引用本文:

鲍克勤,倪蓉,张雪健. 基于优化粒子群算法的光纤传感谱形复用技术[J]. 光通信技术,2019,43(11):5-9.

基于优化粒子群算法的光纤传感谱形复用技术

鲍克勤,倪 蓉*,张雪健

(上海电力大学 自动化工程学院,上海200090)

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摘要:大型光纤布喇格光栅(FBG)传感网络中,由于光源带宽有限,而FBG传感器复用数量多,会出现光谱重叠问题。因此,提高复用能力成为传感网络设计中的一个关键问题。结合谱形复用与量子粒子群优化(QPSO)算法,对多FBG传感系统进行实验与仿真分析。与传统粒子群算法相比,QPSO算法中参数设置比较简单,粒子搜索最优解能力大大提高。对QPSO算法和自适应变异的量子粒子群优化(AMQPSO)算法的解调结果进行分析,对比两者的解调精度与时间。AMQPSO算法在多FBG复用系统中的解调误差不超过3 pm,温度测量精度达0.3 ℃,解调时间不超过5 s,解决了多FBG系统中部分重叠及完全重叠问题。

关键词:光纤布喇格光栅;谱形复用;波长解调算法;重叠光谱;量子粒子群优化算法

中图分类号:TN253 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)11-0005-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.11.002

0 引言
  光纤布喇格光栅(FBG)传感器近年来发展迅速[1],因其具有抗电磁干扰能力强、环境适应性好、灵敏度和性价比高的优势,得以在电力、航天和化工等领域广泛应用[2-4]。FBG传感器复用能力良好,组成传感网络后能够实现多点同时测量。常用的复用方法可分为波分、时分、空分、谱形复用及它们的混合形式,其中波分[5]、时分[6]复用要求各光谱不能发生重叠现象,所以传感器的复用数量受到限制。谱形复用的原理是通过识别光谱形状信息来对光谱进行解调,允许光谱重叠,在有限的光源带宽中增加了FBG传感器的复用数量。

  文献[7-9]通过研究光谱形状信息,如峰值、峰高和面积等参数,利用智能算法进行自动寻峰,但容易受干扰信号影响,对提取光谱的要求较高。文献[10-12]采用了极限学习机(ELM)算法、禁忌搜索(TS)算法和差分进化(DE)算法,但仅对2个FBG复用系统进行实验仿真。文献[13]实现了多FBG并联复用系统重叠光谱的识别,但对于不同FBG数量的系统,需要不断改变解调算法的参数。本文采用了量子粒子群优化(QPSO)算法解调中心波长,并在QPSO算法基础上提出了自适应变异的量子粒子群优化(AMQPSO)算法。

5 结束语
  本文提出了2种优化粒子群算法(QPSO和AMQPSO),其中AMQPSO算法对重叠光谱进行解调具有较高解调精度。通过实验获得实际重叠光谱形状,实际测量中光谱并非完全呈现理想高斯谱形,与高斯光谱数值仿真进行比较,进一步验证所提出算法的性能。在实验基础上进行QPSO与AMQPSO这2种算法的仿真,发现AMQPSO算法在进行重叠光谱解调时,能够对粒子采取自适应变异措施,避免陷入局部最优。使用AMQPSO算法可以对重叠光谱进行快速、精准解调,解调误差不超过3 pm,解调时间不超过5 s。温度测量精度达 0.3 ℃,优于传感器实际测量精度0.5 ℃。本文提出的优化解调算法对FBG传感复用技术具有参考价值,可以用于大容量FBG传感解调系统中。