一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法

本发明光纤光栅解调，尤其涉及一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法。

背景技术：

1、光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀以及抗电磁干扰等优点，在结构健康监测、生物医疗、地球物理勘测、海洋工程、航空航天等领域得到了广泛的应用。光纤光栅解调技术是光纤光栅传感技术的关键，其性能直接影响到光纤光栅传感器的测量精度和可靠性。

2、光纤光栅解调技术主要包括匹配光栅法、边带滤波器法、非平衡马赫-曾德尔干涉仪法、分光仪法、可调谐法布里-珀罗滤波器法、可调谐光源法等，但这些方法都有各自的优缺点，例如匹配光栅法解调范围窄、边带滤波器法解调精度低、非平衡马赫-曾德尔干涉仪法相位解调设备昂贵、分光仪法速度慢、可调谐法布里-珀罗滤波器法成本高、可调谐光源法稳定性不足等缺点。

3、目前在光纤光栅解调系统中，对采集到的波长数据、功率数据往往单独使用某一种算法来进行处理和分析，存在一定局限性，无法充分挖掘数据的潜在信息和关联，导致数据处理的效果不够理想。

技术实现思路

1、针对现有光纤光栅解调系统单独采用某一算法对数据进行处理、分析，存在无法充分挖掘数据的潜在信息和关联，导致数据处理效果不够理想的问题，本发明提供了一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，具体步骤包括：s1设定fbg波长步进值为，并使得，式中表示为阈值；s2在区间采集并记录反射光谱信号，式中表示为采集波长段的组别,表示为当前波段的左区间，表示为当前波段的右区间；s3选取长度为的fbg，式中表示为fbg的长度，表示为fbg初始长度，表示为fbg可减少的次数，表示为采集fbg长度的次数，表示为每次减少的长度；s4判断是否大于0.5，若符合，则进入s5；若不符合，则令得到间隔相同的下一波段，并进入s2；s5集成多种算法获得波长函数，并附各算法合适权重；s6赋予权重初值并用算法训练；s7获得新的权重与，表示为波长函数对应值与实际fbg长度值误差最小化；s8引入一个阈值，并判断是否小于等于阈值，若符合，则进入s9；若不符合，则选用同样的fbg，将本次更新的权重作为初值，并进入s6；s9获得对应波段及波长的集成算法权重值，进行减少fbg长度值进入s3；或者直接进入s10；s10制作关于波长和fbg长度相关集成算法权重表。

3、进一步地，在s5中，对于一次采集的光谱信号，分别运用主成回归、支持向量机、k-近邻、决策树以及朴素贝叶斯模型分别训练，生成、、、、，并设置，令的值为1，共生成六个维度，对应参数、对应参数、对应参数、对应参数、对应参数、对应参数，表示为权重，得到假设的波长函数：

4、；

5、式中，表示为样本个数，表示为第个样本的特征集合，表示为假设波长函数求出的对应值，表示为真实fbg长度值。

6、进一步地，在s6中，不断对进行迭代，使得与误差最小化，即，表示为：

7、；

8、式中，表示为数据集中样本的个数，表示为损失函数。

9、进一步地，在s6中，具体步骤包括：确定当前位置的损失函数的梯度，对于的梯度表达式为：，式中表示为算法的个数，表示为第个算法的权值，表示为第个算法的损失函数值，表示为对损失函数值求偏导，表示为对权值求偏导；用步长乘以损失函数的梯度得到当前位置下降的距离：，式中表示为学习率；引入一个常量确定是否所有的梯度下降的距离都小于，如果都小于则算法终止，否则进入下一步；更新所有的权重，对于，其更新表达式为：；更换完毕后带入假设的波长函数中获得误差最小化。

10、进一步地，的初始值为0.1，若不符合预期则增加0.1，直至找到最合适的，然后对于这些不同的值，绘制随迭代步数变化的曲线，选择看上去使得快速下降的一个值。

11、进一步地，通过梯度求解获得误差最小化，梯度求解表示为：

12、；

13、式中，表示为对求偏导所得常数值；

14、核心思想为：

15、；

16、式中，表示为对求偏导，表示为对求偏导；

17、则权重更新的一般化表示为：

18、。

19、本发明的有益效果是：本发明通过不同的波长和fbg长度赋予适当的权重，可以更准确地捕捉数据中的模式和关系，从而提高对相关现象或目标的预测能力。本发明结合多个基于波长和fbg长度数据的模型，并通过权重分配来综合各算法的优点，进一步提升整体数据处理和分析性能，获得理想的数据处理效果。本发明通过特征曲线建立训练模型，可以直接测得fbg磨损，能够排除光源的功率波动和传感器老化引入的功率下降对磨损结果带来的测量结果误差。

技术特征：

1.一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，在s5中，对于一次采集的光谱信号，分别运用主成回归、支持向量机、k-近邻、决策树以及朴素贝叶斯模型分别训练，生成、、、、，并设置，令的值为1，共生成六个维度，对应参数、对应参数、对应参数、对应参数、对应参数、对应参数，表示为权重，得到假设的波长函数：

3.根据权利要求2所述的一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，在s6中，不断对进行迭代，使得与误差最小化，即，表示为：

4.根据权利要求3所述的一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，在s6中，具体步骤包括：确定当前位置的损失函数的梯度，对于的梯度表达式为：，式中表示为算法的个数，表示为第个算法的权值，表示为第个算法的损失函数值，表示为对损失函数值求偏导，表示为对权值求偏导；用步长乘以损失函数的梯度得到当前位置下降的距离：，式中表示为学习率；引入一个常量确定是否所有的梯度下降的距离都小于，如果都小于则算法终止，否则进入下一步；更新所有的权重，对于，其更新表达式为：；更换完毕后带入假设的波长函数中获得误差最小化。

5.根据权利要求4所述的一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，的初始值为0.1，若不符合预期则增加0.1，直至找到最合适的，然后对于这些不同的值，绘制随迭代步数变化的曲线，选择看上去使得快速下降的一个值。

6.根据权利要求5所述的一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，其特征在于，通过梯度求解获得误差最小化，梯度求解表示为：

技术总结本发明公开了一种基于多种算法结合的光纤光栅磨损测量方法，涉及光纤光栅解调技术领域。所述磨损测量方法的步骤包括：设定FBG波长步进值；选取合适区间采集并记录反射光谱信号；选取合适长度的FBG；判断FBG的长度值是否合适；对波长函数附合适权重；赋予权重初值并用算法训练；获得新的权重与误差最小化；判断误差最小化与引入阈值的大小；获得对应波段及波长的集成算法权重值；制作算法权重表。本发明结合多个基于波长和FBG长度数据的模型，并通过权重分配来综合各算法的优点，可以更准确地捕捉数据中的模式和关系，提高对相关现象或目标的预测能力，用于光纤光栅解调系统中对采集到的波长数据、功率数据进行准确处理和分析。技术研发人员：袁一博,柳佳浩,杜立彬,孟祥谦,刘恒瑞,刘少真,王子奕,梁光信,张汉文受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9