CN111256873A - 基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,激光器发出光脉冲,光脉冲通过波分复用器进入传感光纤,当温度变化时,光纤中的后向拉曼散射信号会跟着变化,之后经过波分复用器分离为斯托克斯光和反斯托克斯光,然后经过光电探测器转换为电信号,被采集卡采集到,将采集到的每个点的数据通过卡尔曼滤波进行处理,将所有采样点汇集到一起,可以得到一条温度随距离实时变化的曲线,对曲线进行迭代学习算法处理,进而可以得到下一时刻温度曲线,从而实现对温度的实时监测和预测。本发明能够使分布式光纤测温系统测得的温度值更接近真实值,并且能够实现对下一时刻的温度预测。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤测温技术领域,具体涉及一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法。
背景技术
分布式光纤测温系统具有广阔的应用前景,可用于电缆温度和载流量监测、桥梁和隧道的监测、航空航天工业温度监测、油气管道的监测等,对保障工业生产安全和人民生活安全具有重要意义。
现有的分布式光纤测温系统温度精度和分辨率普遍不高,虽然能够实现实时监测,但是稳定性不强,在实际应用中有缺陷。而基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度实时监测和预测方法,不仅可以使测得的温度更接近真实值,提高精度和分辨率,而且还能对温度进行预测。
发明内容
本发明所要解决的问题是:提供一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,能够使分布式光纤测温系统测得的温度值更接近真实值,并且能够实现对下一时刻的温度预测。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为:一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,所述方法包括以下步骤,
(1)、光脉冲进入传感光纤,反射回来的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号进入光电探测器转换为电信号,然后被采集卡采集;
(2)、对采集到的数据进行卡尔曼滤波处理;
(3)、把所有经过卡尔曼滤波处理后的采样点汇集在一起,可以解调出温度随沿光纤变化的曲线;
其中,T0为参考温度;h为普朗克常数;kB为玻尔兹曼常量;Δv为拉曼频移量,与光纤材料有关;Uas(T)、Us(T)分别为该温度下反斯托克斯光、斯托克斯光转换后的电压;
(4)、对曲线进行迭代学习算法处理,学习律如下
Ti(t)=Ti-1(t-1)+L(ei(t))
其中,Ti(t)为第i次迭代t时刻的温度,t∈[0,ts],ts为光脉冲往返时间,i为迭代次数,L(ei(t))是关于跟踪误差ei(t)的函数;
ei(t)=Td(t)-Ti(t)
Td(t)为实际测得的温度;对得到的温度曲线进行不断的迭代,这样就实现可以对温度的预测。
优选的,所述步骤(2)中卡尔曼滤波处理包括预测过程与更新过程;所述预测过程如下:
(2.1)设定卡尔曼滤波的初值X(0),为首次采得光纤上某点的数据;
(2.2)根据U(k|k-1)=AU(k-1|k-1)+W(k)对k=1,2,3…n时来预测下一个状态;
其中,U(k|k-1)为根据k-1时刻进行预测的k时刻的结果,U(k-1|k-1)为k-1时刻最优结果,W(k)为系统工作过程中的随机噪声,以高斯白噪声为主,主要是由光电探测器产生;A为系统状态转移矩阵,是已知量,与所处环境温度变化快慢有关,根据上一个状态与当前状态的关系来确定;
(2.3)设定协方差矩阵初值P(0),可设置为零矩阵;
根据P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q来预测k=1,2,3…n时协方差矩阵;
其中,P(k|k-1)为U(k|k-1)状态对应的协方差矩阵,P(k-1|k-1)为U(k-1|k-1)状态对应的协方差矩阵,Q为系统测量过程中的随机噪声,由采集卡产生;
所述更新过程如下:
