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混叠光谱的解调是一种非线性回归问题,文中提出的CNN模型能够处理混叠光谱非线性序列模型问题。CNN是近年来深度学习应用于计算机视觉领域的重要部分,也逐渐在自然语言处理、信号分析等领域中使用。文中提出了一种CNN深度学习算法,用于解决大型光纤光栅传感器并联传感网络中混叠光谱不可准确识别出中心波长的问题,CNN可以通过反射光谱序列的特征,学习和识别在不同混叠情况下的光谱特征。在文中提出的CNN模型中,对输入的长序列光谱数据的特征提取可由卷积层自动完成,因此,将光谱数据转换成一维(1D)数据,提升了检测效率,获得了更高的解调精度。在CNN模型训练完成后,可以从FBG重叠谱中解调出每个FBG的中心波长。在混叠光谱解调算法构建之前,首先要进行数据的预处理,归一化可以有效降低损失函数,由于特征向量中不同特征的取值相差较大,会导致目标函数变形。这样在进行梯度下降的时候,梯度的方向就会偏离最小值的方向,会导致训练时间过长。归一化后加快了梯度下降求最优解的速度。
首先,需要训练一个可复用的光纤光栅对波长检测模型。对于网络训练,测试样本是从OSA (optical spectrum analyzer)中收集到的光谱数据,一组数据采集2001个像素点,共采集11000组数据。训练前,频谱归一化为0~1,光谱序列数据设为以模型输入,通过CNN学习的特征学习输出向量FBG1和FBG2光谱的中心波长。CNN网络在TensorFlow深度学习框架中实现。迭代数epoch被设定为1000,学习率为0.1。
在深度学习框架中搭建好模型结构之后,将归一化完成之后的光谱数据进行训练,训练的CPU为Intel Core i7-8550 U CPU,训练完成之后的CNN模型可进行波长检测训练。经过良好训练的CNN模型可以直接应用于在线检测。经过训练的模型, 不需要高水平配置的计算机,便可以达到的毫秒级响应,同时也可以方便地移植到嵌入式系统。
程序部分包括数据加载部分,模型训练部分,混叠光谱模型解调结果输出部分。数据加载部分首先将数据顺序打乱,并划分训练集和测试集。
之后进行神经网络的搭建,首先设置三层卷积层三层池化层,激活函数为ReLu函数。由于输出结果为两个数值,因此在这里设置两个分支,再分别进行一层卷积层和池化层,之后设置一个输出层,为全连接层,激活函数为sigmoid函数。之后设置损失函数,以均方根误差和平均值误差代表。训练时使用Adam随机优化算法,该算法提升了计算效率,减小了噪声和稀疏性。最后将模型保存。图4为该卷积神经网络模型的结构示意图。该设计提出的一维卷积神经网络模型文件可保存为pb(protocol, buffer)格式文件,是一种表示神经网络模型结构的二进制文件,大小总计在400 kB以下,所需设备算力较小。在大规模结构健康检测的应用中,测量精度高、测点范围分布广、数量大。需实现大容量光纤光栅混叠光谱实时解调。因此,模型大小应进行控制,而同样的长短期记忆模型(LSTM),门控循环单元(GRU)等网络模型的大小为4.78 MB,2.1 MB,模型所占内存更大,对设备的算力需求比CNN模型更多。因此,基于一维卷积神经网路的混叠光谱解调模型具有优势。
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在模型找到最优解之前,CNN算法进行了若干次训练,在模型训练部分主函数程序,经过1000次模型迭代训练,损失函数结果接近最优值。使用均方根误差(RMS)和平均值误差(MAE)来评估光纤光栅传感器混叠光谱测量信号的误差指标。RMS可计算为:
$$ {\rm{RMS}} = \sqrt {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{y_i} - \overline y } \right)}^2}} } $$ (1) 式中:n表示样本数量;
$ {y}_{i} $ 为当前误差值;$ {\overline y} $ 为误差平均值。为了验证CNN模型的有效性,进一步评价模型的性能,将该方法与极限学习机(ELM)、最小二乘支持向量回归(LS-SVR)和粒子群优化(PSO)、LSTM,GRU等算法[5-6,8,10-11]进行了比较,通过RMS、MAE来评估模型的预测性能。MAE可计算为:$$ {\rm{MAE}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{y_i} - \overline y } \right|} $$ (2) 式中:n表示样本数量;
$ {y}_{i} $ 为当前误差值;$ {\overline y} $ 为误差平均值。传感器网络参数与实验环境参数保持一致。与以往的机器学习算法相比,卷积神经网络具有更高的准确度,优于ELM和LS-SVR。LSTM (长短期记忆网络),GRU (门控循环单元)等算法更适合波长序列特征,能够学习FBG光谱间的高阶表示和长期相关性。CNN深度网络结构的使用增强了学习能力,擅长对光谱形状的特征学习,是一种良好的寻峰算法,可以获得较高的寻峰检测精度。将CNN的性能与其他算法进行比较,以评价其性能,如表1所示,表中也给出了各种算法模型的解调计算时间,文中提出算法的解调计算时间明显低于其他算法。为更好的评价模型的性能,将模型的一些具体参数(数据样本量、迭代次数)进行调整,观测其损失函数的变化。从图5可以看出,批次大小在100、1000次迭代次数下,随着训练样本和测试样本的增加,训练的时间普遍在200 s以上,测试时间逐步增加。图6为模型训练的损失函数下降情况,训练集和测试集的损失函数为RMS (均方根误差),结果基本保持一致,在迭代次数达到400以上趋于平稳。表 1 不同算法之间的比较
Table 1. Comparison between different algorithms
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模型在训练完成之后进行保存,可进行混叠光谱的快速解调。混叠光谱解调算法模型在训练集的均方根误差为0.0867 pm,在测试集上的均方根误差为0.0826 pm,结果优于同级别设备或解调算法。图7(a)~(d)为光谱不同混叠程度解调模型解调结果,可以看出在往左右各方向混叠时的情况。图7(a)和图7(c)为两光谱部分重叠的情况, 图7(a)中显示的两个FBG的中心波长差值为0.697 nm,根据光谱形状,仍然可分辨出两个峰值,此时的模型解调精度均方根误差以达到0.05 pm以下。图7(c)中的FBG1和FBG2的中心波长的中心波长差值为−0.391 nm,和图7(a)的情况相比,两FBG之间的距离更近,由此可以看出两个FBG左右交换位置后,模型解调出的中心波长值和FBG仍然有良好的匹配性。图7(b)中,FBG1和FBG2的中心波长差值为1.004 nm,可以明显地区分出两个峰值,图7(d)为两个光纤光栅光谱完全重叠的情况,可以看出该解调算法有着良好的解调结果。对于这四种情况的RMS为0.0322、0.0319、0.0148、0.0301 pm。在8000个样本数据中,RMS达到0.050 pm,有92.1%样本的均方根误差在0.1 pm以下。样本数据包含了不同混叠程度的光谱数据,以及未混叠下的光谱数据,解调结果并无明显差别,如表2所示。因此,进一步地验证了该混叠光谱解调模型的准确度和适应性。
