[發明專利]一種基于BP神經網絡的光纖光柵傳感系統及其解調方法

在審

• 申請號: 201911137712.7
• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN110887513A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 張學智;褚悅;劉鐵根;江俊峰;劉琨;謝仁偉;徐棒田;李雨晴;樊曉軍;蔣磊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D5/38;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種基于BP神經網絡的光纖光柵傳感系統及其解調方法，泵浦源(1)發射出980nm波長的泵浦光，經過波分復用器(2)進入到摻鉺光纖(3)中，并對其進行抽運；摻鉺光纖(3)在泵浦光的作用下產生寬帶受激輻射光，可調諧F?P濾波器(5)受到電壓的調制對經過光纖隔離器(6)的寬帶光進行波長調諧，形成掃描光源(7)；掃描光源7輸出的光分為兩路通過光纖光柵傳感器(10)和F?P標準具(12)，通過光電探測器、LABVIEW程序和MATLAB程序將F?P標準具信號與FBG信號進行采集、濾波、尋峰，基于BP神經網絡訓練和仿真，解調出FBG中心波長作為目標輸出。與現有技術相比，經對解調結果的數據分析，本發明實現了高精度、穩定性較強的FBG光纖傳感解調。

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感技術領域，特別涉及一種光纖光柵傳感系統解調方法。

背景技術

光纖光柵傳感系統是以光為載體，光纖為媒介，使用具有體積小、質量輕、耐腐蝕、復用能力強、不受電磁干擾等優點的光纖光柵傳感器進行傳感測量的系統。當光纖光柵傳感器受到應力應變、振動、溫度和壓力等物理參量作用時，傳感器返回的布拉格光波長會產生移動從而實現傳感。相比傳統電學傳感系統，光纖光柵傳感技術具有測量范圍寬、高精度和高分辨率的特點，在強電磁干擾、易燃易爆或熱真空等嚴酷環境下更具優勢。

光纖光柵傳感的解調方法主要有干涉解調技術、線性邊沿濾波技術、匹配濾波解調技術和可調諧濾波器解調技術等。從解調速度、光譜范圍、分辨率和大容量等方面綜合比較，可調諧濾波器解調技術具有明顯的優勢。但是由于可調諧濾波器是利用PZT調節腔長進而改變輸出波長，而PZT調節腔長存在位移與驅動電壓的非線性關系，和初始腔長受環境溫度影響兩個問題。使得可調諧濾波器透射波長與驅動電壓之間除了存在遲滯非線性關系之外，還具有蠕變特性。引入標準具作為波長參考，可大幅度降低可調諧濾波器非線性對波長定位精度的影響，提高傳感系統的波長解調精度。F-P標準具可在與光源波段匹配的范圍內引入間隔均勻的多個光頻率參考點，在穩態環境溫度下能較好地標定可調諧濾波器非線性，以及通過多個光頻率參考點對FBG中心波長進行解調。

BP網絡是一種多層前饋神經網絡，由輸入層、隱層和輸出層組成的一個典型的三層BP網絡的拓撲結構。神經網絡學習過程由前向計算過程和誤差反向傳播過程組成。在前向計算過程中，輸入信息從輸入層經隱層逐層計算，并傳向輸出層，每層神經元的狀態只影響下一層神經元的狀態。如輸出層不能得到期望的輸出，則轉入誤差反向傳播過程，誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層的神經元的權值，使得網絡系統誤差最小。最終網絡的實際輸出與各自所對應的期望輸出逼近。

發明內容

本發明旨在提出一種基于BP神經網絡的光纖光柵傳感系統及其解調方法，通過F-P標準具引入的大量波長參考點，對干涉峰—波長參考點進行訓練、建模及解調，最終解調出FBG中心波長。

本發明的一種基于BP神經網絡的光纖光柵傳感系統，包括依序連接的泵浦源1、波分復用器2、摻鉺光纖3、第一光纖1×2耦合器4、光纖隔離器6以及可調諧F-P濾波器5組成的掃描光源7、第二光纖1×2耦合器8、光纖環形器9、光纖光柵傳感器10、光電探測器陣列11、F-P標準具12、數據采集卡13、處理單元14以及信號發生模塊15；其中，所述掃描光源7中的第一光纖1×2耦合器4與第二光纖1×2耦合器8連接，所述第二光纖1×2耦合器8的輸出端分為兩路，一路連接F-P標準具12；另一路連接光纖環形器9，所述光纖環形器9再分別連接光纖光柵傳感器10、光電探測器陣列11；

所述數據采集卡13用于采集來自光電探測器陣列11的信號探測與采集結果；所述處理單元14用于處理信號探測與采集結果；

所述信號發生模塊15用于產生方波和三角波，三角波用于對可調諧濾波器進行調制，方波用于采集卡的觸發信號；

所述F-P標準具12，用于提供等光頻間隔的梳狀波長參考；

所述數據采集卡13，采集由光電探測器陣列得到的電壓模擬信號；