一种拉锥光纤多参数辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种拉锥光纤多参数辨识方法，属于光纤传感器领域，主要针对目前光纤传感器制作工艺复杂，测量准确性难以保证的技术问题，它包括信号采集系统、数据预处理系统和数据处理系统，其中数据处理系统中包括输出处理单元，该单元中包含支持向量回归机模型，通过信号采集系统采集数据，采集的数据经数据预处理系统处理后，形成样本数据，数据处理系统通过样本数据，利用支持向量机建立输入与输出之间的关系模型，再将测得的待测量输入到所述模型中，得出所要求的输出值。本发明专利技术可通过检测拉锥光纤两个不同损耗峰的谐振波长变化量，可在同一根拉锥光纤上实现温度、应变的同时测量，降低了检测的操作步骤，节约了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤传感领域，更具体的说，涉及一种拉锥光纤多参数辨识系统及其方法。
技术介绍
随着光纤光栅制作技术的日益成熟，光纤传感系统的质量轻、直径细、体积小、耐腐蚀等独特的优点逐渐体现出来，其十分适合于制作各类检测传感器。光纤传感系统具有完美的传、感一体的独特优点，而且其结构的改变，对传感器的应用会产生很大影响。光纤光栅传感器具有其他传感器无法比拟的优点，例如：抗电磁干扰、质量轻、耐温性好、传输距离远、耐腐蚀等，因此在光纤通讯和光纤传感等领域具有广阔的应用前景。但是在工程结构中温度、应变相互影响，当温度和应变同时发生变化时，温度、应变均能引起LPG(长周期光纤光栅)中心波长的漂移，当光纤光栅用于传感测量时，很难分辨出到底哪个因素引起的被测量的变化，这就是交叉敏感。由于光纤光栅存在应变温度交叉敏感效应，交叉敏感成了制约光纤光栅传感器实用化的又一重要问题。交叉敏感问题是光纤光栅传感器的一个本征问题，可以说，它是伴随着光纤光栅传感器的出现而出现的，给检测灵敏度带来不可避免的影响，严重制约了光纤光栅传感器在实际中的应用，因此，解决交叉敏感问题具有十分重要的意义。自20世纪90年代以来，人们就开始进行这方面的研究，提出了许多解决的方案。分析现有技术中的光纤光栅温度应变同时测量的解决方案，可发现较多的是从温度与应变的分离方法方面进行检测，或是利用一个或多个光纤光栅级联或与其它传感器其结合，实现对这两个参数的同时测量。常见的方法有：1、用LPG(长周期光纤光栅)和光纤布拉格光栅的组合，把两个不同波长的光栅尽量靠近熔接在一起，利用光纤布拉格光栅与偏振回旋滤波器结合的方法；2、用光纤布拉格光栅和高双折射光纤环形镜构成一个Mach-Zehnder干涉仪，例如使用均匀布拉格光纤光栅和啁啾布拉格光纤光栅，使用布拉格光纤光栅测量压力，基于光纤传感器的热致效应来测量温度变化，补偿温度引起的波长漂移，运用法布里-珀罗干涉仪和掺钕荧光性光纤分别测压力和温度；3、还有学者利用自行设计的分布式光纤光栅应变和温度同时测量系统，采用时钟脉冲宽带光源，结合时分和波分复用技术，选用不同包层直径光纤光栅相熔接的应变补偿法设计传感头，实现了温度和应变的同时测量。这些方案各有特点，但总体而言，均需要两种或两种以上传感器的组合才能较好地解决该问题，但这样也存在着诸如：增加成本、降低测量精度、测量位置的准确性难以保证、制作工艺较复杂等缺点。燕山大学的谈爱玲于2012年12月，发表的博士论文《水中石油类污染物光纤光谱检测方法的研究》，该文提出一种基于光纤近红外消逝波吸收光谱探测与分析技术的水中石油类污染物检测新方法，公开了一种适用于水中石油污染物种类定性分析和多组分石油污染物浓度定量分析的化学计量学算法。针对多组分混合的复杂石油类污染物中各组分浓度定量分析问题，分别研究建立基于偏最小二乘回归和粒子群优化的偏最小二乘支持向量机回归的汽油、柴油和煤油三组分浓度的定量分析模型，给出了定量分析模型的最优参数并利用三组分的最优模型对验证集进行浓度预测，比较两种回归方法所建模型的预测结果。该文献是基于网格搜索法的支持向量机，所获取的分类正确率不是很高，同时网格搜索法本质上是一种穷举式的搜索最优值方法，如果要在大范围内寻找最佳参数，计算量较大。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题针对现有技术中光纤光栅存在应变温度交叉敏感效应的问题，本专利技术提供了一种拉锥光纤多参数辨识系统及其方法，本专利技术可以解决光纤传感器交叉敏感问题，从而提高光纤传感器的测量精度，促进光纤传感器的推广使用。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一种拉锥光纤多参数辨识系统，包括信号采集系统、数据预处理系统和数据处理系统，三者依次连接，所述的数据处理系统包括多参数辨识器，多参数辨识器由数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元组成，数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元依次相连，数据输入单元与数据预处理系统相连，数据处理单元中包括支持向量回归机计算模块。信号采集系统将敏感元件受外界环境影响的变化信号记录下并出输给数据预处理系统，数据预处理系统将信号转换为可用数据(对应为多阶损耗峰谐振波长变化量，作为输入量)，加上预先设定的环境变量(输出量)一起形成数据样本，通过多参数辨识器的输入单元将样本数据输入到多参数辨识器的数据处理单元，在数据处理单元中，利用样本数据建立输入量与输出量之间的非线性关系模型，最后将未知环境中敏感元件的变化量输入该关系模型，便可以计算出外界环境的变量值。