增加，使得个体间的差异性降低，容易导致算法出现早熟收敛现象；模拟退火算法其运行时间短，在区别传感系统中光谱重叠时，能够实时反馈计算结果，但是其全局搜索性差，并且算法的初始值选取会影响其计算精度和计算耗时。上述的算法在处理FBG传感网络的光谱重叠问题时，均能够识别出系统各个FBG传感器的中心波长，提高对FBG光谱复用的解调效率。但是上述的算法只是实现两个光栅的光谱重叠情况下的复用解调，没有考虑多个光栅光谱重叠的情况，并且都有相应的算法缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，包括以下步骤：S1，根据FBG传感网的光栅光谱形状不变性原理，测量未受到应力时的反射光谱，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式，并重构反射光谱的数学表达式，将入射光谱与反射光谱数学表达式的方差作为目标函数；S2，采用粒子群算法对目标函数的解进行搜寻，得到最优解之前，每次粒子位置更新以后均采用改进模拟退火算法进行退火操作，避免求出的解陷入局部最优解；S3，将得出的最优解作为FBG传感网中各FBG的反射光谱中心波长值。所述的步骤S1包括以下步骤：S11，依据每个FBG反射的独立光谱的数学表达式，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式如下：其中，R(λ)为整个FBG传感网的反射光谱，n为FBG传感网包含的光栅个数，Ri为第i条链中FBG的峰值反射率，gi为第i条链中FBG反射的独立光谱数学表达式，λ为未知光栅的中心波长值，λBi为第i条链中FBG的反射光中心波长；S12，对R(λ)进行重构，得到重构反射光谱表达式如下：其中，Rv(λ,xBi)为整个FBG传感网的重构反射光谱，xBi为重构光谱的反射光中心波长；S13，确定目标函数如下：所述的每个FBG反射的独立光谱采用高斯函数近似表达。所述的步骤S2包括以下步骤：S21，给粒子群随机设置初始位置x0和初始速度v0，、设置初始温度T0和粒子群数M和最大迭代步数D；S22，将当前位置x0代入目标函数，计算每个粒子的适应度f(x0)，根据适应度搜寻个体最优解Pi和全局最优解gbest；S23，更新所有的粒子的速度和位置，判断更新后的新解是否在解空间中，如果不满足则继续获取新解，粒子速度与位置更新公式如下：其中，下标new表示更新后的参数，上标和下标表示旧的参数，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]内的随机数；S24，利用Metropolis准则判断是否接受更新位置xnew的值，若接受，则xnew作为下一次迭代的xold，若不接受，则摒弃xnew，然后进入步骤S25；S25，判断当前解是否为最优解，若是，且满足终止条件，则输出粒子群中最优解并结束，否则进入步骤S26进行退火操作；S26，利用下式进行退火操作：其中，α为温度衰减速率，t为迭代步数，k为模拟退火算法计算出的温度T达到低温时的迭代步数值，μ为回温因子，0＜μ＜1，μ与Tt+1成反比关系；S27，返回步骤S22。所述的步骤S26中，选取0.7≤α≤1.0。所述的步骤S26中，k为温度T下降速度低于设定速度时的迭代步数值。所述的c1、c2为非负常数，c1+c2>4。与现有技术相比，本专利技术可对光谱形状重叠中各个光栅的波长进行识别；在模拟退火粒子群算法基础上，对算法退火过程中的衰减函数进行修改：当温度值在高温区时，按指数方式衰减，提高计算效率；当温度值处于低温时，作适当的回火升温，避免算法陷入“局部最优”。利用改进后的方法，提高对FBG光谱复用的解调效率，增加了光栅光谱重叠解调数量，克服不同光栅的波长范围不能重叠的限制。该方法可以应用于大规模光纤光栅传感网络中，为提高FBG传感网复用能力提供一种新方案。附图说明图1为本实施例用于产生分布式FBG光谱重叠的实验装置示意图；图2是为本实施例改进模拟退火算法流程图；图3是本实施例改进后算法退火温度曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例一种基于改进模拟退火区别分布式FBG传感网络中光谱复用方法，在该方法中，包括以下步骤：步骤一：根据FBG传感系统的数学特性，确定其相关的数学表达式并建立合理的数学模型，构建出分布式FBG传感网络系统的光谱重叠的目标函数。