一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法及系统

本发明涉及工业自动化传感，具体涉及一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法及系统。

背景技术：

1、在现代汽车制造、航空航天等行业的自动化焊接产线中，工业机器人关节的实时角度与位置信息通常通过光敏传感器读取固定在关节轴上的反光编码条来获取。该方案利用编码条表面的明暗条纹对光源的反射差异，由光敏传感器将光信号转换为电脉冲信号，经计数和解码后得到关节的绝对或相对位置信息。相较于传统的光电编码器、旋转变压器等接触式或电磁式测量方案，光敏传感器配合反光编码条具有成本低、响应速度快、无机械磨损、安装灵活等显著优势。

2、但是，焊接产线上同步运行的弧焊设备在工作时会向周围空间辐射强烈的弧光。焊接弧光的光谱覆盖紫外至近红外的宽波段。当弧光以不同角度和距离入射至光敏传感器感光面时，会在传感器输出信号中引入两种截然不同的干扰形态：一、瞬态弧光干扰：点焊作业时，弧光持续时间通常为1ms~30ms，表现为传感器输出信号中的高幅值尖脉冲。二、持续弧光干扰：连续缝焊作业时，弧光持续时间从数秒至数十秒不等，使传感器输出长时间维持在高于正常基线的偏置水平。

3、因此传统的光敏传感器采用固定阈值法无法满足实际需求，虽然也有的现有技术采用自适应阈值法，但是大多以近期采样数据的统计均值加若干倍标准差作为动态阈值。这种方法在瞬态弧光尖脉冲进入统计窗口后，窗口均值被瞬时拉高，标准差被人为放大，导致阈值在弧光消退后仍维持虚高状态，即使传感器已恢复至正常基线水平，阈值仍居高不下，抑制了随后的真实编码信号。所以现有方法停留在信号幅值的表层统计，未能深入至干扰产生的物理机制层面进行识别与抑制，导致在复杂多变的焊接环境下自适应能力不足、误检率高、恢复滞后的缺陷。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法及系统，通过引入光敏材料固有恢复时间常数标定与工频谐波能量分析，建立瞬态干扰与持续干扰的双分支融合识别机制，实现对未知分布、时变强度弧光干扰的精确量化与阈值动态校准，解决现有技术仅依赖幅值统计、无法区分干扰物理形态、自适应能力差的缺陷问题。

2、为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法，包括以下步骤：

4、s1，预先采集无干扰状态下光敏传感器的历史样本序列，标定光敏材料的固有恢复时间常数；

5、s2，获取光敏传感器的实时采样序列，计算实时采样序列与历史样本序列的信号偏差和，若超过预设的突变检测阈值，判定为突变事件，并记录突变发生时刻及突变幅值，其中，i为全局采样时刻索引，取值为1，2，…，n，n为实时采集的总样本数；

6、s3，在触发突变事件后，持续检测突变时长，若突变时长低于预设的分类阈值，则执行瞬态干扰处理，反之，则执行持续干扰处理；

7、s4，检测到干扰消失后，在预设的恢复时间内将光敏传感器的使用阈值线性恢复至标准阈值。

8、优选地，s1中标定光敏材料的固有恢复时间常数具体包括：

9、向光敏传感器施加持续时间小于预设标定脉宽的短脉冲光源，使光敏传感器达到饱和状态；

10、采集饱和后的归一化衰减样本序列，其中，为衰减曲线的起始归一化幅值，m为时间维度的采样点数量，对应短脉冲结束后连续采集的m个离散时刻的光敏传感器输出值；为第个采样点的归一化幅值，由第个采样点时刻的原始输出值除以饱和峰值得到；

