CN111024650A

CN111024650A - 一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及装置

Info

Publication number: CN111024650A
Application number: CN201911260200.XA
Authority: CN
Inventors: 罗旗舞; 江韦强; 阳春华; 桂卫华; 宋操
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN111024650B

Abstract

本发明公开了一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及装置，所述方法包括以下步骤：步骤1、基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测，获得单周期的二次谐波信号S1；步骤2、对二次谐波信号S1进行周期延拓，获得包含t个周期的二次谐波信号S2；步骤3、对二次谐波信号S2进行离散傅里叶变换，得到频谱图；步骤4、在频谱图上提取二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点处的谱线分量，再将提取的谱线分量进行离散傅里叶逆变换，即得到重构后的二次谐波信号S3；步骤5、基于二次谐波信号S3的峰值/峰峰值得到玻璃药瓶内气体浓度。本发明可以大幅提升玻璃药瓶内气体浓度检测的精度和稳定性。

Description

一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及装置

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及装置。

背景技术

根据比尔朗伯定律，根据基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱(Wavelength-Modulation-Based Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS/WMS)技术对待测气体进行检测，解调出二次谐波信号的峰值/峰峰值与待测气体的浓度成正比，因此可以通过TDLAS/WMS技术来检测玻璃药瓶内气体浓度。TDLAS/WMS技术具有灵敏度高、成本低、非接触、实时性好等优点，利用TDLAS/WMS技术进行现场氧浓度检测具有很大的潜力。在制药行业中，国际上已有公司将TDLAS/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。然而，生产线线上密封玻璃药瓶(如：西林药瓶)的在线氧气浓度探测任务需要在开放光路环境中完成，且被测玻璃药瓶顶空光路极短。具体地，由于玻璃药瓶壁所致光学噪声、***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，TDLAS/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。因此，该问题实质上为一个强干扰背景下的弱信号分析问题，具有极高的挑战性。如何实现强干扰背景下的弱二次谐波信号噪声抑制和稀疏重构是完成高精度高可靠玻璃药瓶内气体浓度检测的关键前提。

目前，噪声抑制主要通过滤波方法来实现，如：平均值滤波、中位值滤波、限幅滤波、一阶滞后滤波等。专利CN106980491A公开了一种A/D采样的改进的均值滤波算法，对N个采样数据按照从小到大的顺序进行冒泡排序，然后去掉排序后的数组中前面和后面各N/5个数据，用剩余的数据求和，并取其平均值，得到最终的采样值。这种算法能够有效的去掉采样值中相差很大的值，能抑制部分噪声。但在玻璃药瓶内气体浓度激光检测应用中，被探测的瓶内氧气分子吸收谱线对应的二次谐波信号相对于环境噪声极其微弱，且其背景环境噪声具有多样性、时变性，上述单纯的数字滤波方法难以抵抗随机分布在多频带上的复合噪声。寻找一种软硬件结合的方法并从***的各个部分增强信号质量，且从机制上抑制弱检测信号的干扰噪声，以提高玻璃瓶内气体浓度正检率，是目前亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及装置，可以大幅提升玻璃药瓶内气体浓度检测的精度和稳定性。

本发明所提供的技术方案为：

一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，包括以下步骤：

步骤1、基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测，获得单周期的二次谐波信号S1；

步骤2、对二次谐波信号S1进行周期延拓，获得包含t个周期的二次谐波信号S2；

步骤3、对二次谐波信号S2进行离散傅里叶变换，得到频谱图；

步骤4、在频谱图上提取二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点处的谱线分量，再将提取的谱线分量进行离散傅里叶逆变换，即得到重构后的二次谐波信号S3；

步骤5、基于二次谐波信号S3的峰值/峰峰值得到玻璃药瓶内气体浓度。

进一步地，所述步骤1中，基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行一次检测，获取L个单周期的二次谐波信号S1；

