遗传算法在光纤光栅光谱分析中的应用研究

论文摘要

光纤光栅传感器是一种无源器件,它具有体积小、重量轻、性能长期稳定、与被传感物高度绝缘、与光纤兼容、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。但是随着光纤光栅传感技术应用领域不断拓展,所研制的传感器由基于光纤光栅轴向应变特性的传感器向多参数、多功能光纤光栅传感器发展。当光纤光栅受到轴向作用力后,其反射谱发生平移但形状不改变。可是当光纤光栅受到横向作用力和扭转作用力后,其谱型不仅会发生移动而且形状发生改变。其原因在于横向均匀作用力反射谱发不仅受到横向作用力、摩擦系数有关的修正因数、偏振方向的分光系数的影响,在实际中而且还受到噪声干扰的影响。如何从提取被测参量,是目前研究的难点。本文通过光纤光栅光谱重构技术解决这些问题,同时达到消除噪声和准确测量参数目的。提出了一种自适应启发式全局意义上的搜索算法的遗传算法(Genetic Algorithm, GA),实现光纤光栅光谱重构。本文主要内容主要包括以下三个部分：①根据模耦合理论,对光纤光栅的轴向应变特性、横向应变特性及扭转特性进行理论分析,推证了相应的传感模型。根据光栅横向受力分布情况,分别对横向均匀受力和局部受力情况下的反射谱变化状态进行了讨论,从中提取出反映外部信号的反射谱特征信息量,并研究了该特征信息量与传感量之间的关系。②详细介绍相关函数在噪声干扰情况下进行有效识别的优点,通过相关函数建立的目标函数可以使遗传算法更快速、准确实现光谱重构。提出了通过遗传算法实现光纤光栅光谱重构,研究了种群长度、进化代数、交叉率、变异率选值对算法影响,给出了遗传算法的优化参数组合。③该方法可以快速、准确实现光纤光栅,并通过了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 光纤光栅传感技术发展现状
• 1.2.1 光纤光栅制作技术发展过程
• 1.2.2 光纤光栅的分类
• 1.2.3 光纤光栅传感器的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第2章 光纤光栅传感特性分析
• 2.1 光纤光栅的理论模型
• 2.2 光纤光栅轴向应变特性分析
• 2.2.1 轴向均匀应变作用下光纤光栅特性分析
• 2.3 光纤光栅横向受力特性分析
• 2.3.1 光纤光栅均匀横向受力反射谱分析
• 2.3.2 横向均匀受力的实际模型
• 2.4 光纤光栅横向局部受力特性分析
• 2.4.1 光纤光栅横向局部均匀受力反射谱模型的建立
• 2.4.2 光纤光栅横向局部受力反射谱特性分析
• 2.5 光纤光栅扭转特性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 相关函数在光谱寻峰中的应用
• 3.1 相关系数
• 3.2 互相关函数的原理与特点
• 3.3 互相关函数在光纤光栅轴向均匀受力分析中的应用研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 遗传算法在光谱寻优中的研究
• 4.1 遗传算法的结构与原理
• 4.1.1 遗传算法的结构
• 4.1.2 遗传算法的基本操作方法
• 4.1.3 遗传算法的实现
• 4.2 优化算法在光纤光栅扭转高双折射中的应用
• 4.2.1 优化算法应用
• 4.2.2 算法参数的影响分析
• 4.3 优化算法在光纤光栅横向局部受力中的应用
• 4.4 优化算法在光纤光栅横向均匀受力中的应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 光纤光栅实验系统
• 5.1 光纤光栅轴向受力实验
• 5.2 扭转高双折射
• 5.3 横向局部受力
• 5.4 横向均匀受力
• 结论
• 参考文献
• 致谢