二次谐波穿线寻峰方法

1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及二次谐波穿线寻峰法，用于寻找二次谐波有效波段并计算谐波平均峰峰值。所述二次谐波峰峰值用于表征玻璃瓶内氧气浓度。


背景技术：

2.在制药行业中，国际上已有公司将波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy，wms)技术应用在密封玻璃药瓶内氧气浓度检测上，如美国的lighthouse公司，意大利的贝威蒂公司等。
3.目前，大多数浓度反演方法会选定一定长度时间窗口的二次谐波组进行浓度反演。然而，因玻璃瓶壁所致光学噪声、系统仪器噪声、非线性强度调制及随机的自由空间的温度湿度等影响，wms技术析取的二次谐波信号存在背景波动，从而影响浓度测量的精度和稳定性。同时，在实际产线中由于传输药瓶时机械装置运动的精度、稳定性不足，无法保证激光在跟随玻璃药瓶在灯检机中转动时能够全程射入接收器，偶尔出现打偏现象。
4.以上两个难点在二次谐波中的表现为：单瓶捕获的一组二次谐波中各子波幅值不同，存在微小偏差；存在丢波现象或出现过于矮小、不完整的无效波形。上述偶发性现象，难以用传统滤波方法解决，导致二次谐波浓度反演算法的失效。
5.因此，有必要提供一种不依赖先验知识的，能够滤去无效波段并能从有效波段中准确定位各个子波，并提取二次谐波峰峰值的二次谐波穿线寻峰方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种不依赖先验知识的，能够滤去无效波段并能从有效波段中准确定位各个子波，并提取二次谐波峰峰值的二次谐波穿线寻峰方法。
7.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
8.一种二次谐波穿线寻峰方法，包括如下步骤：
9.s1：对二次谐波数据进行小区间分割并求区间标准差，设定标准差阈值t以过滤波形的无效部分；
10.s2：根据有效谐波数据的均值aver和标准差std求横穿线cl的值，求值公式如下：
11.cl＝aver-std*a
12.式中，a为经验参数，且a的取值需保证所述横穿线cl正好穿过每一个二次谐波的中上部分且不与小峰接触；
13.s3：从有效数据的第一个点开始往后遍历，寻找第一个向下穿线点作为寻峰算法的起始点；
14.s4：以第一个向下穿线点fd作为一个波的起点，向后寻找此波的中间向上穿线点mr和第二个向下穿线点sd，以这三个穿线点作为本波的描述点；
15.s5：寻找fd和mr构成的区间的右半部分的最小值作为第一谷值，第一谷值左侧仍在右半区间的最大值作为本波起始点；mr和sd构成区间的最大值作为峰值；在sd向右范围为(mr-fd)/2的区间内的最小值作为第二谷值，sd+(mr-fd)/2位点为本波结束点，求解最大值与两谷均值的差值作为本波的峰峰值，记录本波起始和结束点，有效波数记录加一；
16.s6：在本波结束点处向右寻找新波的mr点，并将本波的sd点作为新波的fd点；重复步骤s5与步骤s6直到无法寻找到新波的其中任意一个描述点；
17.s7：求完所有波的峰峰值后，去掉最小值和最大值，取剩余值的平均值。
18.优选的，步骤s2中，所述经验参数a的值为2/3。
19.优选的，步骤s3中，向下穿线点通过区域均值差分法来确定；设当前搜索点为i，data[i]为该点的数值，求该点往前r个点区间内的均值以及往后r个点区间内的均值，通过两个均值与cl的差值来确定该点是否为穿线点；若该点为向下穿线点，则应满足公式：
[0020]
aver(data[i-r]，r)-cl》0and aver(data[i]，r)
–
cl《0
[0021]
若该点为向上穿线点，则应满足公式：
[0022]
aver(data[i-r]，r)-cl《0and aver(data[i]，r)
–
cl》0
[0023]
两式中，aver为求均值的函数，其输入的第一个参数为求均值区间的第一个点，第二个参数为求均值区间的大小，若当前点i往前或往后不足r个点，则不足的部分用cl的值代替。
[0024]
优选的，当在单个玻璃瓶中采集的二次谐波数据中单波所占点数处于[450,550]时，r取值范围为[20,30]。
[0025]
优选的，所述玻璃瓶内的目标气体为氧气，所述玻璃瓶为玻璃药瓶。
[0026]
优选的，当二次谐波幅值大于等于200时，标准差阈值t取[30,50]。
[0027]