对每个单周期的二次谐波信号，分别执行步骤2～3，获得其对应的频谱图；

所述步骤4中，在L个频谱图上分别提取二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点处的谱线分量，对提取出来的谱线分量依频点对应平均得到L个二次谐波信号所对应的1个平均频谱图；将平均频谱图进行离散傅里叶逆变换，得到重构后的二次谐波信号S3。基于平均运算能进一步抵抗高斯白噪声扰动，其中L取经验值。

进一步地，重复进行K次步骤1～步骤4，获得K个重构后的二次谐波信号S3；所述步骤5中，基于K个重构后的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值的平均值计算得到玻璃药瓶内气体浓度。

进一步地，所述二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点是指0*f、1*f、2*f、…、h*f，其中，f为二次谐波信号中心频点，h为选择的邻近倍频点个数，h取经验值。

进一步地，所述步骤1中，基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测，获得原始二次谐波信号后，采用信号调理电路对检测到的原始二次谐波信号进行滤波处理，进而获得单周期的二次谐波信号S1；

所述信号调理电路包括衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路，用于依次对检测到的原始二次谐波信号进行幅值衰减和反相处理、带通滤波处理和电平搬移处理，以与后一级的信号采集电路输入端电平匹配。

进一步地，将其内气体浓度已知的玻璃药瓶作为样本；对样本执行步骤1～4，得到其相应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据；基于样本内气体浓度数据，以及样本对应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据，拟合得到玻璃药瓶内气体浓度与二次谐波信号S3的峰值/峰峰值的关系式；对于待测的玻璃药瓶，对其执行步骤1～4，得到其相应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据，代入拟合得到的关系式，得到待测的玻璃药瓶内气体浓度。

本发明还提供一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测装置，采用上述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法进行玻璃药瓶内气体浓度检测；

所述装置包括二次谐波检测电路和处理电路；所述二次谐波检测电路用于执行所述步骤1；所述处理电路用于执行所述步骤2～5。

进一步地，所述二次谐波检测电路包括信号调理电路；所述信号调理电路包括衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路；基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测获得原始二次谐波信号后，通过衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路依次对检测到的原始二次谐波信号进行幅值衰减和反相处理、带通滤波处理和电平搬移处理(使输出信号电平与后一级处理电路中的信号采集电路输入端电平匹配)，进而获得单周期的二次谐波信号S1。

有益效果：

本发明通过离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)算法，在信号频域上选择性保留被测二次谐波信号中心频点及其邻近倍频对应谱线，再将提取的频域成分逆变换到时域以实现被测信号的稀疏重构，利用重构二次谐波信号的峰值/峰峰值，实现玻璃药瓶中气体浓度的精确反演。本发明可实现强干扰背景下的弱二次谐波信号的可靠提取和稳定分析，可用于实现玻璃药瓶密封完整性在线检测。本发明可根除被选择频率成分以外频段上所有噪声，其信号稀疏化表示方法亦可大幅降低运算复杂度，大幅提升玻璃药瓶内气体浓度检测的精度、速度和稳定性。

附图说明

图1是信号调理电路的构架图。

图2是增益衰减电路图。

图3是反相电路图。

图4是高通滤波电路图。

图5是低通滤波电路图。

图6是电压搬移电路图。

图7是信号调理过程的流程图。

图8是经过信号调理过程前后的二次谐波信号图。

图9是本发明的信号稀疏重构方法之离散傅里叶变换算法流程图。

图10是本发明的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法具体流程图。

图11是本发明之基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法及传统的气体浓度检测方法步骤流程图。

图12是工业现场提取的含噪声污染的原始二次谐波信号图。

图13是经过离散傅里叶变换后原始二次谐波信号的频谱图。

图14是重构二次谐波信号图。

图15是不同氧气浓度的玻璃药瓶中检测到的K个原始二次谐波信号的平均峰值/峰峰值。

图16是不同氧气浓度的玻璃药瓶中的K个重构二次谐波信号的平均峰值/峰峰值。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

本实施例公开了一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，包括以下步骤：

实施例2：

本实施例提供一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测装置，采用上述实施例中的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法进行玻璃药瓶内气体浓度检测；

