一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法与流程

1.本发明涉及非功能型光纤传感器检测精度优化的技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法。


背景技术：

2.在非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件，它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间放置透光材料、机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化，这种情况下，光纤只是作为光的传输回路，所以也称作传输回路型光纤传感器。
3.为了得到较大光量和传输的光功率，非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤，非功能型光纤传感器的特点是结构简单、可靠，便于推广应用，但灵敏度一般比功能型光纤传感器低、测量精度较差。
4.目前的相位调制型光纤传感器，由于光的频率很高，传感器不能够响应这样高的频率，也就是说，传感器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此，光波的相位变化是不能够直接被检测到的，为了检测光波的相位变化，就必须应用光学干涉测量技术将相位调制转换为振幅调制。
5.随着科学技术的快速发展，目前的光纤传感器的应用已经五花八门，种类繁多，然而，细究下来，功能却大同小异，由于较高成本的限制，许多优良的性能还未被研发推广，这使得现有光纤传感器存在较多的灵敏度、检测精度、传输性能较差的问题。


技术实现要素：

6.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
7.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：将设计的光源感应器安装至改进的光纤传感器中，所述改进的光纤传感器采集传感器相关信息；预处理所述传感器相关信息，得到标签数据集合；基于麻雀搜索算法构建优化模型，导入所述标签数据集合进行优化求解，并输出计算结果；若所述输出计算结果为所述优化模型当前的全局最优位置，则所述改进的光纤传感器的优化效果越好。
9.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：所述改进的光纤传感器包括，所述设计的光源感应器、光纤加速度传感器和光纤陀螺仪；所述光纤加速度传感器包括质量块和支撑薄膜；所述光纤陀螺仪包括耦合器、偏振器和探测器。
10.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其
中：所述设计的光源感应器包括投光感应器和受光感应器。
11.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：所述设计的光源感应器还包括瞬时频率计算模块，其通过直接正交原则进行瞬时频率计算，由此求得瞬时频率。
12.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：采集的所述传感器相关信息包括，光的强度、波长、频率、相位和偏振态。
13.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：所述预处理包括，清洗所述传感器相关信息中的缺失值、异常值和重复值；对其进行标准化处理，移除均值；再进行范围缩放；增加归一化处理运算；对归一化处理后的数据特征值进行独热编码，获得编码标签；依据标签大小进行排列，形成所述标签数据集合。
14.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：构建所述优化模型包括，其中，是当前的全局最优位置，是当前的全局最差位置，是步长控制参数，是服从均值为0、方差为1的正态分布的随机数，，是一个随机数，是所述标签数据集合的参数，是当前优化个体的适应度值，是当前全局最佳的适应度值，是当前全局最差的适应度值，是常数，避免分母为0，t为当前迭代次数，m和n均为常数。
15.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：还包括，当输出的计算结果为时，则此时的优化搜索处于种群的边缘，需要找到所在位置，其对应进行计算所得值即为最优值；当输出的计算结果为时，则此时的优化搜索处于种群中间，需要进行方移动靠近边缘获得最优值。
16.作为本发明所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的一种优选方案，其中：所述优化求解包括，初始化种群，迭代次数，初始化捕食者和加入者比例；计算适应度值，并排序；更新捕食者位置；更新加入者位置；
更新警戒者位置；计算适应度值并更新麻雀位置；判断是否满足停止条件，若满足，则退出，输出结果，否则，重复上述步骤。