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法，通过利用区间标准差阈值过滤的方法，有效解决了由传输药瓶时机械装置运动的精度、稳定性不足，导致激光偶尔打偏造成的谐波片段无效问题；通过利用二次谐波本身的统计特征和形态特征提出的求横穿线和遍历定波寻峰的步骤，适用于多种采用率和多种幅值下的非理想型二次谐波，可进一步减少对产线先验知识的依赖，对多个峰峰值去极值求均值的操作增强了算法的抗噪能力和准确性，在实际产线上具有较强适应性；本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法运算简单，实时性强，占用内存空间小，非常适合在资源和运算速度受限的嵌入式设备上运行，满足实际产线需求；同时，无效波滤除和定波步骤普适性强，可用于增强其他传统浓度检测。
附图说明
[0028]
图1为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法的流程框图；
[0029]
图2为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法的二次谐波数据区间分割示意图；
[0030]
图3为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法中应用标准差阈值过滤无效波并绘制横穿线的示意图；
[0031]
图4为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法的三个穿线描述点示意图；
[0032]
图5为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法的最终处理结果图；
[0033]
图6为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法另一实验例的应用结果图；
[0034]
图7为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法另一实验例的应用结果图；
[0035]
图8为本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法另一实验例的应用结果图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。下述实验例和实施例用于进一步说明但不限于本发明。
[0037]
本发明提供了一种二次谐波穿线寻峰方法，用于玻璃瓶内目标气体浓度检测。其中，算法作用于表征玻璃瓶内气体浓度的二次谐波，能过滤无效谐波片段即捕获有效波并计算平均峰峰值。在本实施方式中，主要是针对目标气体为氧气的玻璃药瓶检测。
[0038]
请结合参阅图1至图5，本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法具体包括如下步骤：
[0039]
s1：对二次谐波数据进行小区间分割并求区间标准差，设定标准差阈值t以过滤波形的无效部分。在此步骤中，利用标准差阈值对每个小区间的谐波数据进行判别，以此过滤无效片段后得到有效谐波片段。
[0040]
其中，所述无效部分通常是由传输药瓶时机械装置运动的精度、稳定性不足，导致激光偶尔打偏造成。图2为对谐波数据进行区间分割示意图，图3为进行无效波过滤后的有效谐波数据图。
[0041]
s2：根据有效谐波数据的均值aver和标准差std求横穿线cross line的值，以下简称cl。求值公式如下：
[0042]
cl＝aver-std*a
[0043]
式中，a为经验参数，取该值时横穿线正好穿过每一个二次谐波的中上部分且不与小峰接触。横穿线可视化后如图3所示。
[0044]
s3：从有效数据的第一个点开始往后遍历，寻找第一个向下穿线点作为寻峰算法的起始点。
[0045]
向下穿线点通过区域均值差分法来确定，具体地，设当前搜索点为i，data[i]为该点的数值，求该点往前r个点区间内的均值以及往后r个点区间内的均值，通过两个均值与cl的差值来确定该点是否为穿线点。若该点为向下穿线点，则应满足公式：
[0046]
aver(data[i-r]，r)-cl》0and aver(data[i]，r)
–
cl《0
[0047]
若该点为向上穿线点，则应满足公式：
[0048]
aver(data[i-r]，r)-cl《0and aver(data[i]，r)
–
cl》0
[0049]
两式中的aver为求均值的函数，其输入的第一个参数为求均值区间的第一个点，第二个参数为求均值区间的大小。本发明优选均值区间r＝20，其他可行的实施例中，r值根据实际生产需求来设定。需要说明的是，本实施例中单个二次谐波的点数区间为[450,550]。若当前点i往前或往后不足r个点，则不足的部分用cl的值代替。