实施例3：

本实施例在实施例1和2的基础上，所述步骤1中，基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测，获得原始二次谐波信号后，采用信号调理电路对检测到的原始二次谐波信号进行滤波处理，进而获得单周期的二次谐波信号S1。

信号调理电路包括衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路。参照图1，所述衰减反相电路包括增益衰减电路10和反相电路11。其中，增益衰减电路的具体电路图参照图2，所述增益衰减电路为有源运算放大电路，不失一般性地，有源运算放大电路选择为低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，二次谐波信号输入端经电阻R77和R78分压接至地，所述同相电压输入端接至电阻R77和R78之间，所述反向电压输入端接至信号输出端，所述信号输出端反馈至反向电压输入端，所述正负电源供给端分别经旁路电容C47和旁路电容C46接至地以去除电源高频噪声。所述电路构成增益衰减电路，电压增益A1＝R78/(R78+R77)，不失一般性地，图2中R78＝50千欧姆，R77＝100千欧姆，电压增益A1＝1/3倍。

参照图3，所述反相电路为有源运算放大电路，不失一般性地，有源运算放大电路选择为低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端经电阻R85接至地，所述反向电压输入端一路经电阻R85连接了增益衰减电路的输出端HS2，另一路经电阻R83连接至信号输出端，所述正负电源供给端分别接至+10V和－10V的电压源，所述信号输出端经电阻R83反馈至反向电压输入端。所述电路构成反向比例放大电路，电压增益A2＝R83/R84，不失一般性地，图3中R83＝1千欧姆，R84＝1千欧姆，电压增益A1＝1倍，即反相电路。

所述衰减反向电路将玻璃药瓶中检测到的二次谐波信号进行幅值衰减和反相处理，以便后续的信号采集和优化。

信号调理电路中的限带滤波电路将衰减反相后的谐波信号进行带通滤波，参照图1，所述限带滤波电路包括高通滤波电路12和低通滤波电路13，其中，高通滤波电路12的具体电路图参照图4，高通滤波电路为有源高通滤波电路，不失一般性地，选择低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端中一路经电阻R82接至地，另一路经两个串联的电容C50和C51接至反相电路的输出端HS3，所述反向电压输入端经电阻R87接至信号输出端，所述信号输出端一路经电阻R87反馈至反向电压输入端，另一路经电阻R86连接至电容C50和C51之间，所述高通电路的截止频率为f₁＝0.37/(R82·C50·2·π)，不失一般性地，图4中R82＝620千欧姆，C50＝1微法拉，截止频率f₁＝0.1Hz，以隔离直流信号。所述正负电源供给端分别经旁路电容C49和旁路电容C48接至地以去除电源高频噪声。

所述低通滤波电路的具体电路图参照图5，所述低通滤波电路为有源低通滤波电路，不失一般性地，选择低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端连接了二阶RC电路，所述该二阶RC电路的输入信号为经过了高通滤波电路的输出信号HS4，所述二阶RC电路低通截止频率为f₂＝0.37/(R88·C52·2·π)，不失一般性地，图3中R88＝1.8千欧姆，C52＝0.1微法拉，截止频率f₂＝327Hz，以有效抑制高频噪声。所述反相电压输入端经电阻R90接至地，所述信号输出端经电阻R91反馈至反向电压输入端，提供次级电压增益A2＝(1+R91/R90)，不失一般性地，图3中R91＝R90＝1.8千欧姆，次级电压增益A2＝2倍。所述正负电源供给端分别接至+10V和－10V的电压源。

因此，所述高通滤波电路12和低通滤波电路13构成的限带滤波电路实质上为带通滤波电路，带宽为f₁至f₂，不失一般性地，图4和图5实施例参数配置下，截止频率范围为0.1Hz至327Hz，限制带宽外的噪声。

