基于人工智能的振动模式识别仿真分析

材料组成和几何形状在光播传输方向上是不变的，但在断面处介质材料是不同的，端面上新型传感光纤几何形状一般是不同的，有关振动光波模式可以表示如下：

新型传感光纤至少有两种介质构成，空气和塑料。根据麦克斯韦方程组，可得介质分界面处的电磁场连续条件为：

在上述表达式中，界面的法向单位矢量用n表示，磁导率为标量常数，一般的PCF的介质都为非磁性介质，有两个标量常数相等，即，由于两种介质不同，所以在两种不同介质的分界面上，H的连续性不会受到不同介质界面的影响。但材料的介电常数一般不一定为标量，最终会有两种介质的介电常数不一定相等。因此，不同材料介质的分界面的存在，由于介电常数的存在，最终会将影响E的连续性。

2. 振动模式识别的方法

本文是将新型传感光纤用于振动模式识别，设计折射率法，干涉法，有限元差分法，多及法，本文重点用光在光纤中传输的干涉法和传输过程中的有限元法。有限元法具体分析思路如下：

第一步场域离散化，第二步选择插值函数，第三步建立单元特征值，第四步建立系统有限单元方程，第五步求解有限单元方程，第六步附加运算。

第一步场域离散化是将场域划分为不同形状的子区域，比如6边形，4边形，3边形。第二步选择插值函数是通过选择函数的类型，计算求解子域中各项的场域的近似值。第三步建立单元特征值是通过变分问题、系数矩阵、插值函数、子域几何形状及材质特性问题。第四步建立系统有限单元方程具体是用电脑仿真计算结点处的场值，在计算时要先建立线性方程组。第五步求解有限单元方程的具体步骤是求解线性方程组，及未知场的数值，最后用插值函数求解域中任意一点的值。在仿真分析的过程中就是用有限元法来实现的新型传感光纤各项参数的设定的。

2.1 差分干涉技术原理

从激光光源发出的连续激光经光路分为两路，其中一路是作为参考光，参考光经透镜聚焦在样品表面，另外一路光射入频移装置，通过反射镜照射来实现，这一路作为信号光。参考光和信号光会发生干涉，干涉的光路在样品表面发生进一步反射，最终，参考光和信号光耦合进入光电二极管，观察两束光，光强度变化，相位的变化，通过这两种变化可以实现超声波传输测量。（见图1）

3 仿真实验中对称边界条件的选取

根据所计算振动模型的结构具有对称性来模拟仿真的，如新型传感光纤就是结构对称和模场分布对称仿真分析中计算1/4截面，根据对称性就可以计算出整个传感光纤的振动模式分布。（见图2）

由于新型传感光纤在收到振动时会有损耗，主要是弯曲损耗，新型传感光纤弯曲对模式损耗，模场分布及模场面积均有很大的影响，用下图可以表示弯曲损耗与折射率的关系，所以弯曲对模式损耗、模场分布及模场面积肯定会有影响，再应用时要减少弯曲损耗的影响。（见图3）

4. 振动模场分布与能量关系

以圆形孔为例，空气孔的直径为500微米，直径与漏洞比值为0.6，如下图。仿真计算出不同模式下的模场分布，以基模和二阶模的分布为例，倏逝波能量跟频率、模场有效面积及变化的频率有关。

基模和二阶模倏逝波能量比例随频率的变化关系。从图中可以看出，在模式识别的传感系统中，基模模式传感性能明显好于二阶模模场分布，所以最后只选取基模有效面积。（见图4）

综上所述，通过对新型传感光纤振动的仿真分析，可以得到当传感光纤受到振动时，模式场分布，强度，频率都会发生变化，不同振动可以得到不同的模式场分布图，将模式场分布图录入数据库，在结合网络和实际硬件系统，就可以实现基于人工智能的振动模式识别。

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