当k时刻的实测值Z(k)到达之后,用它去修正k时刻的状态预测值U(k|k-1),因此新的信息为Z(k)-H(k)U(k|k-1)
其中,H(k)为测量矩阵,矩阵中元素代表k时刻能否测得需要的数据,如果可以测到,该元素的值为1,否则为0;
则采样数据的最优估算值就可以通过预测值和实测值得到,为U(k|k)=AU(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-H(k)U(k|k-1)]
其中,Kg(k)为卡尔曼增益
Kg(k)=P(k|k-1)H′(k)/H(k)P(k|k-1)H′(k)+R(k))
其中,R(k)为一维随机数;
为了使卡尔曼滤波器不断进行工作,需要对协方差矩阵进行更新,如下
P(k|k)=(1-Kg(k)H(k))P(k|k-1)。
与现有技术相比,本发明的优点是:本发明能够实时监测温度变化的同时,还可以对下一时刻温度进行预测,对灾害发生有一定的预防作用;卡尔曼滤波和迭代学习算法简单,可以由计算机执行,节省硬件资源。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的分布式光纤测温的系统结构图。
图2是本发明的基于卡尔曼滤波和迭代学习的算法流程图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,所述方法包括以下步骤,
(1)、光脉冲进入传感光纤,反射回来的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号进入光电探测器转换为电信号,然后被采集卡采集;
(2)、对采集到的数据进行卡尔曼滤波处理;卡尔曼滤波处理包括预测过程与更新过程;所述预测过程如下:
(2.1)设定卡尔曼滤波的初值X(0),为首次采得光纤上某点的数据;
(2.2)根据U(k|k-1)=AU(k-1|k-1)+W(k)对k=1,2,3…n时来预测下一个状态;
其中,U(k|k-1)为根据k-1时刻进行预测的k时刻的结果,U(k-1|k-1)为k-1时刻最优结果,W(k)为系统工作过程中的随机噪声,以高斯白噪声为主,主要是由光电探测器产生;A为系统状态转移矩阵,是已知量,与所处环境温度变化快慢有关,根据上一个状态与当前状态的关系来确定;
(2.3)设定协方差矩阵初值P(0),可设置为零矩阵;
根据P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q来预测k=1,2,3…n时协方差矩阵;
其中,P(k|k-1)为U(k|k-1)状态对应的协方差矩阵,P(k-1|k-1)为U(k-1|k-1)状态对应的协方差矩阵,Q为系统测量过程中的随机噪声,由采集卡产生;
所述更新过程如下:
当k时刻的实测值Z(k)到达之后,用它去修正k时刻的状态预测值U(k|k-1),因此新的信息为Z(k)-H(k)U(k|k-1)
其中,H(k)为测量矩阵,矩阵中元素代表k时刻能否测得需要的数据,如果可以测到,该元素的值为1,否则为0;
则采样数据的最优估算值就可以通过预测值和实测值得到,为U(k|k)=AU(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-H(k)U(k|k-1)]
其中,Kg(k)为卡尔曼增益
Kg(k)=P(k|k-1)H′(k)/H(k)P(k|k-1)H′(k)+R(k))
其中,R(k)为一维随机数;
为了使卡尔曼滤波器不断进行工作,需要对协方差矩阵进行更新,如下
P(k|k)=(1-Kg(k)H(k))P(k|k-1)。
(3)、把所有经过卡尔曼滤波处理后的采样点汇集在一起,可以解调出温度随沿光纤变化的曲线;
其中,T0为参考温度;h为普朗克常数;kB为玻尔兹曼常量;Δv为拉曼频移量,与光纤材料有关;Uas(T)、Us(T)分别为该温度下反斯托克斯光、斯托克斯光转换后的电压;
(4)、对曲线进行迭代学习算法处理,学习律如下
Ti(t)=Ti-1(t-1)+L(ei(t))
其中,Ti(t)为第i次迭代t时刻的温度,t∈[0,ts],ts为光脉冲往返时间,i为迭代次数,L(ei(t))是关于跟踪误差ei(t)的函数;
ei(t)=Td(t)-Ti(t)
Td(t)为实际测得的温度;对得到的温度曲线进行不断的迭代,这样就实现可以对温度的预测。