所述信号调理部分中的电平搬移电路14将限带后以0为直流分量的正负均衡二次谐波信号搬移至以1.024为直流分量的0-3.3V之间，以便于被以单电源供电的信号采集电路顺利采集。参照图1，所述电平搬移电路14的具体电路图参照图6，所述电平搬移电路14的电平基准芯片，不失一般性地选择为LM4140BCM-1.024，包括接地端1、信号输入端、使能端、接地端2、悬空端、参考电压输入端、接地端3和接地端4，所述接地端1至4全部接地，所述信号输入端和使能端经电感L8接至3.3V电压源，并设置旁路电容C54接至地以去除电源高频噪声。所述悬空端悬空即可，所述参考电压输出端设置2个旁路电容C55和C56以去除电源高频噪声，经过两个电阻R94和R93分压后连接至R96，而后输入至OPA2277的同相电压输入端，电阻R96阻值与OPA2277反相输入端连接的电阻R92相等以平衡运算电路直流偏置，所述芯片OPA2277包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述反向电压输入端中的一路通过电阻R92与低通滤波电路中的输出端HS5相连，另一路通过电阻R95与电容C58的并联电路与信号输出端相连，所述正电源供给端连接至3.3V电源并设置旁路电容C59以去除电源高频噪声，所述信号输出端与另一个OPA2277运放的同相电压输入端相连，所述OPA2277的反向电压输入端与信号输出端连接，构成输出驱动电路以待输出最终信号调理后的二次谐波信号，所述正电源供给端通过L9连接至3.3V电源以去除电源高频噪声。至此，所述信号输出端输出的信号为信号调理后的二次谐波信号。

参照图7，本发明的信号调理过程包括以下步骤：

在步骤U001中，对解调后的二次谐波信号i_f(t)进行增益衰减。

具体地，参照图2，将解调后得到的二次谐波信号i_f(t)通过有源运算放大电路进行运算：

输出幅值缩小为原幅值的1/3倍后的二次谐波信号i_f1(t)。

在步骤U002中，对二次谐波信号i_f1(t)进行反相。

具体地，参照图3，将幅值缩小为1/3倍后的二次谐波信号i_f1(t)通过有源运算放大器进行反相运算：

输出经过反相后的二次谐波信号i_f2(t)。

在步骤U003中，对经过反相后的二次谐波信号i_f2(t)高通滤波。

具体地，参照图4，将经过反相后的二次谐波信号i_f2(t)通过有源高通滤波电路得到二次谐波信号i_f3(t)，该有源高通滤波电路的截止频率f₁根据R82、C50和C51之间的关系，计算得到f₁＝0.1Hz，隔离了直流信号。

在步骤U004中，对经过高通滤波后的二次谐波信号i_f3(t)进行低通滤波。

具体地，参照图5，将经过高通滤波后的二次谐波信号i_f3(t)通过有源低通滤波电路得到二次谐波信号i_f4(t)，该有源低通滤波电路的截止频率f₂根据R88、R89、C52和C53之间的关系，计算得到f₂＝327Hz。由于二次谐波信号的主要频率分量在150Hz以内，该截止频率f₁抑制了高频噪声。

因此，所述高通滤波电路12和低通滤波电路13构成的限带滤波电路实质上为带通滤波电路，带宽为f₁至f₂，不失一般性地，图4和图5实施例参数配置下，截止频率范围为0.1Hz至327Hz，限制二次谐波信号i_f4(t)带宽外的噪声。

在步骤U005中，将二次谐波信号i_f4(t)稳定地搬移到0V至3.3V区间。

具体地，参照图6，该电路提供1.024V的偏置电压，将以0为直流分量的正负均衡的二次谐波信号i_f4(t)搬移至以1.024为直流分量的0-3.3V之间后的二次谐波信号为i_2f(t)，以便于被以单电源供电的信号采集电路顺利采集。

参照图8，经过信号调理后的二次谐波信号i_2f(t)已明显地抑制了原始二次谐波信号i_f(t)中的随机干扰噪声，波形变得更为平滑，但仍存在波形畸变的现象，如左右谷值不对称，故需进一步进行数字信号滤波(即后续步骤中的信号稀疏重构)处理。