[0050]
s4：以第一个向下穿线点作为一个波的起点，向后寻找此波的中间向上穿线点和第二个向下穿线点，以这三个穿线点作为本波的描述点。设第一下穿点为first down(fd)，中间上穿点middle rise(mr)，第二下穿点second down(sd)。图4为三描述点的标注实例。
[0051]
s5：寻找fd和mr构成的区间的右半部分的最小值作为第一谷值、第一谷值左侧仍在右半部分的最大值作为本波起始点；mr和sd构成区间的最大值作为峰值；在sd向右范围为(mr-fd)/2的区间内的最小值作为第二谷值，sd+(mr-fd)/2位点为本波结束点；求解最大
值与两谷均值的差值作为本波的峰峰值，记录本波起始和结束点，有效波数记录加一。
[0052]
s6：将本波的sd作为新波的fd，在本波结束点处向右寻找新波的mr点。循环s5、s6的向右遍历操作。当无法寻找到新波的mr或sd点，或新波的sd点往右(mr-fd)/2个点超出数据索引范围时，循环结束。
[0053]
s7：求完所有波的峰峰值后，去掉最小值和最大值，取剩余值的平均值。最终寻得的有效波以及最终峰峰值如图5所示。其中，由竖直虚线构成的
①
至
⑤
五个区间即为五个有效二次谐波。可以看到，一个完整有效的波有较为明显的中间峰值和左右谷值，且左右谷高度较为接近。区间x为不完整波，缺少右谷，虽然满足有mr和sd点，但其sd点往右(mr-fd)/2个点超出数据索引范围，因此不被判定为有效波。主要利用了二次谐波本身的统计规律和形态特征，在不同采样率和采样时间下均可应用，同时去极值取平均的操作使得本发明具有较强抗噪能力。
[0054]
本发明基于实际产线中捕获的二次谐波中的无效片段均是由传输药瓶时机械装置运动的精度、稳定性不足，导致激光偶尔打偏造成，即无效片段为标准差非常小的直线这一工况，提出区间分割并使用标准差阈值的方法过滤无效波段，筛选有效波段。再基于二次谐波的二维可视化形态为大小峰交替这一形态特征及其蕴含的统计规律，使用有效波段的均值和标准差计算横穿线。根据时序从左往右遍历数据点，结合区域均值差分法确定穿线点。通过三个穿线点fd、mr、sd进行波的定位以及峰峰值的计算。对所有有效数据完成一次遍历后即可获得所有波的峰峰值，对所有峰峰值去最大最小值并求均值后即可获得表征该玻璃瓶内氧气浓度的二次谐波峰峰值。
[0055]
同时，为了验证本发明的可靠性，使用另外三组二次谐波数据进行算法验证。
[0056]
所得结果如图6、7、8所示，其中的有效波区间均以
①②③
等序号标出。这里结合6、7、8三图对步骤s3中的“第一个向下穿线点作为寻峰算法的起始点”的意义做进一步说明。图6、7、8中的区间x为寻峰算法开始前的波段，即第一个向下穿线点前的波段。可以看出，图7、8中的区间x均包含了一个可视为有效的二次谐波，而图6则包含了两个无效波：第一个无效波过矮、无左谷且与横穿线无交点，第二个无效波的左谷受第一个无效波影响畸变严重，左右谷差距过大，不可视为稳定的二次谐波。其实在实际产线中，通常情况下，设备采集的第一个二次谐波稳定和不稳定的概率是相当的。而后续的若干二次谐波通常是稳定的。由于一个时间窗口能采集的二次谐波数量较多，第一个二次谐波的影响就变得非常小。因此，以第一个向下穿线点作为寻峰起始点的实际含义是，牺牲第一个非稳定的二次谐波，来保证后续参与算法处理的二次谐波都是稳定的，进而提高算法的整体精度。
[0057]
需要说明的是，二次谐波的值无客观标准数值，波的有效与否也只能人工判断。由图5、6、7、8可知，本发明所捕获的有效波以及计算所得峰峰值，与人工判断的有效波数和峰峰值相去无几，证明了本发明的可靠性。
[0058]
与现有技术相比，本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法，通过利用区间标准差阈值过滤的方法，有效解决了由传输药瓶时机械装置运动的精度、稳定性不足，导致激光偶尔打偏造成的谐波片段无效问题；通过利用二次谐波本身的统计特征和形态特征提出的求横穿线和遍历定波寻峰的步骤，适用于多种采用率和多种幅值下的非理想型二次谐波，可进一步减少对产线先验知识的依赖，对多个峰峰值去极值求均值的操作增强了算法的抗噪能力和准确性，在实际产线上具有较强适应性；本发明提供的二次谐波穿线寻峰方法运算简
单，实时性强，占用内存空间小，非常适合在资源和运算速度受限的嵌入式设备上运行，满足实际产线需求；同时，无效波滤除和定波步骤普适性强，可用于增强其他传统浓度检测。
[0059]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。