步骤二：结合粒子群算法和改进模拟退火算法对构建的目标函数进行求解；采用粒子群算法对目标函数的解进行搜寻，能够加快运行初期的收敛速度；采用改进模拟退火算法避免求出的解陷入局部最优解，增加获取具有最优解的概率；将两种算法结合，使得形成的新的优化算法既有全局优化又具有高效快速性。步骤三:利用新的优化算法得出最优解，得出的最优解即为传感系统中的各个FBG的中心波长值。进一步，在步骤一中，确定分布式FBG传感网络的光谱重叠的目标函数，为后续的求解提供数学理论基础，具体包括以下步骤：1)假设分布式FBG传感网络中含有i个FBG传感器，且每个FBG传感器在没有受到外界因素干扰情况下，根据光栅光谱形状不变原理，其反射回来的单个FBG传感器的独立光谱(记为gi(λ))只发生了中心波长平移，依据每个FBG的独立光谱数学表达式，表示出整个光谱复用系统的反射光谱的数学表达式；2)将反射回来的独立光谱设为未知量，重新构造整个光谱复用系统的反射光谱的数学表达式；3)将原始传感系统的光谱数学表达式与重新构造后传感系统的光谱数学表达式作方差，即可得到分布式FBG传感网络系统的光谱重叠的目标函数。进一步，在步骤二中，所述的粒子群算法和改进模拟退火结合方法是为了提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据FBG传感网的光栅光谱形状不变性原理，测量未受到应力时的反射光谱，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式，并重构反射光谱的数学表达式，将入射光谱与反射光谱数学表达式的方差作为目标函数；S2，采用粒子群算法对目标函数的解进行搜寻，得到最优解之前，每次粒子位置更新以后均采用改进模拟退火算法进行退火操作，避免求出的解陷入局部最优解；S3，将得出的最优解作为FBG传感网中各FBG的反射光谱中心波长值。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据FBG传感网的光栅光谱形状不变性原理，测量未受到应力时的反射光谱，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式，并重构反射光谱的数学表达式，将入射光谱与反射光谱数学表达式的方差作为目标函数；S2，采用粒子群算法对目标函数的解进行搜寻，得到最优解之前，每次粒子位置更新以后均采用改进模拟退火算法进行退火操作，避免求出的解陷入局部最优解；S3，将得出的最优解作为FBG传感网中各FBG的反射光谱中心波长值。2.根据权利要求1所述的一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，其特征在于，所述的步骤S1包括以下步骤：S11，依据每个FBG反射的独立光谱的数学表达式，表示出整个FBG传感网的反射光谱的数学表达式如下：其中，R(λ)为整个FBG传感网的反射光谱，n为FBG传感网包含的光栅个数，Ri为第i条链中FBG的峰值反射率，gi为第i条链中FBG反射的独立光谱数学表达式，λ为未知光栅的中心波长值，λBi为第i条链中FBG的反射光中心波长；S12，对R(λ)进行重构，得到重构反射光谱表达式如下：其中，Rv(λ,xBi)为整个FBG传感网的重构反射光谱，xBi为重构光谱的反射光中心波长；S13，确定目标函数如下：3.根据权利要求2所述的一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，其特征在于，所述的每个FBG反射的独立光谱采用高斯函数近似表达。4.根据权利要求1所述的一种基于改进模拟退火法的FBG传感网光谱解调方法，其特征在于，所述的步骤S2包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志斌，刘畅，黄启韬，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31