17.本发明的有益效果：本发明通过添加光源感应器至改进的光纤传感器中，进行高频的瞬时频率计算，没有受到bedrosian定理和nuttall定理的限制，能够计算比较精确的瞬时频率，且误差较小；同时，利用麻雀搜索算法进行优化求解，提高了传感器参数的灵敏度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的流程示意图；图2为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的优化求解流程示意图；图3为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的加速度传感器结构示意图；图4为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的光纤陀螺仪结构示意图；图5为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的优化求解生成效果示意图；图6为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的标准化处理运行代码示意图；图7为本发明一种实施例所述的一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法的归一化处理运行代码示意图。
具体实施方式
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
20.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
21.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
22.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
23.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例1相位调制型光纤传感器是在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再利用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量，其缺点是对光源要求比较高，同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。
26.参照图1~图7，本实施例提供了一种基于多芯光纤的光纤传感器优化方法，能够解决上述问题，具体包括：s1：将设计的光源感应器安装至改进的光纤传感器中，改进的光纤传感器采集传感器相关信息。参照图3和图4，其中需要说明的是，改进的光纤传感器包括：设计的光源感应器、光纤加速度传感器和光纤陀螺仪；光纤加速度传感器包括质量块和支撑薄膜；光纤陀螺仪包括耦合器、偏振器和探测器；设计的光源感应器包括投光感应器和受光感应器；设计的光源感应器还包括瞬时频率计算模块，其通过直接正交原则进行瞬时频率计算，由此求得瞬时频率。
27.具体的，瞬时频率计算包括：利用包络函数归一化数据，获得经验调频分量，如下：利用经验调频分量求其正交函数：结合反正切函数求其相应的相位函数，得到瞬时频率，如下：结合反正切函数求其相应的相位函数，得到瞬时频率，如下：其中，为采集的传感器相关信息的光源频率解析信号，为包络函数，为经验调频分量，为相位函数，为正交函数，d是求导公式中代入的值，增加函数稳定
性，l是信号频率。
28.采集的传感器相关信息包括，光的强度、波长、频率、相位和偏振态。
29.优选的，本发明方法通过添加光源感应器至改进的光纤传感器中，进行高频的瞬时频率计算，没有受到bedrosian定理和nuttall定理的限制，能够计算比较精确的瞬时频率，且误差较小。
30.再进一步的，本实施例中提供的改进的光纤传感器，由于光相位的变化与加速度成正比，利用光学干涉测量技术就可以测出加速度，所以，在添加了加速度传感器以后，其检测灵敏度更高。
31.优选的是，本实施例提供的光纤陀螺仪，与传统的机械陀螺仪相比，没有旋转部件和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬时启动、结构简单、尺寸小、重量轻；与激光陀螺仪相比，降低了复杂性和生产成本，具有极大的设计灵活性。
32.s2：预处理传感器相关信息，得到标签数据集合。本步骤需要说明的是，预处理包括：清洗传感器相关信息中的缺失值、异常值和重复值，构建样本矩阵；对其进行标准化处理，移除均值，部分运行代码如图6所示。
33.再进行范围缩放，其中，将样本矩阵中的每一列最小值和最大值设定为相同的区间，统一各特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：特征值的范围，例如，有abc三个数，b为最小值，c为最大值，则：其中，m是平均值，缩放完成后，最小值为0，最大值为1。
34.增加归一化处理运算，部分运行代码如图7所示；对归一化处理后的数据特征值进行独热编码，获得编码标签；依据标签大小进行排列，形成标签数据集合。
35.优选的，本实施例还需要说明的是，通过特殊的预处理手段对采集的光纤传感器相关数据信息进行独热编码，其根据一个特征中值的个数来建立一个由一个1和若干个0的序列，用序列对所有的特征值进行编码，再根据字符串形式的特征值在特征序列中的位置，为其指定一个数字标签，用于提供给基于数值算法的模型执行运算，以此降低优化模型的运算复杂度，提高运算效率和运算工作量，保障瞬时性。
