一种基于虚拟游标效应与ISSA-BP神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法、系统

本发明涉及光纤传感和神经网络算法，具体涉及一种基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法、系统。

背景技术：

1、光纤传感技术因其微型化、抗电磁干扰及灵敏度高等优点，在精密制造、环境监测等领域具有广泛的适用性。然而，传统的光纤法布里-珀罗传感器在实际应用中面临两大瓶颈：一是物理结构限制了灵敏度的进一步提升；二是严重的“温度-应变”交叉敏感问题，导致测量精度受环境波动影响巨大。

2、近年来，基于游标效应的增敏方法被广泛研究，例如，通过级联或并联多个干涉腔体实现灵敏度提升。然而，实体参考干涉仪易受环境扰动，存在材料损耗、灵敏度受限、误差累积等问题。为此，研究者提出虚拟游标效应，通过数字信号处理构建虚拟参考腔，实现对传感光谱的软件调控。haiming qiu; ying gao; jiajun tian; yong yao,ultrahigh-sensitivity optical fiber sensor based on the virtual harmonic vernier effect[j],optics communications. volume 559 , issue . 2024. pp 130431提出的虚拟谐波游标效应在极窄光谱范围内实现了超高增敏。虚拟干涉仪的引入有效降低了环境对测量结果的干扰，避免了传统参考干涉仪带来的材料损耗和误差；而且能够实现包络放大倍数的动态调节，增强了传感器的灵活性，有较好的应用前景。

3、在温度补偿方面，传统方法多采用灵敏度矩阵法，难以克服噪声放大问题，且无法拟合虚拟游标增敏后引入的非线性误差。近年来，神经网络被引入温度补偿领域。安小宇;王浩宇; 石保敬; 张静; 任成龙; 梅永祥,基于issa-bp算法的红外气体传感器温度补偿[j],红外技术.2025 ,47 (10) :1296-1304提出融合混沌映射与动态自适应权重因子的issa-bp（improved sparrow search algorithm-back propagation, 改进麻雀搜索算法-反向传播）算法，在跳出局部最优、收敛速度等方面表现优异。

4、尽管国内外对虚拟游标和智能补偿各有深入研究，但两者的协同机制仍存在空白。例如增敏与噪声同步放大，虚拟游标在提升信号灵敏度的同时，也等比例放大了温度等环境干扰因素，现有的“先物理增敏、后软件补偿”模式存在严重缺陷；而且目前尚缺乏深入解析虚拟参数与算法补偿权重之间定量关系的数学模型，复杂的深度神经网络难以在传感系统中实现实时增敏与补偿。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：为了解决现有光纤应变传感器灵敏度受限及温度-应变交叉敏感的问题，提供一种基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法、系统，在获得高灵敏度的同时实现高精度的温度补偿。

2、为了解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法，包括以下步骤：

4、s1、利用光谱分析仪采集光纤法珀传感器在不同应变和不同温度条件下的原始干涉光谱信号数据；

5、s2、利用虚拟游标效应在数字域内构建虚拟参考光谱，并与采集到的原始干涉光谱信号数据叠加，生成游标包络信号，实现灵敏度放大；

6、s3、将游标包络信号的特征参数输入到issa-bp神经网络中，输出解调后的预测应变值，得到补偿结果；

7、s4、根据补偿结果动态调节虚拟游标的增敏倍数。

8、进一步的，步骤s1中，传感腔的反射谱表示为：

9、；

10、其中，为第一反射面的反射率，为传感腔内的传输损耗，为第二反射面的反射率，为法布里-珀罗干涉仪内空气的折射率，为传感腔的腔长，为光谱波长；

11、传感腔的自由光谱范围和参考腔的自由光谱范围表示为：

12、；

13、；

14、其中，为传感腔内的折射率，为参考腔内的折射率，为参考腔的腔长。

15、进一步的，步骤s2中，两个法布里-珀罗干涉仪并联后的反射光谱形成虚拟参考光谱，所述虚拟参考光谱的自由光谱范围表示为：

16、；

17、传感腔和参考腔并联组成游标增敏型传感器，所述游标包络信号表示为：

18、；

19、其中，为常数，为传感器反射光谱包络的振幅；

20、叠加得到的游标包络信号的漂移相当于放大了m倍，具体表示为：

21、。

22、进一步的，步骤s3中，游标包络信号的特征参数包括游标包络线的中心波长漂移量、包络峰值强度及干涉条纹相位；

23、以游标包络线的中心波长漂移量和环境温度数据为输入，经过数据归一化与特征对齐预处理后送入issa-bp神经网络，issa神经网络引入混沌映射初始化与自适应步长权重策略，用于全局优化bp神经网络的初始权值与阈值，分析处理后输出得到预测应变值，即补偿结果。

24、进一步的，步骤s4中，根据补偿结果中的补偿误差动态调整虚拟游标放大倍数，实现增敏与补偿的闭环稳态平衡。

25、进一步的，步骤s1中，光纤法珀传感器采用空芯光纤结构，通过应变引起腔长变化实现干涉光谱漂移。

26、进一步的，本发明还提出了一种基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同系统，包括：

27、光纤法布里-珀罗传感单元，用于利用光谱分析仪采集光纤法珀传感器在不同应变和不同温度条件下的原始干涉光谱信号数据；

28、虚拟游标效应模块，用于利用虚拟游标效应在数字域内构建虚拟参考光谱，并与采集到的原始干涉光谱信号数据叠加，生成游标包络信号，实现灵敏度放大；

29、issa-bp神经网络模块，用于将游标包络信号的特征参数输入到issa-bp神经网络中，输出解调后的预测应变值，得到补偿结果；

30、输出模块，用于根据补偿结果动态调节虚拟游标的增敏倍数。

31、进一步的，本发明还提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法的步骤。

32、进一步的，本发明还提出了一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的基于虚拟游标效应与issa-bp神经网络的光纤应变传感增敏及温度补偿协同方法。

33、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

34、1.本发明实现了灵敏度从几倍到数十倍的软件可定义化调控；

35、2.本发明的补偿精度显著优于传统矩阵法与常规bp算法；

36、3.本发明突破了传统先增敏、后补偿串行模式的局限，具有高灵敏度与良好的温度稳定性；

37、4.本发明结构简化，无需实体参考干涉仪，环境适应性强。