指数修正高斯拟合寻峰算法处理FBG传感信号

光纤布拉格光栅(FBG)传感系统因其检测精度高、重复性好和适应性强等优点而被广泛应用于不同领域。由于FBG传感器为波长调制型传感器,因此对于外界参量的检测即为FBG中心波长的检测,而FBG中心波长值对应于FBG反射光谱的峰值。因此,系统解调的核心即为FBG反射光谱的峰值检测,而高精度的寻峰算法是系统解调的关键技术。现有的寻峰算法对FBG反射谱进行峰值检测时,都是以FBG反射谱为标准高斯型为前提的。但由于实际制作工艺及环境的影响,FBG反射光谱并不是标准高斯型光谱,而是非对称的高斯型光谱,其非对称特性往往会对寻峰精度有一定的影响。针对现有算法这一缺陷,提出了一种指数修正高斯(EMG)拟合寻峰算法。利用三次判定定位实现粗定位,同时剔除假峰和无效峰值;在此基础上以粗定位点为中心进行光谱重构,再利用积分判定峰值偏向;然后根据不同的峰值偏向以给定的指数修正函数进行相应的峰值修正。实验仿真结果表明：定温条件下或变温条件下,与直接寻峰算法、高斯拟合算法和文献中的算法相比,EMG算法的峰值检测误差最小,寻峰精度提高。考虑了FBG反射光谱非对称特性对寻峰的影响,从光谱自身特性的角度,既克服了传统寻峰算法的局限性,又保证了高精度的寻峰效果。     

小型化光纤光栅解调系统设计及寻峰算法的模拟评测

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测,基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构,编写了上位机软件,嵌入了不同的寻峰算法,可适用于不同噪声环境下中心波长的计算,以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例,提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法,提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验,结果表明,阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果,且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算,所得系统精度为5.89 pm,与模拟评测结果的误差小于1.7 pm,验证了模拟评测的可行性。     

FBG反射谱展宽效应的高速解调算法研究

FBG传感器在非均匀应力场下因光栅啁啾而产生反射谱展宽,从而影响了低采样率下高速解调的精度和稳定性。针对这个问题,分析了造成异形反射谱的原因,阐述了在反射谱展宽效应下FBG的高速解调原理。通过实验,对比了高斯拟合、B样条插值以及三次样条插值三种算法的寻峰效果;根据误差理论,结合实验结果,给出了三种寻峰算法在此种情况下的均方差(MSE)以及最大峰值误差(MPE)。结果表明,当FBG传感器反射谱展宽时,三次样条插值算法有更好的稳定性。     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为: 3.4 pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46%.     

不同采样方式下光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法的分析

对光纤布喇格光栅反射谱的三种寻峰算法(三次样条插值数值微分法、高斯-多项式拟合法和高斯拟合法)进行了分析和比较;相同采样情况下,得出了高斯拟合法确定的峰值准确度最高的结论;采样点数为250的均匀采样中,三种算法寻峰结果对实际值的误差分别为:3.4pm、13.0 pm和2.6 pm.引入了非均匀数据采集的寻峰思路,分别应用三种寻峰法对实际光栅的反射谱分别进行均匀采集和非均匀采集.结果表明,对于相同寻峰方法在非均匀数据采集下获得的峰值更精确,采样点数为250时,高斯拟合法寻峰时非均匀采集对应的误差比均匀采集减少了38.46％.     

基于改进型模拟退火模型的X荧光光谱寻峰方法的研究

在能量色散X荧光分析技术分析中,对谱信息的处理一直是研究的重点,谱光滑、寻峰、峰面积处理都是重中之重,本工作基于模拟退火算法原理,建立一种新的寻峰模型算法,该算法利用模拟退火寻找全局最优点的收敛特性,以Metropolis准则作为峰谷判断的基础,引入新的判定标准和峰谷数组,同时从谱道址两端同时收敛,以收敛到同一最优解为终止条件。同时,利用该算法与简单比较法、三阶导数法进行对比实验,结果证明该算法在X荧光光谱寻峰中有较强能力,在实际生产中具有一定价值。     

