[发明专利]一种基于BP神经网络的光纤光栅传感系统及其解调方法

说明书

本发明公开了一种基于BP神经网络的光纤光栅传感系统及其解调方法，泵浦源(1)发射出980nm波长的泵浦光，经过波分复用器(2)进入到掺铒光纤(3)中，并对其进行抽运；掺铒光纤(3)在泵浦光的作用下产生宽带受激辐射光，可调谐F‑P滤波器(5)受到电压的调制对经过光纤隔离器(6)的宽带光进行波长调谐，形成扫描光源(7)；扫描光源7输出的光分为两路通过光纤光栅传感器(10)和F‑P标准具(12)，通过光电探测器、LABVIEW程序和MATLAB程序将F‑P标准具信号与FBG信号进行采集、滤波、寻峰，基于BP神经网络训练和仿真，解调出FBG中心波长作为目标输出。与现有技术相比，经对解调结果的数据分析，本发明实现了高精度、稳定性较强的FBG光纤传感解调。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种光纤光栅传感系统解调方法。

背景技术

光纤光栅传感系统是以光为载体，光纤为媒介，使用具有体积小、质量轻、耐腐蚀、复用能力强、不受电磁干扰等优点的光纤光栅传感器进行传感测量的系统。当光纤光栅传感器受到应力应变、振动、温度和压力等物理参量作用时，传感器返回的布拉格光波长会产生移动从而实现传感。相比传统电学传感系统，光纤光栅传感技术具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，在强电磁干扰、易燃易爆或热真空等严酷环境下更具优势。

光纤光栅传感的解调方法主要有干涉解调技术、线性边沿滤波技术、匹配滤波解调技术和可调谐滤波器解调技术等。从解调速度、光谱范围、分辨率和大容量等方面综合比较，可调谐滤波器解调技术具有明显的优势。但是由于可调谐滤波器是利用PZT调节腔长进而改变输出波长，而PZT调节腔长存在位移与驱动电压的非线性关系，和初始腔长受环境温度影响两个问题。使得可调谐滤波器透射波长与驱动电压之间除了存在迟滞非线性关系之外，还具有蠕变特性。引入标准具作为波长参考，可大幅度降低可调谐滤波器非线性对波长定位精度的影响，提高传感系统的波长解调精度。F-P标准具可在与光源波段匹配的范围内引入间隔均匀的多个光频率参考点，在稳态环境温度下能较好地标定可调谐滤波器非线性，以及通过多个光频率参考点对FBG中心波长进行解调。

BP网络是一种多层前馈神经网络，由输入层、隐层和输出层组成的一个典型的三层BP网络的拓扑结构。神经网络学习过程由前向计算过程和误差反向传播过程组成。在前向计算过程中，输入信息从输入层经隐层逐层计算，并传向输出层，每层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如输出层不能得到期望的输出，则转入误差反向传播过程，误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层的神经元的权值，使得网络系统误差最小。最终网络的实际输出与各自所对应的期望输出逼近。

发明内容

本发明旨在提出一种基于BP神经网络的光纤光栅传感系统及其解调方法，通过F-P标准具引入的大量波长参考点，对干涉峰—波长参考点进行训练、建模及解调，最终解调出FBG中心波长。

本发明的一种基于BP神经网络的光纤光栅传感系统，包括依序连接的泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、第一光纤1×2耦合器4、光纤隔离器6以及可调谐F-P滤波器5组成的扫描光源7、第二光纤1×2耦合器8、光纤环形器9、光纤光栅传感器10、光电探测器阵列11、F-P标准具12、数据采集卡13、处理单元14以及信号发生模块15；其中，所述扫描光源7中的第一光纤1×2耦合器4与第二光纤1×2耦合器8连接，所述第二光纤1×2耦合器8的输出端分为两路，一路连接F-P标准具12；另一路连接光纤环形器9，所述光纤环形器9再分别连接光纤光栅传感器10、光电探测器阵列11；

所述数据采集卡13用于采集来自光电探测器阵列11的信号探测与采集结果；所述处理单元14用于处理信号探测与采集结果；

所述信号发生模块15用于产生方波和三角波，三角波用于对可调谐滤波器进行调制，方波用于采集卡的触发信号；

所述F-P标准具12，用于提供等光频间隔的梳状波长参考；

所述数据采集卡13，采集由光电探测器阵列得到的电压模拟信号；