表 2 不同混叠程度的解调结果
Table 2. Demodulation results with different degrees of aliasing
Case FBG1/nm FBG2/nm Δλ/nm RMS/pm a 1536.8488 1536.1514 0.6974 0.0322 b 1537.1559 1536.1521 1.0038 0.0319 c 1535.7527 1536.1434 −0.3907 0.0148 d 1536.1317 1536.1549 −0.0232 0.0301
Demodulation method of overlapping spectrum based on convolutional neural network
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摘要: 研究了一种基于深度学习的光纤光栅混叠FBG光谱解调方法。利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)模型处理混叠光谱非线性序列模型问题,通过一维卷积神经网络预测识别混叠光谱中心波长,并搭建了并联结构的混叠光谱数据自动采集实验系统,验证了混叠光谱的中心波长高精度解调。实验分析了训练样本、迭代次数对训练时间、测试时间、解调精度的影响,并对训练完成后的模型进行了解调时间测试。分别与其他解调算法进行了解调精度和测试时间对比,同时对同一组光谱数据使用解调模型算法及最高点寻峰算法进行中心波长值的对比并进行误差分析。实验结果表明:解调模型均方根误差结果为0.082 58 pm,使用Intel(R) Core(TM) i7-8550U CPU (Central Processing Unit)的解调计算时间为0.338 s。研究结果表明:采用卷积神经网络模型对于混叠光谱中心波长解调结果的准确性具有合理性,与其他算法相比,文中的解调算法在解调精度和时间上具有优势,模型大小在400 kB以下,所需算力较小,可部署在小型嵌入式设备中,在大规模机载传感网络,结构健康监测中有良好的应用前景。Abstract: An FBG spectral demodulation method based on deep learning was studied. The Convolutional Neural Networks(CNN) model was used to deal with the nonlinear sequence model of the overlapping spectrum, and the central wavelength of the overlapping spectrum was predicted and identified through a one-dimensional convolutional neural network. And a parallel structure of the overlapping spectrum data automatic acquisition experimental system was built to verify the high-precision demodulation of the center wavelength of the overlapping spectrum. The experiment analyzes the effects of training samples and epoch times on training time, testing time, and demodulation accuracy, and tests the computational demodulation time of the model after training. The demodulation accuracy and test time were compared with other demodulation algorithms. At the same time, the demodulation model algorithm and the peak finding algorithm at the highest point were used to compare the center wavelength value and analyze the error for the same set of spectral data. The experimental results show that the root means square error of the demodulation model is 0.082 58 pm, and the demodulation calculation time is 30.886 ms, which is used Intel(R) Core (TM) i7-8550U CPU. The research results show that the convolutional neural network model is reasonable for the accuracy of the central wavelength demodulation results of the overlapping spectrum. Compared with other algorithms, the demodulation algorithm in this article has advantages in demodulation accuracy and time. The model size is less than 400 kB, and the required computing power is small. It can be deployed in small embedded devices. It has good application prospects in large-scale airborne sensor networks and structural health monitoring.
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表 1 不同算法之间的比较
Table 1. Comparison between different algorithms
表 2 不同混叠程度的解调结果
Table 2. Demodulation results with different degrees of aliasing
Case FBG1/nm FBG2/nm Δλ/nm RMS/pm a 1536.8488 1536.1514 0.6974 0.0322 b 1537.1559 1536.1521 1.0038 0.0319 c 1535.7527 1536.1434 −0.3907 0.0148 d 1536.1317 1536.1549 −0.0232 0.0301 -
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