实施例4：

参照图10，本实施例提供的一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，包括离散傅里叶变换(DFT)B101、二次谐波信号重构B102、分组峰值/峰峰值比较B103。

参照图9，本发明的信号稀疏重构方法之离散傅里叶变换算法包括离散傅里叶变换(DFT)单元B101和二次谐波信号重构单元B102，包括以下步骤：

在步骤U101中，取出一个周期的原始二次谐波信号。

具体地，设置激光器波长扫描频率为f，也即所检测二次谐波信号的频率为f，设置采样频率F_s，采集工业现场原始二次谐波信号(一般性地，已受噪声污染)，每个二次谐波信号含有α个采样点。不失一般性地，本发明实施例中f设置为25Hz，F_s设置为12800Hz，则α＝F_s/f＝12800/25＝512。特别地，其中一个周期的原始二次谐波信号见图12。

在步骤U102中，将一个周期的原始二次谐波信号周期延拓为包含t个周期的原始二次谐波信号，以确保进行离散傅里叶变换具有足够高的频率分辨率Δf。具体地，周期延拓后的二次谐波信号数据长度为N＝t×α，则离散傅里叶变换的频率分辨率为Δf＝F_s/N。优选地，N取值需满足Δf≤f，但是Δf越小，DFT所需开销的运算量越大，不失一般性地，本发明实施例中设置N＝1024，则t＝N/α＝2，也即Δf＝0.5f＝12.5Hz，可实现被检测二次谐波信号的频率为f的精确频谱分析，且DFT运算量可被一般嵌入式芯片所容纳(如：ARM、DSP、FPGA)。

在步骤U103中，对周期延拓后的数据长度为N的二次谐波信号做离散傅里叶变换(DFT)。

具体地，对周期延拓后的原始二次谐波信号做离散傅立叶变换，将所述数据长度为N的二次谐波信号从时域变换到频域，获得离散傅里叶变换域的频谱图。

具体地，其中离散傅里叶变换的计算公式如下：

其中X(k)为经过离散傅里叶变换后的数据，x(n)为周期延拓后的二次谐波信号数据点，N为离散傅里叶变换的采样点总数，即周期延拓后的二次谐波信号数据长度，公式(1)可以进一步展开为：

其中实部Re(X(k))和虚部Im(X(k))的值分别为如下：

根据实部值和虚部值计算每个正弦波分量的幅值，计算公式如下：

进一步地，得出经过离散傅里叶变换后原始二次谐波信号的频谱图，见图13；

在步骤U104中，提取频谱图中0*f、1*f、2*f、…、h*f频点处谱线分量；

具体地，由于工业现场光学干涉噪声、环境噪声和***仪器噪声等复杂的大量的噪声，噪声可能随机分布在于各个频带上。在信号频域上选择性保留被测二次谐波信号中心频点及其邻近倍频对应谱线分量，即频谱图中0*f、1*f、2*f、…、h*f频点处谱线分量。优选地，本发明实施例中，取h＝3，即提取频谱图中0Hz，25Hz，50Hz，75Hz频点处谱线分量。从信号处理角度，信号频谱主成分外的谱线成分大概率为环境噪声或***噪声，保留信号频谱主成分丢弃噪声成分可实现原始二次谐波信号的噪声抑制和稀疏重构。

在步骤U105中，将稀疏化后的频谱图再经离散傅里叶逆变换(IDFT)重构为二次谐波信号。

具体地，参考图6，将优选地0*f、1*f、2*f、…、h*f频点处谱线分量经离散傅里叶逆变换重构为二次谐波信号，即将0Hz，25Hz，50Hz，75Hz频点处谱线分量经离散傅里叶逆变换得到一个全新的重构二次谐波信号。将重构二次谐波信号(图14)与原始二次谐波信号(图12)对比可知，经过信号稀疏重构的二次谐波信号更为平滑，所述环境噪声或***噪声已被消除殆尽。

