基于VMD融合降噪的FBG光谱寻峰算法

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作者 潘红宇 吕峥 +2 位作者 欧建臻 徐春锋 祝连庆 《仪器仪表学报》 北大核心 2025年第4期260-269,共10页

针对基于CCD的光谱衍射法对光纤布拉格光栅解调过程中受到噪声干扰,导致FBG中心波长解调精度和稳定性降低的问题,提出了一种基于变分模态分解的VMD-WT-SG融合降噪算法。通过结合不同降噪算法的优势以及算法参数的调整,实现了对光谱信号... 针对基于CCD的光谱衍射法对光纤布拉格光栅解调过程中受到噪声干扰,导致FBG中心波长解调精度和稳定性降低的问题,提出了一种基于变分模态分解的VMD-WT-SG融合降噪算法。通过结合不同降噪算法的优势以及算法参数的调整,实现了对光谱信号中噪声成分的有效去除,在保留原始信号大部分特征的同时光谱波形更加平滑和连续,降噪效果明显。与传统的VMD降噪、SG降噪、Kalman滤波3种方法对比,经VMD-WT-SG融合降噪法处理后的光谱信噪比为20.14 dB,均方根误差为0.017,信噪比分别提升了23.94%、41.14%和94.97%,均方根误差分别降低了39.29%、45.16%和67.92%,在4种降噪方法中效果最好。为了提高解调速率,在常用寻峰算法的基础上,提出了一种针对降噪后多峰光谱的中垂线相交寻峰算法,通过计算峰值点与左、右次大值点连线的中垂线的交点坐标来求取中心波长。并通过实验与多项式拟合、质心、高斯拟合算法对比了寻峰精度。结果表明提出的算法平均寻峰偏差为3.3 pm,优于质心法与多项式拟合法,算法平均运行时间为0.261 ms,优于多项式拟合法和高斯拟合法。实时应用中在保证精度的同时解调速率可达4 kHz,同时该算法的稳定性较好,解调的波长平均标准差为1.8 pm,能够满足实际应用的需求,对FBG传感网络中的多峰值实时快速检测具有一定的参考价值。 展开更多

关键词 FBG传感 VMD分解 光谱降噪 寻峰算法

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软体气动驱动器弯曲变形光纤传感与形状重构 被引量：17

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作者 孙广开 曲道明 +2 位作者 闫光 宋言明 祝连庆 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1052-1059,共8页

为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建... 为解决软体气动驱动器弯曲变形的柔性传感测量问题,提出将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层进行曲率测量与形状重构的方法。建立了软体机构变形光纤传感重构算法模型,理论分析了光纤光栅光谱变化与应变限制层弯曲曲率的关系。搭建了基于光纤光栅特性的软体传感、解调及曲率标定装置,实验分析了不同曲率下光纤光栅反射光谱的特征,得出光纤光栅中心波长漂移量与弯曲变形曲率的关系,计算得出软体气动驱动器在不同弯曲状态下的曲率值,重构出软体气动驱动器的变形形状,验证了形状重构结果的正确性。实验结果表明:将光纤光栅植入软体气体驱动器应变限制层,利用光纤光栅反射光谱变化可实现软体驱动器的曲率测量与形状传感,3种弯曲状态下光纤光栅传感测量值与软体驱动器曲率标定值之间的最大误差为2.1%。该光纤传感方法在软体气动驱动器柔性传感与闭环控制方面具有广阔的应用前景。 展开更多

关键词 光纤传感 形状传感 光纤布拉格光栅 曲率测量 气动驱动器 聚酰亚胺薄膜

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植入光纤光栅的软体驱动器形状传感研究 被引量：13

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作者 高东 孟凡勇 +2 位作者 宋言明 孙广开 祝连庆 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期155-163,共9页

软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅(FBG)植入在软体驱动器中... 软体机器人由于具有柔顺性和适应性等特点,在外科手术和狭窄空间等方面具有无可比拟的优势,为了实现微创手术等狭小空间中软体驱动器的姿态传感监测,提出基于植入式光纤光栅的柔性传感方法,首先将光纤布拉格光栅(FBG)植入在软体驱动器中;然后在软体驱动器的不同弯曲状态下,通过实验测试分析FBG点的光谱、波长漂移量和曲率等信息,利用3次样条插值等算法实现软体驱动器的三维形状拟合重构。实验结果表明,驱动器实际弯曲角度和重构算法之间的误差不足4.5%,传感器重复性的偏差指数不足7%。所提出的基于植入式光纤光栅的柔性传感方法可以实现软体机器人的姿态传感监测,在医疗外科手术领域具有广阔的应用前景。 展开更多

关键词 软体驱动器 光纤布拉格光栅 形状重构 传感监测

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光纤光栅链路反射谱强度自适应解调 被引量：5

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作者 秦根朝 孟凡勇 +2 位作者 李红 庄炜 董明利 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第5期235-242,共8页

