基于粒子群优化算法的光纤光栅反射谱分析技术的研究

论文摘要

光纤光栅传感器有着抗电磁干扰、高绝缘性、耐腐蚀、易于光纤连接,波长绝对编码、便于复用成网等优点,被广泛应用在航空航天、土木工程、石油化工、医疗、电力等领域上,在传感领域内成为发展较快的技术之一。在光纤光栅反射谱分析时,由于存在系统误差以及一些不确定参数的影响,使反射谱中的特征信息很难精确的确定。基于此现状本文提出了采用粒子群优化算法识别反射谱特征信息来表征光纤光栅传感量的新方法,具体内容包括：从光纤光栅的传输理论出发,应用模耦合理论和传输矩阵对光纤光栅在轴向受力、横向受力和扭转作用下的相应传感模型建立进行了说明,对反射谱特性进行了详细的理论分析,从中提取出反映外部信号的反射谱特征信息量,并研究了该特征量与传感量之间的关系。针对以上的研究,设计了光纤光栅受力与扭转测量的实验系统对光栅轴向受力、横向受力和扭转作用进行了实验,验证了理论分析的正确性。同时,针对光纤光栅受力后其反射谱型产生的变化和一些不确定参数的影响,以标准粒子群寻优模型为基础设计了改进的粒子群优化模型,并编写了相应的算法测试软件。通过对测试函数的寻优仿真验证了所设计的粒子群优化算法的可靠性和稳定性,同时分析了各参数对算法的影响,并且通过对光纤光栅模型的大量仿真实验进一步验证了所设计算法的在光纤光栅反射谱谱型优化应用的可行性。最后以光纤光栅轴向均匀受力和横向均匀受力为对象,设计了相应的目标函数进行寻优测试。实验结果表明粒子群优化算法具有准确性高、速度快、稳定性好的特点,而且能分析出其他一些不易测量的信息。因此粒子群优化算法在光纤光栅反射谱分析中具有一定的实用性和先进性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤光栅的分类
• 1.3 光纤光栅的发展及传感应用
• 1.3.1 光纤光栅的发展状况
• 1.3.2 光纤光栅传感器的应用
• 1.4 课题研究的来源、意义及主要内容
• 1.4.1 课题研究的来源
• 1.4.2 课题研究的意义
• 1.4.3 课题研究的主要内容
• 1.5 论文的组织结构
• 第2章 光纤光栅传感模型的建立与特性分析
• 2.1 光纤光栅模耦合理论
• 2.2 光纤光栅轴向受力特性分析
• 2.2.1 光纤光栅轴向均匀受力传感特性分析
• 2.2.2 光纤光栅轴向非均匀受力传感特性分析
• 2.3 光纤光栅温度--应变交叉耦合特性
• 2.4 光纤光栅横向受力特性分析
• 2.4.1 光纤光栅横向均匀受力传感特性分析
• 2.4.2 光纤光栅横向非均匀受力传感特性分析
• 2.5 光纤光栅扭转特性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 粒子群算法在光纤光栅反射谱分析中的研究
• 3.1 粒子群算法的起源背景
• 3.2 粒子群算法的基本理论
• 3.2.1 原始粒子群优化算法
• 3.2.2 粒子群算法的基本流程
• 3.2.3 标准粒子群算法
• 3.3 粒子群算法的研究进展和应用
• 3.3.1 粒子群优化算法的研究现状与进展
• 3.3.2 粒子群优化算法的主要应用
• 3.4 标准粒子群算法的问题和改进方法
• 3.5 粒子群优化算法改进后的函数测试
• 3.6 粒子群优化算法在光纤光栅反射谱分析中的应用
• 3.6.1 光纤光栅轴向均匀受力反射谱寻优
• 3.6.2 光纤光栅横向均匀受力反射谱寻优
• 3.7 本章小结
• 第4章 光纤光栅传感特性实验
• 4.1 光纤光栅测量实验的系统设计
• 4.2 光纤光栅特性实验
• 4.2.1 光纤光栅轴向受力实验
• 4.2.2 光纤光栅横向受力实验
• 4.2.3 光纤光栅扭转实验
• 4.3 基于粒子群优化算法的光纤光栅反射谱分析
• 4.3.1 基于粒子群优化算法的光纤光栅轴向均匀受力反射谱分析
• 4.3.2 基于粒子群优化算法的光纤光栅横向均匀受力反射谱分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文