本发明针对玻璃药瓶内气体浓度激光检测应用，用离散傅里叶变换处理工业现场含噪声污染的二次谐波信号，采用信号稀疏重构的原理在信号频域上选择性保留被测二次谐波信号中心频点及其邻近倍频对应谱线分量，进而实现随机噪声的鲁棒抑制。

实施例5：

结合图10和图11，参照图10，本实施例提供的一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，包括离散傅里叶变换(DFT)B101、二次谐波信号重构B102、分组峰值/峰峰值比较B103。

在步骤U201中，在工业现场对玻璃药瓶检测1次，获取L个原始二次谐波信号，用于步骤U304中的平均运算以再次抵抗高斯白噪声扰动。L过小将导致后续步骤不能有效补偿二次谐波信号个体间的差异性，影响二次谐波信号峰值/峰峰值的准确性，降低气体浓度检测精度；L过大将增加算法的运算量，降低气体浓度检测的实时性。优选地，本发明实施例中L取20。

在步骤U202中，将L个原始二次谐波信号逐个周期延拓t次，得到L个包含t个周期的原始二次谐波信号。

在步骤U203中，对步骤U202中延拓后的L个包含t个周期的原始二次谐波信号依次做离散傅里叶变换(DFT)，得到L个频谱图。

在步骤U204中，提取L个频谱图中0*f、1*f、2*f、…、h*f频点处谱线分量，依频点对应平均得到L个原始二次谐波信号所对应的1个平均频谱图。

具体地，在步骤U203输出的L个频谱图中取出0*f、1*f、2*f、…、h*f频点处谱线分量，舍去其他频点的谱线分量，然后将所述L个频谱图依频点对频谱幅度取平均值。具体地，将L个频谱图中所有0*f处频谱幅度求平均值，放置在所述平均频谱图的0*f处；将L个频谱图中所有1*f处频谱幅度求平均值，放置在所述平均频谱图的1*f处；重复上述操作；最后将L个频谱图中所有h*f处频谱幅度求平均值，放置在所述平均频谱图的h*f处。优选地，本发明实施例中，取h＝3，即获得步骤U203输出的L个频谱图在0Hz，25Hz，50Hz，75Hz频点处谱线分量的平均频谱图。

在步骤U205中，将U304输出的平均频谱图经离散傅里叶逆变换(IDFT)重构为二次谐波信号，该重构二次谐波信号即可作为所述气体浓度检测的判决数据。

在步骤U206中，计算U205输出的重构二次谐波信号的峰值/峰峰值，该重构二次谐波信号峰值/峰峰值即可作为所述气体浓度检测的判决依据。

在判断D201中，判断是否对待测气体浓度的玻璃药瓶已累计检测次数达K次？

具体地，如果检测次数小于K，则重复上述步骤U201至U206；如果检测次数等于K，则输出K次气体浓度检测中K个重构二次谐波信号峰值/峰峰值(步骤U207)。不失一般性地，本实施例中，K取90，用于展示本发明所达到的有益效果。

参照图11，为进一步体现本实施例方案的优越性，图11左侧B301给出本实施例之基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法中自所述步骤U201至步骤U206流程的图形化展示；图11右侧B302给出传统的气体浓度检测方法实施流程的图形化展示。具体地，B301中：将所述L个原始二次谐波信号进行所述步骤U201至步骤U206流程中的信号稀疏重构操作，得到1个重构二次谐波信号峰峰值，作为所述气体浓度检测的判决依据；B302中：将所述L个原始二次谐波信号直接(或者经过时域滤波后)求取出L个峰峰值，计算出L个峰峰值的求平均值，作为所述气体浓度检测的判决依据。

为验证本发明提供性能的稳定性，检测K次待测玻璃药瓶的气体浓度，每次采集L个周期的原始二次谐波信号，图11中统计的原始二次谐波信号周期数目为M＝KL。优选地，本发明实施例中，当K＝90时，M＝1800。进而在B303中展示对本发明之基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法和传统的气体浓度检测方法的性能对比情况。