变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析

拉曼光谱气体检测技术能利用单一波长的激光对气体样品进行无接触、无损耗检测,适用于油浸式变压器油中溶解气体检测。结合拉曼光谱检测机理,分析了拉曼光谱谱线特征,建立了由洛仑兹函数与高斯函数卷积表示的拉曼光谱Voigt线型模型,其表现出较好的拉曼谱峰线型轮廓基本特征。以谱峰高、中心位置、半峰全宽等为代表的拉曼谱峰线型轮廓基本特征是寻峰的主要目标,其根本目的在获取样本定性及定量检测分析依据。故针对拉曼光谱实验数据设计了基于比较法的自动寻峰模型以实现检测目标。对引入到Voigt线型模型中的寻峰模型进行的模拟实验结果表明,模拟中谱峰高、中心位置等数据均与模型输出数据相吻合。依托实验室构建的变压器油中溶解气体拉曼光谱检测平台,分析检测实验数据表明,Voigt线型模型中半峰全宽参数实际取值区间为(8.7,11.5)(cm-1),模型与其存在偏差。修正该参数取值为10.257 cm-1,并对比研究表明：修正后的Voigt线型模型及寻峰模型具有更好的适应性及实用性。结合实验平台的拉曼光谱气体检测数据的寻峰结果,有效地完成了七种变压器故障特征气体的检测及分析。针对甲烷气体,获得单位气体含量、拉曼特征峰强度与面积三者之间的线性关系,为变压器油中溶解气体拉曼光谱检测定量分析奠定基础。     

正弦形构造的光纤光栅自致啁啾效应

结合均匀光栅在受到非均匀应变时会产生啁啾效应的原理,提出了一种利用正弦结构将均匀光栅调制成啁啾光栅的方法。设计了正弦结构的基底材料,将光纤光栅粘贴在基底材料的应变非均匀区,通过施加拉伸载荷将其产生的应变引入FBG栅区,使得FBG产生了啁啾效应,FBG被调制成具有多个反射峰和宽带宽的啁啾光栅;使用有限元软件对正弦结构拉伸载荷下的应变进行了仿真,得到了正弦结构不同位置的应变云图;实验结果在位移载荷最大为8 mm时,得到了带宽增加5倍,反射谱具有多个反射峰的啁啾光栅;结合传输矩阵法对啁啾光栅的反射谱进行光谱仿真重构,仿真光谱与实验光谱趋势基本吻合。     

分布式反馈激光器动态扫描光纤布拉格光栅波长解调系统

通过对该系统采集到的法布里-珀罗(F-P)标准具透射谱和光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射谱进行寻峰算法以及拟合算法的研究,采用C语言编程和LabVIEW编程相结合的方式,实现了FBG波长信号的解调。其中,由于系统采集到的F-P透射谱和FBG反射谱线时域信号数据都由离散点构成,且在3dB带宽内均符合高斯曲线分布,采用高斯拟合对采集到的信号数据进行寻峰处理,提高系统精度;又由于分布式反馈(DFB)激光器的波长扫描存在着一定的非线性,采用二项式拟合对DFB激光器的波长扫描曲线进行拟合,以降低其非线性导致的误差。另外,设置一路标准FBG传感通道用于波长校准。实验研究表明该系统稳定性良好,波长测量范围为1 550.012~1 554.812nm,分辨力为1pm,精度为±10pm,验证了该系统可用于FBG波长信号检测的可行性。     

光纤布喇格光栅反射谱寻峰算法优化及比较

针对光纤布喇格光栅反射谱的特点,研究了强度阈值对五种典型寻峰算法的影响,明确了阈值优化对减小寻峰误差的重要性.对各算法分别进行阈值优化,从寻峰误差和运行效率两个方面对不同采样间隔条件下的寻峰算法进行比较分析.研究表明:各寻峰算法与强度阈值的关系不尽相同,阈值优化可有效减小各算法的寻峰误差,提高光纤布喇格光栅传感系统波长的分辨率和检测准确度;除质心探测法外,增大采样间隔并不能显著提高各算法的运行效率;高斯拟合法寻峰误差最小且最为稳定,适用于静态信号和低频动态信号的解调;质心探测法运行速度最快且误差相对较小,可用于中高频动态信号的解调.     

