[發明專利]基于遺傳規劃的Bragg光柵軸向非均勻應變重構方法

無效

• 申請號: 200910028457.2
• 申請日: 2009-01-20
• 公開（公告）號: CN101477224A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 鄭世杰;夏彥君;張榮祥
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B27/00;G06N3/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 魏學成

技術領域

本發明涉及一種非均勻應變重構方法，尤其涉及一種基于遺傳規劃的Bragg光柵軸向非均勻應變重構方法，屬于非均勻應變重構領域。

背景技術

近年來，光纖Bragg光柵(FBG)作為光纖通信和光纖傳感的重要器件，其在健康監測領域中的應用引起了人們極大的興趣。當FBG所處環境的應力、應變、溫度等物理量發生變化時，會引起光柵周期或光纖有效折射率的變化，導致FBG的反射光譜形狀發生變化，通過測量反射光譜形狀的變化，就能獲得待測物理量的變化情況。

通過光柵的反射光譜的反射率信息重構光柵軸向承受的應變及應變梯度是非常棘手的工程反問題。一些常用的反問題求解方法，如梯度下降算法不能有效地重構應變分布，且效率不高；然而相關研究表明，啟發式智能算法在反問題的求解中表現出獨特而高效的優化求解性能。該方法將光柵分為均勻的若干段，每段應變分布視為常數，利用遺傳算法的選擇、交叉和變異等遺傳操作重構每個光柵子段的應變值，其工作的實質是用離散分布的應變分布逼近連續的應變分布，保證了算法具有較高的重構速度。在這之后，模擬退火、自適應模擬退火和模擬退火進化算法等智能算法相繼被用于FBG軸向的非均勻應變分布重構，這些工作的基本思想都是基于基因表達的定長度染色體遺傳和進化，逐段重構光柵軸向的應變值，因此容易造成應變信息的部分損失；當光柵分段數較多時還會造成搜索空間過大，影響應變識別的精度和速度；還有一種方法假設應變分布為二次多項式的形式，用改進的模擬退火算法優化該多項式中的待定系數，進而得到整個光柵軸向的非均勻應變分布，這種方法對線性、二次分布的應變重構較為有效，但顯然難以適用于具有大的應變梯度的正弦、高次多項式等復雜函數形式的應變分布重構問題；總而言之，上述方法都預先對光柵軸向的應變分布做了某種形式的假設，而實際結構中存在的應變分布是任意形式的，沒有任何的先驗信息可以用于假設應變分布形式，因此現有的方法都存在其自身的局限性。

上世紀九十年代美國斯坦福大學的Koza教授提出的遺傳規劃(GP)算法和遺傳算法最大的不同在于個體的形式不同，遺傳算法的個體是一個定長的字符串，而GP的個體是一個函數表達式，使用非線性的、不定長的樹結構來表示。目前遺傳規劃已經在自動設計、模式識別、機器人控制、神經網絡結構的合成、符號回歸、音樂和圖像產生等領域中得到廣泛應用，而在健康監測領域尚未有相關研究。

發明內容

本發明為了在現有常規通用設備條件下利用遺傳規劃自動設計并優化Bragg光柵軸向的應變分布表達式而提出一種基于遺傳規劃的Bragg光柵軸向非均勻應變重構方法。

一種基于遺傳規劃的Bragg光柵軸向非均勻應變重構方法，包括如下步驟：

(1)采集結構響應信號：

連接寬帶光源到光譜儀，掃描測量光，獲取入射光的光譜；連接寬帶光到Bragg光柵的一端，Bragg光柵另一端連接光譜儀，掃描Bragg光柵的透射光，獲取透射光的光譜；透射光的光譜減去入射光的光譜得到的dB為單位的透射譜，將該透射譜采樣點換算成反射率，最終得到Bragg光柵的反射譜；

(2)隨機生成Bragg光柵軸向非均勻應變分布表達式：

設置遺傳規劃的初始控制參數，利用遺傳規劃隨機生成以二叉樹形式表示的Bragg光柵軸向非均勻應變分布表達式種群，其中：遺傳規劃的樹狀結構由函數集F和終止符集T中的元素組成，函數集F包括運算符號和數學函數條件表達式；終止符集T包括輸入狀態變量常數和無參函數，初始種群由眾多個體組成，每個個體都是由函數集F和終止符集T中的任意元素隨機排列組合生成，選出根結點后，根據所發出的變量數目，確定生長出的分支數目，再從函數集F和終止符集T的并集中按均勻分布的隨機方法選出一個元素作為分支的尾結點：若選出的是函數集F中的元素，則重復執行上述選擇過程；若選出的是終止符集T中的元素，則該分支就停止生長，所有分支均停止生長后即生成了一個個體；

(3)計算Bragg光柵的模擬反射譜：

先利用改進的T矩陣法，把Bragg光柵分成M等份，每一份為一段子光柵；

a.計算受載后Bragg光柵任意位置處的光柵周期：