11、按下式计算固有恢复时间常数：

12、；

13、其中，为采样周期。

14、优选地，s2中计算实时采样序列与历史样本序列的信号偏差和具体包括：

15、对实时采样序列施加窗口长度为奇数的滑动中位数滤波，

16、取窗口内采样值的中位作为实时基线估计值，为采样时刻索引，取值为1，2，…，n，n为实时采集的总样本数；

17、按下式计算各时刻的标准化偏差：

18、；

19、其中，为根据历史样本序列计算的标准差；

20、按下式递推计算信号偏差和：

21、；

22、其中，为预设的允许偏移参数，且突变幅值的计算公式为：

23、；

24、其中，为突变发生时刻。

25、优选地，s3中所述瞬态干扰处理具体包括：

26、采集突变发生时刻后的归一化信号衰减序列：

27、；

28、其中，为采样步长索引，为采样周期；

29、对取自然对数令，构造线性模型：

30、；

31、其中，a为指数衰减的初始幅值，对j与进行最小二乘线性回归求解回归斜率：

32、；

33、所述最小二乘回归中的为瞬态衰减段参与拟合的样本总数，与s1中标定阶段的采样点数量m相互独立，覆盖光敏材料，表示对j从1到求和；

34、根据回归斜率计算出衰减时间常数：

35、；

36、计算相对时间差：

37、；

38、若，为容差阈值，确认瞬态干扰；并按下式计算动态抬升阈值作为预设时间窗口内的使用阈值：

39、；

40、；

41、其中，为标准阈值，为饱和能量估计量，为突变幅值，为衰减时间常数，为预设的安全增益系数；

42、预设时间窗口的计算公式为：

43、；

44、其中，n为预设的窗口倍率系数；

45、若，维持标准阈值。

46、优选地，s3中所述持续干扰处理具体包括：

47、定义长度为的滑动分析窗口，窗口内包含当前全局采样时刻i及其前个采样点，对当前滑动窗口内的个实时采样序列施加汉宁窗，其中为滑动窗口内的采样点索引，取值为：

48、；

49、为所述滑动窗口内的采样点索引，取值为，为滑动窗口的采样点总数；

50、加窗后的序列进行离散傅里叶变换得到复数频谱系数；

51、计算单侧功率谱密度：

52、；

53、其中，为光敏传感器输出端经模数转换器采样的采样频率；

54、在预设的各目标频率的带宽内对求和，得到谐波频段功率，计算出谐波能量比，计算公式如下：

55、；

56、其中，为历史正常运行状态下同频段功率的均值；

57、若谐波能量比在连续多个窗口内超过预设的谐波阈值，确认持续干扰，并按下式计算锁定阈值作为预设时间窗口内的使用阈值：

58、；

59、；

60、；

61、其中，为当前窗口内传感器输出信号的中位数基线估计，为半峰峰幅值，为残余噪声标准差，为工频调制分量，为调制安全系数，为残余噪声倍率；

62、若未超过谐波阈值，维持标准阈值。

63、优选地，s4中检测到干扰消失后，在预设的恢复时间内将光敏传感器的使用阈值线性恢复至标准阈值具体包括：

64、对于瞬态干扰，超过瞬态干扰时间后判定干扰消失；

65、对于持续干扰，谐波能量比在连续多个窗口内低于预设的谐波阈值的一半时，判定干扰消失；

66、记干扰消失时刻为，锁定阈值为，标准阈值为，恢复时间为，在区间内计算阈值线性恢复值，计算公式如下：

67、；

68、恢复完成后，以指数遗忘因子，，对历史样本序列的均值和标准差进行加权更新，更新函数表达式如下：

69、；

70、；

71、其中，和分别为当次恢复后无干扰段采集的新基线均值和标准差。

72、一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准系统，用于实现以上所述的一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法，包括：

73、参考数据建立单元，用于预先采集无干扰状态下传感器的历史样本序列，标定光敏材料的固有恢复时间常数；

74、数据采集单元，用于获取传感器的实时采样序列，计算实时采样序列与历史样本序列的信号偏差和，若超过预设的突变检测阈值，判定为突变事件，并记录突变发生时刻及突变幅值；

75、干扰判断单元，用于在触发突变事件后，持续检测突变时长，若低于预设的分类阈值，则调用瞬态干扰处理单元，反之，则调用持续干扰处理单元；

76、瞬态干扰处理单元，用于采集信号衰减序列并拟合衰减时间常数，计算与的相对时间差，在相对时间差小于容差阈值时确认瞬态干扰并计算动态抬升阈值；

77、持续干扰处理单元，用于对传感器输出信号进行加窗滑动窗口离散傅里叶变换并计算谐波能量比，在连续超过谐波阈值时确认持续干扰并计算锁定阈值；

78、阈值恢复单元，用于在检测到干扰消失后，在预设的恢复时间内将使用阈值线性恢复至标准阈值。

79、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，实现如以上所述的一种抑制光敏传感器干扰噪声的阈值动态校准方法。

80、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

81、1、双分支物理识别机制：本发明通过突变时长与分类阈值的比较，构建了与瞬态干扰处理、持续干扰处理相对应的双分支融合识别架构。针对瞬态干扰，基于标定的光敏材料固有恢复时间常数与拟合衰减时间常数的匹配校验，实现了对光生载流子复合指数衰减特性的精准捕捉；针对持续干扰，基于工频驱动弧光的谐波调制特征提取谐波能量比，从物理机制层面本质区分了弧光干扰与真实编码信号，无需外部同步信号即可有效降低漏检率与误检率。

82、2、抗恢复滞后与阈值虚高：区别于传统自适应阈值因尖脉冲进入统计窗口导致均值漂移的缺陷，本发明在瞬态干扰处理中采用与材料恢复同步的指数衰减动态抬升阈值，并在持续干扰处理中采用综合考虑基线偏置、调制幅值与残余噪声的锁定阈值，既保证了强干扰下的屏蔽效果，又为编码信号保留了充足的检出裕度。

83、3、平滑恢复与长期自适应：本发明采用线性斜坡恢复机制避免了阈值跳变引起的虚假触发，并通过指数遗忘因子对基线均值和标准差进行加权更新，能够平滑跟踪传感器老化、光学污染及环境温度变化引起的长期漂移，显著提升了工业复杂环境下光敏传感器的位置反馈可靠性。