提升FBG传感性能的智能算法研究进展北大核心CSCD

对光纤布拉格光栅反射谱进行精确解调是影响FBG传感系统性能的关键技术之一。传统解调算法大多适用于理想反射光谱,对于重叠谱、畸变谱的精度欠佳。随着人工智能技术的迅速发展,许多智能算法已成功用于改善解调性能。文中综述了近几年在FBG传感领域常用的几种智能算法,包括群智能算法、模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法、神经网络算法等。阐述了每种智能算法的原理及在FBG传感领域应用存在的优缺点,分析了FBG传感存在的问题及发展趋势。     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响,分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移,用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数,对传统耦合模理论进行了修正,增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算,可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响,与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

多光谱辐射层析重建三维火焰温度场

提出一种基于多光谱辐射测温理论及光学层析技术的三维温度场重建方法。建立了基于参考温度的多光谱测温法数学模型，提出了一种基于模拟退火理论的变松弛因子的光学层析技术新算法，通过计算机数值模拟，详细考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果并与传统的代数迭代重建算法及滤波反投影算法进行比较。计算结果表明，变弛豫因子重建算法重建精度最高。作为一个应用实例，用多光谱辐射变弛豫因子重建层析方法重建了四峰蜡烛火焰某一截面的温度分布。     

对称零面积变换结合L-M拟合自动识别重叠光谱峰

Raman光谱分析中,由于仪器光谱分辨率的限制和复杂的目标成分,经常存在着谱峰重叠现象。容易导致谱峰参数提取乃至样品成分分析错误,更为现场光谱的自动分析处理增加了难度。重叠光谱峰的识别已成为现场光谱学处理的难点,针对这个问题,建立了一套自动识别重叠谱峰的方法：以多个高斯峰的组合作为重叠光谱解析模型,首先以对称零面积变换寻峰方法确定高斯峰的个数和初步的峰位、峰高、宽度参数,并以Levenberg-Marquardt方法对获得的初始高斯峰参数进行拟合优化,最终获得各个独立谱峰的拟合参数。对该方法进行了测试,其中以仿真数据进行的算法实验证明,对称零面积变换寻峰获得的初始参数与真实值较为接近,在此基础上进行的参数优化收敛速度快,对峰参数的提取可获得较高的准确度;以具有不同信噪比的实测Raman光谱数据进行的算法实验证明,该方法可以适用于信噪比在较大范围变化的信号,但对信噪比过低的实测信号则容易产生虚假峰和漏峰。研究证明,以对称零面积变换寻峰结合L-M拟合自动识别重叠光谱峰的方法具有一定的实用价值。     