针对解调仪单通道多光栅反射谱强度差异过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大的问题,提出了利用不同曝光周期多次曝光解调的方法调整峰值,根据光谱数据直方图来确定寻峰阈值。分析了谱峰峰值对寻峰稳定性的影响,建立了曝光周期、寻峰阈... 针对解调仪单通道多光栅反射谱强度差异过大,导致无法有效寻峰或寻峰误差增大的问题,提出了利用不同曝光周期多次曝光解调的方法调整峰值,根据光谱数据直方图来确定寻峰阈值。分析了谱峰峰值对寻峰稳定性的影响,建立了曝光周期、寻峰阈值自适应调整规则,用LabVIEW软件实现了自适应寻峰解调算法。通过实际光纤光栅传感器测试,可完成差异过大反射光谱的自动曝光和寻峰解调处理,在保证寻峰稳定性的前提下,有效提高了谱峰识别数量、解调系统自适应能力和工作可靠性。通过实验发现,谱峰峰值在光强饱和值70%~90%范围内寻峰稳定性最高,寻峰得到的中心波长标准差在0.5 pm以内,稳定性比单次曝光解调提高了50%,程序运行时间在100 ms以内,可以实现快速解调。 展开更多

关键词 光纤传感 光谱强度 曝光周期 寻峰阈值 自适应解调算法

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光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器 被引量：4

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作者 曲道明 孙广开 +2 位作者 孟凡勇 宋言明 祝连庆 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第1期109-116,共8页

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及... 面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m^(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m^(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。 展开更多

关键词 聚酰亚胺薄膜 光纤光栅 曲率传感器 灵敏度

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基于改进型LSTM的电力设备温度预测方法研究 被引量：9

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作者 张羽飞 孟凡勇 +2 位作者 王永千 吴越 李红 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2021年第12期167-173,共7页

实现电力设备温度的准确预测对于保障电力系统安全和提高维修效率具有重要意义。传统预测方法无法满足高精度的预测要求,提出一种基于改进型长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络的电力设备温度预测方法,利用去池化的卷积... 实现电力设备温度的准确预测对于保障电力系统安全和提高维修效率具有重要意义。传统预测方法无法满足高精度的预测要求,提出一种基于改进型长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络的电力设备温度预测方法,利用去池化的卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)对时间序列进行局部特征提取,然后利用LSTM设计的循环递归层对时间序列进行长期特征提取,实现电气设备温度预测。在首都国际机场的供电设备运行状态监测数据集的实验结果表明,温度预测值在20~60 min内预测精度优于1℃,且均方根误差(RMSE)0.12均小于其他温度预测模型,可以有效实现电气设备温度预测。 展开更多

关键词 卷积神经网络 长短期记忆神经网络 温度预测 电力设备

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基于深度学习的机翼蒙皮载荷计算方法 被引量：3

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作者 刘佳玮 于明鑫 +3 位作者 祝连庆 夏嘉斌 闫光 梁生珺 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2022年第4期1-8,共8页

针对传统的载荷标定方程计算机翼蒙皮载荷精度低的问题,提出了一种基于深度学习的机翼蒙皮载荷计算新方法。考虑真实机翼蒙皮受力复杂,首先建立了机翼蒙皮试验件模型,使用Ansys仿真软件对试验件进行有限元分析,获得应变与载荷仿真数据,... 针对传统的载荷标定方程计算机翼蒙皮载荷精度低的问题,提出了一种基于深度学习的机翼蒙皮载荷计算新方法。考虑真实机翼蒙皮受力复杂,首先建立了机翼蒙皮试验件模型,使用Ansys仿真软件对试验件进行有限元分析,获得应变与载荷仿真数据,并对仿真数据进行数据清洗与预处理;其次,构建深度神经网络模型,将应变与载荷作为神经网络模型的输入与输出值,采用Adam算法优化提出的载荷计算模型;最后,在测试集上对载荷值进行预测,使用平均相对误差与绝对值差作为评价指标。实验结果显示,基于深度学习的载荷计算方法在小载荷数据上平均绝对误差为0.081 N,在正常载荷数据上的平均相对误差为0.0638%;与传统载荷计算方法比较,本文提出的新方法计算的载荷精度明显优于传统方法。 展开更多

关键词 机翼蒙皮 载荷计算 深度学习 应变 载荷标定方程

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基于双金属结构的光纤光栅温度不敏感滤波器 被引量：1

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作者 廖晶晶 祝连庆 +2 位作者 宋言明 辛璟焘 吕峥 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期314-321,共8页

为提高光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,提出了一种用60μm超短光纤光栅制作带宽11.77 nm温度不敏感滤波器的方法。利用金属材料的热膨胀系数差,设计了双金属温度补偿结构,能够随温度的升高/降低对光纤光栅压缩/拉伸,有效地补偿光纤... 为提高光纤陀螺宽谱光源的平均波长稳定性,提出了一种用60μm超短光纤光栅制作带宽11.77 nm温度不敏感滤波器的方法。利用金属材料的热膨胀系数差,设计了双金属温度补偿结构,能够随温度的升高/降低对光纤光栅压缩/拉伸,有效地补偿光纤光栅由热光效应引起的波长变化。在30~60℃的温度范围内,光纤光栅的温度灵敏度系数为0.15 pm/℃,较未补偿前降低了60倍以上。该结构具有较好的温度不敏感性,可作为光源滤波器提高光源的平均波长稳定性并有望用于高精度光纤陀螺。 展开更多