具体地，图15展示出图11之B302的输出性能(传统方法)，图16展示出图11之B301的输出性能(本发明)。

具体地，图15和图16中涉及参与测试的玻璃药品2个，A号瓶为0％氧气浓度标准玻璃药瓶，B号瓶为5％氧气浓度标准玻璃药瓶。

参照图15，K＝90次连续测量后，传统气体浓度检测方法下A号瓶和B号瓶对应的峰峰值距离较近，难以划定一条阈值线将两者100％正检率地区分开来。具体地，图9中划定阈值线为1.04*10⁴，B号瓶仍然有4次被误判为A号瓶。

参考图16，K＝90次连续测量后，本发明之基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法下A号瓶和B号瓶对应的峰峰值距离增大，可以划定阈值线获得更高正检率。具体地，图16中划定阈值线为0.995*10⁴，A号瓶和B号瓶均以100％的正检率得以区分。

本发明之基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法和装置，用于解决玻璃封装药品工业生产环境中采用TDLAS/WMS技术进行气体浓度探测时因噪声干扰严重而判决性能衰退的技术难题，以支持实现强干扰背景下的弱二次谐波信号的可靠提取和稳定分析，进而实现玻璃药瓶内气体浓度精确检测。本发明采用离散傅里叶变换重构工业现场含噪声污染的二次谐波信号，在信号频域上选择性保留被测二次谐波信号中心频点及其邻近倍频对应谱线分量，再将提取的频域主成分逆变换到时域以实现被测信号的噪声抑制和稀疏重构。所述基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法可根除被选择频率成分以外频段上所有噪声，降低了信号处理的特征维度和运算复杂度，大幅提升了玻璃药瓶内气体浓度检测的稳定性和实时性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，所述步骤1中，基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行一次检测，获取L个单周期的二次谐波信号S1；

所述步骤4中，在L个频谱图上分别提取二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点处的谱线分量，对提取出来的谱线分量依频点对应平均得到L个二次谐波信号所对应的1个平均频谱图；将平均频谱图进行离散傅里叶逆变换，得到重构后的二次谐波信号S3。

3.根据权利要求2所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，重复进行K次步骤1～步骤4，获得K个重构后的二次谐波信号S3；所述步骤5中，基于K个重构后的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值的平均值得到玻璃药瓶内气体浓度。

4.根据权利要求1中任一项所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，所述二次谐波信号中心频点及其邻近倍频点是指0*f、1*f、2*f、…、h*f，其中，f为二次谐波信号中心频点，h为选择的邻近倍频点个数。

5.根据权利要求1所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，所述步骤1中，基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测，获得原始二次谐波信号后，采用信号调理电路对检测到的原始二次谐波信号进行滤波处理，进而获得单周期的二次谐波信号S1；

6.根据权利要求1～5所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法，其特征在于，将其内气体浓度已知的玻璃药瓶作为样本；对样本执行步骤1～4，得到其相应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据；基于样本内气体浓度数据，以及样本对应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据，拟合得到玻璃药瓶内气体浓度与二次谐波信号S3的峰值/峰峰值的关系式；对于待测的玻璃药瓶，对其执行步骤1～4，得到其相应的二次谐波信号S3的峰值/峰峰值数据，代入拟合得到的关系式，计算得到待测的玻璃药瓶内气体浓度。

7.一种基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测装置，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测方法进行玻璃药瓶内气体浓度检测；

8.根据权利要求1所述的基于信号稀疏重构的玻璃药瓶内气体浓度检测装置，其特征在于，所述二次谐波检测电路包括信号调理电路；所述信号调理电路包括衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路；基于TDLAS/WMS技术对玻璃药瓶进行检测获得原始二次谐波信号后，通过衰减反相电路、限带滤波电路和电平搬移电路依次对检测到的原始二次谐波信号进行幅值衰减和反相处理、带通滤波处理和电平搬移处理，进而获得单周期的二次谐波信号S1。