吸收峰混叠的太赫兹光谱区间组合特征提取算法

太赫兹光谱是物质识别的前沿方法之一。由于不同物质的分子组成或结构各异,许多物质的太赫兹吸收谱会在特定频率上出现吸收峰,可以作为混合物成分检测的重要特征。有效准确地提取这些吸收峰的参数,是提高识别率的关键。多峰拟合算法将光谱曲线拟合成若干个标准峰函数之和,能够同时提取到吸收峰的频率、峰高、峰宽等信息。但是该算法以寻峰算法结果为基础确定吸收峰的大致位置和数量,寻峰结果不一定是最优的拟合结果,而且很难准确识别定位混叠状态的吸收峰。为了提高混叠光谱中吸收峰的识别定位精度,提出以大幅度平滑后的曲线波谷为分界点,将预处理后的光谱分成若干个子区间。然后将子区间组合起来进行多峰拟合,通过遗传算法得到最优的拟合子区间组合和吸收峰频率近似值,拟合时每个子区间中通过峰数递增最优化方法确定拟合的吸收峰数,最后微调优化得到最优的吸收峰频率、峰高值。为了实现物质的识别,通过密度聚类算法得到同一类纯净物在多次测量中的共同吸收峰,以此作为标准数据,通过提出的基于吸收峰特征的光谱匹配算法实现了纯净物和不同含量混合物的快速识别。对10类纯净物的实际光谱数据进行拟合聚类,得到其吸收峰参数,结果与太赫兹光谱数据库一致。通过识别算法对纯净物测试集进行识别的识别率为100%,证明了特征提取和物质识别算法的有效性。对于含有混叠峰的混合物光谱,二阶导数法对葡萄糖-乳糖混合物光谱中被掩盖吸收峰(1.280 THz)的识别率仅为70%,提取到的频率平均值为1.316 THz;而该算法提高识别率至95%,频率平均值为1.281 THz,该算法提高了对混叠峰的分辨能力,能够精确定位混叠峰。对10类纯净物构成的6类不同程度混叠的二元混合物前二、三识别率分别达到90.8%和98.3%,提取到的特征能够有效应用于混合物的成分检测。该算法能够以纯净物数据为标准数据实现成分各异的混合物成分检测,对于太赫兹光谱混合物成分检测有重要意义。     

遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中的重构算法

在遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中，对于是否能够快速、经济地得出气体空间浓度分布图及预测浓度峰位置，重构算法的选择是至重要的。理想的重构算法即使在仪器噪声较大、存在测量误差、光线数量少以及待测气体在空间的分布不稳定情况下，也能够通过有限的测量数据和非对称的光线构型，得出理想的重构图。本文对遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中采用的几种重构算法，如ART法、MART法、SIRT法和SBFM法等，作了扼要描述。与传统的ART法相比，MART法在迭代速度和迭代精度上有较大的优越性，SIRT法克服了采用代数重构技术所带来的模糊性，SBFM法使重构结果噪声明显减小。     

基于衍射光栅的FBG传感系统解调算法分析

研究并实现了一种基于衍射光栅的FBG解调系统,针对该解调系统从理论上分析了光纤内的模式分布,分析了由FBG引起的模式间耦合效应。根据高斯光束经过该系统后的空间光强分布,采用多项式拟合的方法实现了反射光谱峰值定位算法。通过与高精度光谱仪的测量结果对比表明,该解调方法具有较高的波长解调精度和稳定性。由于系统中不存在扫描机构,该技术可以实现较高的动态扫描频率。     

基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

一种少投影光学层析新算法及其应用

研究少投影数情况下等离子体温度场重建问题。结合光学层析重建算法及等离子体光谱诊断中的谱线绝对强度法进行自由电弧等离子体温度场重建实验。理论上，详细讨论了一种基于最大熵准则及最优化原理的光学层析图像重建新算法。通过计算机数值模拟，考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果。详细分析了投影噪声、投影方向数、场分布性质对重建精度的影响，并与代数迭代重建算法结果进行对比．结果表明，该算法以两个正交方向投影数据重建单峰余弦模拟场平均误差仅为0.3％，而代数迭代重建算法为3．81％；该算法以四个均匀角度间隔投影数据重建三峰随机高斯模拟场平均误差为1．77％，而代数迭代重建算法为2．02％。实验中，运用该算法结合谱线绝对强度法重建了自由电弧等离子体的温度分布。     

一种基于连续小波变换的LIBS光谱自动寻峰方法

谱线寻峰在激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy)中是必不可少的步骤,然而噪声和背景的存在,干扰了寻峰的准确性。为了提高LIBS寻峰中重叠峰分辨能力和自适应能力,提出一种适用于LIBS谱图的自动寻峰方法。将基于连续小波变换的脊线寻峰法引入到LIBS中,探讨了连续小波变换中的小波母函数的选择并优化了尺度参数和平移参数,提出一套脊线校正方法对脊线寻峰法进行了改进。实验结果表明,该方法与直接比较法、导数法和脊线寻峰法相比,在重叠峰分辨能力和寻峰精度等方面优势显著,可应用于LIBS数据处理。