关键词 光纤陀螺光源 光纤光栅滤波器 双金属结构 温度补偿

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超声脉冲纵波调制光纤光栅的光谱特性研究 被引量：1

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作者 周峰 叶伟娟 +2 位作者 刘锋 李红 何巍 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1200-1205,共6页

针对光纤光栅传感器网络密度与容量的提高,提出将超声脉冲纵波导入光纤,传播过程中将会影响光栅的光谱,实现对光纤光栅进行标记与区分。开展了不同激励信号参数对于光纤光栅光谱影响的研究,利用ANSYS软件对超声脉冲纵波在光纤中的传播... 针对光纤光栅传感器网络密度与容量的提高,提出将超声脉冲纵波导入光纤,传播过程中将会影响光栅的光谱,实现对光纤光栅进行标记与区分。开展了不同激励信号参数对于光纤光栅光谱影响的研究,利用ANSYS软件对超声脉冲纵波在光纤中的传播过程进行仿真,建立了基于傅里叶模式耦合理论的超声脉冲纵波对于光谱的调制模型,并对该模型进行了仿真分析。仿真结果表明,与梯形脉冲纵波相比,在相同条件下高斯脉冲纵波调制幅度减小12 pm,但调制稳定性优于梯形脉冲纵波,减小高斯脉冲纵波脉宽会提高调制幅度,但是脉宽过小会使应变产生拖尾,降低调制效果。在本文的条件下脉宽为34μs的高斯脉冲纵波调制效果最佳,可以在保证调制幅度为82 pm的同时使得光谱中心波长红移蓝移各一次。仿真结果为超声脉冲纵波调制光纤光栅激励信号参数的选择提供了参考,为利用超声脉冲纵波区分光纤光栅打下基础。 展开更多

关键词 光纤光栅 超声脉冲纵波 光谱调制

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基于双AWG的新型FBG连续解调方法研究 被引量：1

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作者 姬星辰 袁配 +2 位作者 吕峥 庄炜 祝连庆 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2022年第9期159-166,共8页

为了实现基于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin, FBG)的连续解调,提出了一种使用两个AWG联合解调的方法。在一个AWG相邻两通道光谱中间插入另一个AWG对应通道的光谱,组成最小的光谱周... 为了实现基于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)的光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin, FBG)的连续解调,提出了一种使用两个AWG联合解调的方法。在一个AWG相邻两通道光谱中间插入另一个AWG对应通道的光谱,组成最小的光谱周期;每次测量均从三通道中选择光强度最强的两个通道,利用相对光强解调算法,根据其波长—功率关系对FBG中心波长进行精确测量。使用两个100 GHz的AWG搭建了实验平台,并对温度传感器的解调进行研究。实验表明,在0.8 nm的系统最小动态范围周期内,实现了对FBG的连续精确解调,系统的解调线性度达0.999 1,波长精度达±4 pm。对数据和实验结果进行数学分析,可以将C波段范围分成多个波长周期,系统可以实现在C波段40 nm全周期范围内对单个FBG的连续解调。该方法不但可以实现在C波段范围内基于AWG对FBG的连续解调,使得运用FBG可以连续感测外界物理量变化,提高了系统的实用性。而且,该方法能够准确解调出波长信息,为实现对FBG的连续精确解调提供了借鉴信息,有利于进一步扩大FBG的应用领域。 展开更多

关键词 光纤布拉格光栅 连续解调 双阵列波导光栅 相对光强解调

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基于神经网络的星敏支架指向倾角监测方法

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作者 宋健峰 祝连庆 +2 位作者 于明鑫 宋言明 张旭 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2022年第11期1-8,共8页

针对星敏支架热致变形导致其指向精度降低的问题,提出了一种基于神经网络的指向倾角监测方法。首先,分析星敏支架结构特征,搭建星敏支架指向倾角预测系统,采集星敏支架结构形变和倾角变化数据,并对实验数据进行预处理;其次,构建深度神... 针对星敏支架热致变形导致其指向精度降低的问题,提出了一种基于神经网络的指向倾角监测方法。首先,分析星敏支架结构特征,搭建星敏支架指向倾角预测系统,采集星敏支架结构形变和倾角变化数据,并对实验数据进行预处理;其次,构建深度神经网络模型,将星敏支架模型各测量点的应变信息作为输入变量,并使用Adam优化算法更新网络参数,经训练迭代后得到指向倾角预测模型;然后针对传统深度神经网络收敛速度慢、容易产生局部最小值等局限性,使用遗传算法对深度神经网络的超参数进行优化,以提升神经网络的训练速度;最后使用测试集数据对星敏支架指向倾角变化进行预测,分析该模型在不同温度条件下对星敏支架指向倾角监测的准确率。实验结果表明,优化后深度神经网络模型的指向倾角预测方法的平均误差为0.20″,且倾角预测精度明显优于传统算法,证明利用深度学习方法实现星敏支架指向倾角监测具有可行性。 展开更多

关键词 星敏支架 形变监测 深度学习 倾角预测

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