36.s3：基于麻雀搜索算法构建优化模型，导入标签数据集合进行优化求解，并输出计算结果。其中还需要说明的是，构建优化模型包括：
其中，是当前的全局最优位置，是当前的全局最差位置，是步长控制参数，是服从均值为0、方差为1的正态分布的随机数，，是一个随机数，是标签数据集合的参数，是当前优化个体的适应度值，是当前全局最佳的适应度值，是当前全局最差的适应度值，是常数，避免分母为0，t为当前迭代次数，m和n均为常数。
37.当输出的计算结果为时，则此时的优化搜索处于种群的边缘，需要找到所在位置，其对应进行计算所得值即为最优值；当输出的计算结果为时，则此时的优化搜索处于种群中间，需要进行方移动靠近边缘获得最优值。
38.参照图2，优化求解包括：（1）初始化种群，迭代次数，初始化捕食者和加入者比例；（2）计算适应度值，并排序；（3）利用下式更新捕食者位置；其中，是一个常数，表示最大的迭代次数，为第m个麻雀在第n维中的位置信息，是预警值，st是安全值，q是服从正态分布的随机数，l是1*n的矩阵，矩阵中每个元素全部为1；当r2＜st时，则可以执行广泛的搜索操作；当r2≥st时，则种群中的一些麻雀已经发现了捕食者，并向种群中其他麻雀发出来警报，此时，所以的麻雀迅速飞到安全无捕食者的区域进行觅食。
39.（4）利用下式更新加入者位置；其中，是目前发现者所占据的最优位置，a是一个1*n的矩阵，每个元素随机赋值为1或-1；当时，适应度值较低的第m个加入者没有获得食物，处于十分饥饿的状态，此时需要飞往其他地方觅食。
40.（5）利用优化模型更新警戒者位置；（6）计算适应度值并更新麻雀位置；
（7）判断是否满足停止条件，若满足，则退出，输出结果，否则，重复上述步骤。
41.通俗的说，发现者通常拥有较高的能源储备并且在整个种群中负责搜索到具有丰富食物的区域，为所有的加入者提供觅食的区域和方向，在模型建立中能量储备的高低取决于麻雀个体所对应的适应度值的好坏，一旦麻雀发现了捕食者，个体开始发出鸣叫作为报警信号，当报警值大于安全值时，发现者会将加入者带到其它安全区域进行觅食。
42.参照图5，本实施例还需要说明的是，加入者的能量越低，它们在整个种群中所处的觅食位置就越差，一些饥肠辘辘的加入者更有可能飞往其它地方觅食，以获得更多的能量；在觅食过程中，加入者总是能够搜索到提供最好食物的发现者，然后从最好的食物中获取食物或者在该发现者周围觅食，与此同时，一些加入者为了增加自己的捕食率可能会不断地监控发现者进而去争夺食物资源；当意识到危险时，群体边缘的麻雀会迅速向安全区域移动，以获得更好的位置，位于种群中间的麻雀则会随机走动，以靠近其它麻雀。
43.s4：若输出计算结果为优化模型当前的全局最优位置，则改进的光纤传感器的优化效果越好。
44.优选的是，为了对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例中选择以传统的光纤传感器与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本发明方法所具有的真实效果。
45.传统的光纤传感器灵敏度较低、成本较高，无法适应高频光源相位检测，为验证本发明方法相对于传统方法具有较高的灵敏度、精度，本实施例中将采用传统的光纤传感器与本发明方法分别对仿真平台中的光强位移检测进行实时测量对比。
46.实验环境：（1）位移标定架、非功能型光纤位移传感器硬件系统、万用表、直流稳压电源；（2）光纤组合探头端面即为光纤端面，标定架实验反射面即为被测物体表面，光源是红外发光二极管，光敏元件是光敏三极管；光纤探头固定在孔中，利用螺旋测微器精确该表实验反射面的位移，由于反射面与探头的距离改变了，那么光敏三极管感受的光强就要发生变化，最后将这个变化反映在硬件系统的输出上；（3）实验步骤：在放置光纤探头的孔里固定光纤探头；连接数据传输线和电源线；打开电源，调整电源到实验要求的大小；适当调整反射面到光纤探头的距离(左右)，然后将螺旋测微器游动端定在0点；打开光纤位移传感器硬件系统的开关，指示灯亮表示电路已经通电；将万用表调到20v档和硬件系统相连观察输出；正方向转动测微器每转动两圈记一次万用表读数，记七次；然后再反方向转动每转动两圈记一次万用表读数，记七次到0，(注意只能往一个方向转动避免产生回程误差)重复上面的测量步骤三次；完成数据测量后收拾仪器；填写实验数据表格。
47.表1：实验数据测试表。
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1234567螺旋测微器0mm2mm4mm6mm8mm10mm12mm万用表13.963.663.342.992.632.221.83万用表23.923.623.302.972.622.231.84
48.其中，万用表1表示传统的光纤传感器进行测试，万用表2表示本发明提供的改进的传感器进行测试。
49.进一步的，本实施例采用matlab进行仿真模拟，计算本发明方法提供的改进的传感器优化后的端基线性度、往返程重复性和迟滞性，结合表1的数据对比，能够得到，本实施例所提供的技术方案作为一种优选方案，其检测灵敏度和精度均优异于传统技术方案。
50.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。