基于人工智能的振動模式識別仿真分析

唐張婷 趙鳳麒 杜雷浩

【摘要】模式識別是人工智能的重要組成部分，通過模式識別可以事先預(yù)防和減少惡性事故的發(fā)生，本文通過對新型傳感光纖傳輸?shù)睦碚摲治龊托阅艿姆抡?，給出光纖受到振動時，模式場的變化及結(jié)合振動的類型，給出仿真分析結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】振動模式識別;仿真分析;新型傳感光纖

智能模式識別系統(tǒng)是將前期收集來的不同模式下的振動信號，利用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)機器深度學(xué)習(xí)，使其不斷接觸各種振動模式，進而能夠識別多種情況下的振動模式，并向外界發(fā)出信號。此方法可以用于智能振動檢測與故障診斷以及預(yù)警系統(tǒng)，進而保證設(shè)備的安全運行，預(yù)防和減少惡性事故的發(fā)生。

1. 振動模式識別的理論基礎(chǔ)

新型光纖波導(dǎo)中的電磁波的波動方程是Maxwell方程，實質(zhì)上是求解Maxwell方程的解，

電場強度用E表示、磁場強度用H表示、電位移用D表示、磁感應(yīng)強度用B、電流密度用J表示、電荷密用ρ度，真空介電常數(shù)用表示，相對介電常數(shù)用表示。

新型傳感光纖的介質(zhì)材料組成和幾何形狀在光播傳輸方向上是不變的，但在斷面處介質(zhì)材料是不同的，端面上新型傳感光纖幾何形狀一般是不同的，有關(guān)振動光波模式可以表示如下：

新型傳感光纖至少有兩種介質(zhì)構(gòu)成，空氣和塑料。根據(jù)麥克斯韋方程組，可得介質(zhì)分界面處的電磁場連續(xù)條件為：

在上述表達式中，界面的法向單位矢量用n表示，磁導(dǎo)率為標(biāo)量常數(shù)，一般的PCF的介質(zhì)都為非磁性介質(zhì)，有兩個標(biāo)量常數(shù)相等，即，由于兩種介質(zhì)不同，所以在兩種不同介質(zhì)的分界面上，H的連續(xù)性不會受到不同介質(zhì)界面的影響。但材料的介電常數(shù)一般不一定為標(biāo)量，最終會有兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不一定相等。因此，不同材料介質(zhì)的分界面的存在，由于介電常數(shù)的存在，最終會將影響E的連續(xù)性。

2. 振動模式識別的方法

本文是將新型傳感光纖用于振動模式識別，設(shè)計折射率法，干涉法，有限元差分法，多及法，本文重點用光在光纖中傳輸?shù)母缮娣ê蛡鬏斶^程中的有限元法。有限元法具體分析思路如下：

第一步場域離散化，第二步選擇插值函數(shù)，第三步建立單元特征值，第四步建立系統(tǒng)有限單元方程，第五步求解有限單元方程，第六步附加運算。

第一步場域離散化是將場域劃分為不同形狀的子區(qū)域，比如6邊形，4邊形，3邊形。第二步選擇插值函數(shù)是通過選擇函數(shù)的類型，計算求解子域中各項的場域的近似值。第三步建立單元特征值是通過變分問題、系數(shù)矩陣、插值函數(shù)、子域幾何形狀及材質(zhì)特性問題。第四步建立系統(tǒng)有限單元方程具體是用電腦仿真計算結(jié)點處的場值，在計算時要先建立線性方程組。第五步求解有限單元方程的具體步驟是求解線性方程組，及未知場的數(shù)值，最后用插值函數(shù)求解域中任意一點的值。在仿真分析的過程中就是用有限元法來實現(xiàn)的新型傳感光纖各項參數(shù)的設(shè)定的。

2.1 差分干涉技術(shù)原理

從激光光源發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)光路分為兩路，其中一路是作為參考光，參考光經(jīng)透鏡聚焦在樣品表面，另外一路光射入頻移裝置，通過反射鏡照射來實現(xiàn)，這一路作為信號光。參考光和信號光會發(fā)生干涉，干涉的光路在樣品表面發(fā)生進一步反射，最終，參考光和信號光耦合進入光電二極管，觀察兩束光，光強度變化，相位的變化，通過這兩種變化可以實現(xiàn)超聲波傳輸測量。（見圖1）

3 仿真實驗中對稱邊界條件的選取

根據(jù)所計算振動模型的結(jié)構(gòu)具有對稱性來模擬仿真的，如新型傳感光纖就是結(jié)構(gòu)對稱和模場分布對稱仿真分析中計算1/4截面，根據(jù)對稱性就可以計算出整個傳感光纖的振動模式分布。（見圖2）

由于新型傳感光纖在收到振動時會有損耗，主要是彎曲損耗，新型傳感光纖彎曲對模式損耗，模場分布及模場面積均有很大的影響，用下圖可以表示彎曲損耗與折射率的關(guān)系，所以彎曲對模式損耗、模場分布及模場面積肯定會有影響，再應(yīng)用時要減少彎曲損耗的影響。（見圖3）

4. 振動模場分布與能量關(guān)系

以圓形孔為例，空氣孔的直徑為500微米，直徑與漏洞比值為0.6，如下圖。仿真計算出不同模式下的模場分布，以基模和二階模的分布為例，倏逝波能量跟頻率、模場有效面積及變化的頻率有關(guān)。

基模和二階模倏逝波能量比例隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在模式識別的傳感系統(tǒng)中，基模模式傳感性能明顯好于二階模模場分布，所以最后只選取基模有效面積。（見圖4）

綜上所述，通過對新型傳感光纖振動的仿真分析，可以得到當(dāng)傳感光纖受到振動時，模式場分布，強度，頻率都會發(fā)生變化，不同振動可以得到不同的模式場分布圖，將模式場分布圖錄入數(shù)據(jù)庫，在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和實際硬件系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)基于人工智能的振動模式識別。

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