[發(fā)明專利]基于相敏光反射和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學習的沖擊定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810399337.2
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108645498B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾捷;賈鴻宇;劉鵬;喻俊松;鄭丁午;司亞文;何彎彎;王峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

本發(fā)明提出了一種基于相敏光反射和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學習的沖擊定位方法，具體包括以下內(nèi)容：步驟一：用于沖擊載荷定位的兩種基于相位敏感光時域反射原理的光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；步驟二：用于沖擊載荷監(jiān)測的相敏光時域反射傳感探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計；步驟三：分布式相敏光時域反射傳感沖擊監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與薄板監(jiān)測區(qū)域網(wǎng)格劃分；步驟四：基于時差法的相敏光時域反射技術(shù)沖擊載荷定位；步驟五：基于Φ?OTDR傳感器的沖擊響應(yīng)樣本庫生成；步驟六：數(shù)據(jù)預(yù)處理與深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；步驟七：使用訓練好的深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對Φ?OTDR傳感器沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)進行識別。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的沖擊監(jiān)測領(lǐng)域，具體提出了一種基于相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)和CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學習光纖沖擊載荷定位方法。

背景技術(shù)

相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)技術(shù)是一種基于光時域反射(OTDR)技術(shù)的光纖傳感技術(shù)；OTDR是根據(jù)光在光纖中產(chǎn)生的后向瑞利散射光和菲涅爾反射光的光強變化來進行故障定位，而Φ-OTDR是一種把強相干，高頻穩(wěn)定性的脈沖光注入光纖，通過光電探測器探測脈沖范圍內(nèi)后向散射的瑞利散射光相干涉的結(jié)果，通過光電探測器相鄰兩次探測結(jié)果相減即可得出變化量，再將此變化量除以本身即可得出相對變化量，由此相對變化量來進行故障定位；

目前，在沖擊監(jiān)測技術(shù)研究中，由沖擊載荷產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號是對沖擊源進行識別的信息基礎(chǔ)，因此結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的測量就是需要首先解決的問題。由于結(jié)構(gòu)對沖擊載荷的響應(yīng)信號具有時間短、頻帶寬的特點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常用集中式或分布式壓電應(yīng)變測量方法測量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號。壓電式傳感器具有靈敏度高、使用方便、測量信號頻率高等優(yōu)點，但其易受電磁環(huán)境干擾；而對于常規(guī)低速采樣的光纖光柵傳感模式，在實際應(yīng)用中由于解調(diào)儀采樣頻率較低，將會導致表征沖擊響應(yīng)特征的有效信息大量缺失，無法滿足時差定位原理，導致定位精度大幅降低。

目前，本發(fā)明所使用的相位敏感光時域反射(Φ-OTDR)技術(shù)由于其特殊性，不僅具備了普通光纖的優(yōu)點，例如抗電磁干擾、傳輸距離遠等，且具有良好的應(yīng)變-方向敏感特性、較高靈敏度和較高的采樣頻率，非常適用于針對不同沖擊信號的監(jiān)測；

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種新型的沖擊載荷位置辨識方法，該方法采用基于Φ-OTDR 相敏光時域反射系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)配置方法，通過大量沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)樣本方式提取沖擊響應(yīng)信號的特征庫。分別采用利用時差法和CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學習方法進行沖擊響應(yīng)定位，適用于大面積薄板類結(jié)構(gòu)。

一種基于相敏光反射和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學習的沖擊定位方法，其特征在于包括以下過程：

步驟一：用于沖擊載荷定位的基于相位敏感光時域反射原理的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),具體過程為:

將Φ-OTDR應(yīng)用在材料各向同性的板結(jié)構(gòu)或柱狀結(jié)構(gòu)的沖擊載荷定位中；若有沖擊載荷加載于試件上，沖擊引起的應(yīng)力波沿試件進行傳播，此時若試件上適當位置貼有多個Φ-OTDR光纖傳感探頭，利用Φ-OTDR技術(shù)高頻采樣特點即可檢測到應(yīng)力波到達這些位于在固定位置的光纖傳感器探頭的先后時間；而各向同性的材料中應(yīng)力波的傳播速度在各個方向上又是一樣的，利用位于不同位置光纖傳感器探頭測量到的振動時間差即可進行沖擊載荷的位置識別；根據(jù)Φ-OTDR傳感特性和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需求，可以將Φ-OTDR監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分為光纖傳感器探頭串聯(lián)連接方式的拓撲結(jié)構(gòu)或光纖傳感器探頭并聯(lián)連接方式的拓撲結(jié)構(gòu)；同時，在基于相位敏感光時域反射原理的沖擊定位光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，影響系統(tǒng)沖擊定位效果的主要有Φ-OTDR采樣頻率f，光在光纖中的傳播時間t和振動波在試件中傳播的波速 v等三個因素；針對兩種不同的拓撲結(jié)構(gòu)，對于以上三個影響因素又分別有若干限定條件

步驟二：用于沖擊載荷監(jiān)測的相敏光時域反射傳感探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計,具體過程如下: