基于進(jìn)化計(jì)算的布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化問(wèn)題的研究.pdf

1、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)因其具有線性傳感、波長(zhǎng)編碼、抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測(cè)量范圍寬、便于復(fù)用組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今傳感領(lǐng)域最有價(jià)值的技術(shù)之一。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的主要研究熱點(diǎn)集中在傳感解調(diào)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)和交叉敏感處理技術(shù)這三個(gè)方面。目前該領(lǐng)域的研究方法大都是基于實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方法，而本課題關(guān)注到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的許多問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題。從優(yōu)化角度出發(fā)，這些問(wèn)題尚未得到系統(tǒng)地研究，而且這些優(yōu)化問(wèn)題都是一類離散的、不可導(dǎo)的非線

2、性優(yōu)化問(wèn)題。因此，本課題提出采用進(jìn)化計(jì)算方法來(lái)解決布拉格光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中新型傳感解調(diào)技術(shù)、基于重疊光譜的傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用設(shè)計(jì)以及光纖光柵傳感器橫向應(yīng)力與溫度交叉敏感分離等方面。
　　 1.基于進(jìn)化計(jì)算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)傳感解調(diào)技術(shù):
　　 針對(duì)波分復(fù)用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)檢測(cè)問(wèn)題，本文對(duì)布拉格波長(zhǎng)檢測(cè)的優(yōu)化模型進(jìn)行了分析和討論，詳細(xì)剖析了優(yōu)化模型的搜索空間特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上

3、設(shè)計(jì)了交換算子，實(shí)驗(yàn)表明交換算子能夠極大的改善解調(diào)算法的效率。
　　 接著本文利用傳輸矩陣?yán)碚撗芯苛舜?lián)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)問(wèn)題，建立了串聯(lián)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)的優(yōu)化模型;在對(duì)搜索空間充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有交換算子的差分進(jìn)化算法對(duì)模型進(jìn)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(luò)傳感解調(diào)中使用進(jìn)化計(jì)算方法存在的效率問(wèn)題，本文提出將傳感解調(diào)問(wèn)題視為回歸問(wèn)題，用最小二乘支持向量回歸機(jī)

4、建立波長(zhǎng)檢測(cè)的回歸模型，可以直接得到一個(gè)低精度的初始解，再利用進(jìn)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(jìn)化計(jì)算全局搜索的收斂速度問(wèn)題，提高了進(jìn)化計(jì)算在大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的解調(diào)效率。
　　 2.基于進(jìn)化計(jì)算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用設(shè)計(jì):
　　 現(xiàn)有波分復(fù)用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)受傳統(tǒng)解調(diào)技術(shù)所限，要求網(wǎng)絡(luò)中各光纖光柵傳感器工作區(qū)域互不重疊，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)復(fù)用瓶頸。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出設(shè)計(jì)一種允許工作區(qū)域重疊的光

5、纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。主要運(yùn)用帕累托多目標(biāo)優(yōu)化理論，建立基于帶寬重疊技術(shù)的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，目標(biāo)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(biāo)進(jìn)化計(jì)算算法來(lái)進(jìn)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(luò)的帕累托最優(yōu)解集，并分析對(duì)比了這兩種方法在該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　 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(jìn)一步切合具體工程實(shí)踐需要，本文對(duì)所設(shè)計(jì)出來(lái)的配置方案進(jìn)行了誤差實(shí)驗(yàn)，并討論了在帕累托最優(yōu)解集中如何選取合適權(quán)衡方案的依據(jù)和方法。最終選取出來(lái)的配置方案能夠節(jié)約至少38％的光源帶寬資源，同時(shí)對(duì)測(cè)量誤差幾乎不產(chǎn)生影響，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
　　 3.基于進(jìn)化計(jì)算的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)交感處理:
　　 針對(duì)光纖光柵受到橫向應(yīng)力和溫度交叉敏感的問(wèn)題，本文分析了兩種不同的橫向應(yīng)力對(duì)光纖光柵的作用:橫向均勻應(yīng)力和橫向局部應(yīng)力

7、。分別針對(duì)這兩種應(yīng)力與溫度不同的交感特性，建立相應(yīng)的優(yōu)化模型;從光譜重構(gòu)的角度入手，運(yùn)用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，將溫度和應(yīng)力作為辨識(shí)參量進(jìn)行設(shè)計(jì)，再通過(guò)傳感原理構(gòu)造一個(gè)理論的反射光譜，從而建立了一個(gè)基于理論構(gòu)造光譜和采樣光譜差異度的辨識(shí)模型。
　　 進(jìn)而針對(duì)這個(gè)特定的光纖光柵對(duì)橫向應(yīng)力和溫度交叉敏感辨識(shí)模型，提出了一種基于內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的免疫網(wǎng)絡(luò)算法。與差分進(jìn)化算法相比，該算法對(duì)這種優(yōu)化模型具有更強(qiáng)的搜索能力，求解得到的結(jié)果具有很高的辨識(shí)精