对应地，在测量环境中的温度和应变时，拉锥光纤受到环境中预先设定的温度和应变的影响，多阶损耗峰谐振波长发生变化，拉锥光纤将多阶损耗峰谐振波长输出给数据预处理系统，即拉锥光纤解调仪，拉锥光纤解调仪将解调后的数据发送给计算机处理，计算机处理后形成多阶损耗峰谐振波长变化量，多阶损耗峰谐振波长变化量(输入量)和预先设定的温度和应变(输出量)一起形成样本数据，计算机将样本数据传输给多参数辨识器，多参数辨识器利用样本数据建立输入量与输出量之间的非线性关系模型。对于未知环境中的温度和应变值，拉锥光纤受到未知环境中的温度和应变影响，多阶损耗峰谐振波长发生变化，拉锥光纤将多阶损耗峰谐振波长输出给数据预处理系统，即拉锥光纤解调仪，拉锥光纤解调仪解调后的数据(输入量)输送给多参数辨识器，多参数辨识器利用非线性关系模型计算出温度和应变值(输出量)。其中，多参数辨识器可选择使用DSP或ARM(多参数辨识器内的非线性关系模型是通过算法实现的，具体实现的控制器可采用DSP或ARM，算法加相应的硬件构成多参数辨识器，对应控制器的输入单元就是多参数辨识器的数据输入单元，控制器的处理中心就是多参数辨识器的数据处理单元，控制器的输出单元就是多参数辨识器的数据输出单元。)。作为本专利技术的进一步改进，所述的信号采集系统包括光源和拉锥光纤，光源位于拉锥光纤的前端，拉锥光纤的锥腰部分作为敏感检测元件，拉锥光纤的末端与数据预处理系统相连，即拉锥光纤末端与拉锥光纤解调仪相连。打开光源，光信号经过拉锥光纤的锥腰部分，拉锥光纤在较宽的光谱范围内，前向传输的导模与同向传输的多阶包层模产生能量耦合，从而形成多个损耗峰，由于外界环境变量(温度T和应变ε)的影响，光信号经过锥腰部分后，多阶损耗峰谐振波长会发生相应的位移，拉锥光纤将多阶损耗峰谐振波长传输到数据预处理系统的拉锥光纤解调仪处理，经过解调后，得到多阶损耗峰谐振波长，并传输给计算机处理，计算机计算出多阶损耗峰谐振波长变化量，利用多阶损耗峰谐振波长变化量与外界环境变量(温度和应变)的非线性关系模型计算出温度和应变值(输出量)。通过监测拉锥光纤的多阶损耗峰谐振波长变化量，在同一根拉锥光纤上就可实现多个变量的同时测量。作为本专利技术的进一步改进，所述的数据预处理系统包括拉锥光纤解调仪和计算机，拉锥光纤解调仪的输入端与拉锥光纤的末端相连，拉锥光纤解调仪的输出端与计算机输入端相连，计算机的数据输出端与数据输入单元相连。拉锥光纤解调仪接收拉锥光纤采集的信号，并将拉锥光纤中各阶损耗峰谐振波长解调出来，并将各阶损耗峰谐振波长数据传输给计算机，计算机计算出各阶损耗峰谐振波长变化量，加上设定的环境变量(温度和应变)，形成输入输出数据样本，然后将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉锥光纤多参数辨识系统，包括信号采集系统、数据预处理系统和数据处理系统，三者依次连接，其特征在于，所述的数据处理系统包括多参数辨识器，多参数辨识器由数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元组成，数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元依次相连，数据输入单元与数据预处理系统相连，数据处理单元中包括支持向量回归机计算模块。

【技术特征摘要】
1.一种拉锥光纤多参数辨识系统，包括信号采集系统、数据预处理系统和数据处理系统，三者依次连接，其特征在于，所述的数据处理系统包括多参数辨识器，多参数辨识器由数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元组成，数据输入单元、数据处理单元和数据输出单元依次相连，数据输入单元与数据预处理系统相连，数据处理单元中包括支持向量回归机计算模块。2.根据权利要求1所述的一种拉锥光纤多参数辨识系统，其特征在于，所述的信号采集系统包括光源和拉锥光纤，光源位于拉锥光纤的前端，拉锥光纤的锥腰部分作为敏感检测元件，拉锥光纤的末端与数据预处理系统相连。3.根据权利要求2所述的一种拉锥光纤多参数辨识系统，其特征在于，所述的数据预处理系统包括拉锥光纤解调仪和计算机，拉锥光纤解调仪的输入端与拉锥光纤的末端相连，拉锥光纤解调仪的输出端与计算机输入端相连，计算机的数据输出端与数据输入单元相连。4.根据权利要求1所述的一种拉锥光纤多参数辨识系统，其特征在于，所述的数据输出单元为显示器，显示器的输入端与数据处理单元的输出端相连，采集的数据、预处理的数据、建立的非线性关系模型和测量结果显示在显示器上。5.一种拉锥光纤多参数辨识方法，包括如下步骤：第一步：构建权利要求1-4任意一项所述的一种拉锥光纤多参数辨识系统；第二步：将信号采集系统放置在预先设定变量的环境中，信号采集系统采集信号，并将采集的信号传输给数据预处理系统进行处理，得到拉锥光纤的多阶损耗峰谐振波长变化量，拉锥光纤的多阶损耗峰谐振波长变化量作为输入量，预先设定变量作为输出量，输入量和输出量共同组成样本数据；数据预处理系统将样本数据输送给多参数辨识器的输入单元；第三步：多参数辨识器的输入单元将样本数...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴柳，杨忠，石朝霞，王彦，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32