本发明是这样来工作和实施的,如图1所示,激光器发出光脉冲,光脉冲通过波分复用器进入传感光纤,而传感光纤能够感知温度信息,当温度变化时,光纤中的后向拉曼散射信号会跟着变化,之后经过波分复用器分离为斯托克斯光和反斯托克斯光,然后经过光电探测器转换为电信号,被采集卡采集到,将采集到的每个点的数据通过卡尔曼滤波进行处理,可以得到随时间变化的介于预测值和测量值之间的最接近真实值的数据,将所有采样点汇集到一起,可以得到一条温度随距离实时变化的曲线,对曲线进行迭代学习算法处理,进而可以得到下一时刻温度曲线,从而实现对温度的实时监测和预测。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明,但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例,其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤,
(1)、光脉冲进入传感光纤,反射回来的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号进入光电探测器转换为电信号,然后被采集卡采集;
(2)、对采集到的数据进行卡尔曼滤波处理;
(3)、把所有经过卡尔曼滤波处理后的采样点汇集在一起,可以解调出温度随沿光纤变化的曲线;
其中,T0为参考温度;h为普朗克常数;kB为玻尔兹曼常量;Δv为拉曼频移量,与光纤材料有关;Uas(T)、Us(T)分别为该温度下反斯托克斯光、斯托克斯光转换后的电压;
(4)、对曲线进行迭代学习算法处理,学习律如下
Ti(t)=Ti-1(t-1)+L(ei(t))
其中,Ti(t)为第i次迭代t时刻的温度,t∈[0,ts],ts为光脉冲往返时间,i为迭代次数,L(ei(t))是关于跟踪误差ei(t)的函数;
ei(t)=Td(t)-Ti(t)
Td(t)为实际测得的温度;对得到的温度曲线进行不断的迭代,这样就实现可以对温度的预测。
2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波和迭代学习的分布式光纤温度预测方法,其特征在于:所述步骤(2)中卡尔曼滤波处理包括预测过程与更新过程;所述预测过程如下:
(2.1)设定卡尔曼滤波的初值X(0),为首次采得光纤上某点的数据;
(2.2)根据U(k|k-1)=AU(k-1|k-1)+W(k)对k=1,2,3…n时来预测下一个状态;
其中,U(k|k-1)为根据k-1时刻进行预测的k时刻的结果,U(k-1|k-1)为k-1时刻最优结果,W(k)为系统工作过程中的随机噪声,以高斯白噪声为主,主要是由光电探测器产生;A为系统状态转移矩阵,是已知量,与所处环境温度变化快慢有关,根据上一个状态与当前状态的关系来确定;
(2.3)设定协方差矩阵初值P(0),可设置为零矩阵;
根据P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q来预测k=1,2,3…n时协方差矩阵;
其中,P(k|k-1)为U(k|k-1)状态对应的协方差矩阵,P(k-1|k-1)为U(k-1|k-1)状态对应的协方差矩阵,Q为系统测量过程中的随机噪声,由采集卡产生;
所述更新过程如下:
当k时刻的实测值Z(k)到达之后,用它去修正k时刻的状态预测值U(k|k-1),因此新的信息为Z(k)-H(k)U(k|k-1)
其中,H(k)为测量矩阵,矩阵中元素代表k时刻能否测得需要的数据,如果可以测到,该元素的值为1,否则为0;
则采样数据的最优估算值就可以通过预测值和实测值得到,为
U(k|k)=AU(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-H(k)U(k|k-1)]
其中,Kg(k)为卡尔曼增益
Kg(k)=P(k|k-1)H′(k)/H(k)P(k|k-1)H′(k)+R(k))
其中,R(k)为一维随机数;
为了使卡尔曼滤波器不断进行工作,需要对协方差矩阵进行更新,如下
P(k|k)=(1-Kg(k)H(k))P(k|k-1)。
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