基于進化計算的布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡中優(yōu)化問題的研究.pdf

1、光纖光柵傳感網(wǎng)絡因其具有線性傳感、波長編碼、抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測量范圍寬、便于復用組網(wǎng)等優(yōu)點，成為當今傳感領域最有價值的技術之一。光纖光柵傳感網(wǎng)絡的主要研究熱點集中在傳感解調技術、網(wǎng)絡復用技術和交叉敏感處理技術這三個方面。目前該領域的研究方法大都是基于實驗性的設計方法，而本課題關注到光纖光柵傳感網(wǎng)絡研究領域的許多問題都可以轉化為優(yōu)化問題。從優(yōu)化角度出發(fā)，這些問題尚未得到系統(tǒng)地研究，而且這些優(yōu)化問題都是一類離散的、不可導的非線

2、性優(yōu)化問題。因此，本課題提出采用進化計算方法來解決布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡中的若干關鍵技術問題，主要包括光纖光柵傳感網(wǎng)絡中新型傳感解調技術、基于重疊光譜的傳感網(wǎng)絡復用設計以及光纖光柵傳感器橫向應力與溫度交叉敏感分離等方面。
　　 1.基于進化計算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡傳感解調技術:
　　 針對波分復用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡的波長檢測問題，本文對布拉格波長檢測的優(yōu)化模型進行了分析和討論，詳細剖析了優(yōu)化模型的搜索空間特點，并在此基礎上

3、設計了交換算子，實驗表明交換算子能夠極大的改善解調算法的效率。
　　 接著本文利用傳輸矩陣理論研究了串聯(lián)光纖光柵傳感網(wǎng)絡的解調問題，建立了串聯(lián)光纖光柵傳感網(wǎng)絡解調的優(yōu)化模型;在對搜索空間充分認知的基礎上，設計了具有交換算子的差分進化算法對模型進行求解，算法誤差控制在0.2pm以內(nèi)。
　　 最后為解決大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡傳感解調中使用進化計算方法存在的效率問題，本文提出將傳感解調問題視為回歸問題，用最小二乘支持向量回歸機

4、建立波長檢測的回歸模型，可以直接得到一個低精度的初始解，再利用進化算法中的粒子群算法快速搜索到高精度的解，最終解決了進化計算全局搜索的收斂速度問題，提高了進化計算在大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡的解調效率。
　　 2.基于進化計算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡復用設計:
　　 現(xiàn)有波分復用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡受傳統(tǒng)解調技術所限，要求網(wǎng)絡中各光纖光柵傳感器工作區(qū)域互不重疊，從而導致網(wǎng)絡復用瓶頸。針對這個問題，本文提出設計一種允許工作區(qū)域重疊的光

5、纖光柵傳感網(wǎng)絡。主要運用帕累托多目標優(yōu)化理論，建立基于帶寬重疊技術的光纖光柵傳感網(wǎng)絡優(yōu)化模型，目標是以最小的光譜重疊程度換取光源帶寬資源的最大節(jié)約。
　　 文中分別采用NSGA-Ⅱ和SPEA2兩種多目標進化計算算法來進行優(yōu)化模型求解，得到了不同規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡的帕累托最優(yōu)解集，并分析對比了這兩種方法在該多目標優(yōu)化問題上的優(yōu)缺點。
　　 本文所求解出的帕累托最優(yōu)解集是一系列最優(yōu)的解決方案，給工程人員提供了多種合理的配置

6、方案。為了進一步切合具體工程實踐需要，本文對所設計出來的配置方案進行了誤差實驗，并討論了在帕累托最優(yōu)解集中如何選取合適權衡方案的依據(jù)和方法。最終選取出來的配置方案能夠節(jié)約至少38％的光源帶寬資源，同時對測量誤差幾乎不產(chǎn)生影響，具有較高的實用價值。
　　 3.基于進化計算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡交感處理:
　　 針對光纖光柵受到橫向應力和溫度交叉敏感的問題，本文分析了兩種不同的橫向應力對光纖光柵的作用:橫向均勻應力和橫向局部應力

7、。分別針對這兩種應力與溫度不同的交感特性，建立相應的優(yōu)化模型;從光譜重構的角度入手，運用系統(tǒng)辨識的方法，將溫度和應力作為辨識參量進行設計，再通過傳感原理構造一個理論的反射光譜，從而建立了一個基于理論構造光譜和采樣光譜差異度的辨識模型。
　　 進而針對這個特定的光纖光柵對橫向應力和溫度交叉敏感辨識模型，提出了一種基于內(nèi)分泌調節(jié)的免疫網(wǎng)絡算法。與差分進化算法相比，該算法對這種優(yōu)化模型具有更強的搜索能力，求解得到的結果具有很高的辨識精