引用本文:

尚秋峰,杨根辈. 基于极限学习机的FBG波长漂移量预测方法[J]. 光通信技术,2021,45(12):5-8.

基于极限学习机的FBG波长漂移量预测方法

尚秋峰1,2,3,杨根辈1*

(1.华北电力大学 电子与通信工程系,河北 保定 071003;2.华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室, 河北 保定 071003;3.华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室,河北 保定 071003)

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摘要:针对光纤布喇格光栅(FBG)传感系统的中心波长漂移问题,提出一种基于极限学习机(ELM)的FBG波长漂移量预测和泛化方法。该方法通过构建中心波长与波长漂移量的映射关系训练神经网络,实现对波长漂移量的预测和泛化。实验结果表明:该方法对FBG波长漂移量的预测误差小于1 pm,泛化误差小于2 pm,为FBG传感系统的现场校准提供了有益的探索。

关键词:光纤布喇格光栅;波长漂移;极限学习机;预测;泛化

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)12-0005-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.12.002

 

0 引言
      光纤布喇格光栅(FBG)传感器因其高灵敏度、高准确性、不易受电磁干扰、小巧轻便以及恶劣环境下耐受能力强等优点,在航空航天、海洋监测、土木工程、电力系统和建筑结构监测等领域中得到广泛的研究[1-5]。基于可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器的FBG解调系统具有稳定性高、结构简单等优点,已经被广泛研究并应用。此类解调系统在压电陶瓷(PZT)逆压电效应的作用下扫描波长,但由于F-P标准具的温漂特性[6],当外界温度变化时,F-P标准具的透射波长会受到影响,进而影响FBG的解调精度和系统的稳定性。
  2010年,梁霄等人[7]提出一种实时非线性标定方法用于调谐光滤波器的标定,同时将F-P标准具作为系统的参考波长模块,大大提高了波长定位精度。2013年,王拥军等人[8]提出将F-P滤波器与基于光谱分析仪(OSA)的环形激光器相结合作为扫描光源,同时采用F-P标准具、乙炔起息复合参考的方式进行标定。为了获取F-P标准具温度特性,2014年,姚国珍等人[9]在理论上分析并计算了F-P标准具温漂特性对FBG解调精度的影响,并利用2种温漂特性不同的
F-P标准具进行对比实验加以验证。2015年,江俊峰等人[10]使用F-P标准具、乙炔气室复合参考方案,实现了稳定的FBG解调。2016年,崔巍等人[11]采用氰化氢(HCN)气室进行波长校准,有效地提高了波长精确度和稳定性。2017年,为了校正由F-P标准具迟滞性引起三角波上、下行程的解调偏差,鲁闯等人[12]提出了一种采样点相对位置校正算法。该算法通过将三角波上、下扫描行程中FBG反射峰映射到标准具光谱中,对映射波峰在标准具光谱中的相对位置偏差进行校正,实现对解调偏差的校正。2018年,谢仁伟等人[13]理论分析了FBG的预拉伸幅度、封装材质的厚度对FBG温度传感器稳定性的影响。2020年,李博文等人[14]通过深入分析FBG在-60~25 ℃时的热光系数和热膨胀系数的变化,采用2根未封装的FBG进行实验验证,得到了FBG在低温环境下的响应情况。
  以上文献从光路和器件的角度进行了FBG系统的稳定性优化设计,但是在实际工程应用长期服役条件下,FBG系统的中心波长仍然会缓慢漂移,必将影响温度的测量精度;对FBG进行现场标定也必然局限于现场试验条件,难以覆盖全温度测量范围。为解决以上问题,本文提出一种基于极限学习机(ELM)的FBG波长漂移量预测方法。

4 结束语
       本文提出了一种基于ELM的FBG中心波长漂移量预测方法,能够实现波长漂移量的预测和泛化。实验结果表明:在25 ℃预测性能方面,该方法的预测误差小于1 pm;在泛化性能方面,泛化方差比测量方差有明显改善,波长漂移量预测值与实际测量值相差小于2 pm。本文的研究不仅能在标定过程中有效改善标定精度,其泛化能力使其能利用有限温度范围的训练实现更大工作范围的在线校准,从而提高测量精度。