CN118155008A - 一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线；构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线；采集焊接电弧特征谱线图像，对其进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。本发明通过特征谱线强度修正消除带通滤波片采集的连续谱线对光谱数据准确性的影响，通过带通滤波片修正消除带通滤波片采集失真以及非研究波段光谱数据混入有效数据中对数据准确性的影响，提高数据采集的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱修正技术领域，尤其涉及一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法。
背景技术
焊接电弧光谱诊断作为一种非接触式焊接过程检测方法，能够定量评价焊接电弧等离子体导电以及产热机理，对于进一步优化电弧能量匹配，发挥电弧能量集中优势，实现高端装备制造领域高质量深熔焊接具有较大的科学研究意义和工程应用价值。
焊接电弧光谱诊断需要采集焊接电弧光谱信号。现阶段，可以采用光谱仪以及配备带通滤波片的高速摄像机的方式采集焊接电弧光谱信号。光谱仪具有分辨率小、测试精度高的优点，但是由于光谱仪采样周期长，只能检测稳定性较好的钨极氩弧焊电弧，而对于变化频率较快的高能束焊接电弧以及复合焊接电弧，光谱仪无法实时检测，仅能反应电弧在采样周期内的平均状态。而采用配备带通滤波片的高速摄像机的采集方式，虽然可以发挥高速摄像机拍摄速度快的优势实时采集电弧状态，但是由于带通滤波片对带宽范围内信号无差别的采集特征谱线和连续谱线，导致无法获取研究所需要的特征谱线。此外，由于带通滤波片制作工艺限制，带通滤波片中心波长与带宽无法与所研究的电弧特征谱线精准匹配，导致非研究波段光谱数据混入有效数据中。且由于带通滤波片在带宽范围内，不同波长的光谱信号通过带通滤波片的透过率非线性变化，导致采集的光谱信号失真，不能准确反应焊接电弧状态。上述因素影响了所采集的光谱数据准确性，制约了光谱诊断在焊接中的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，以解决目前采用配备带通滤波片的高速摄像机采集焊接电弧光谱信号时，带通滤波片无差别采集特征谱线及连续谱线，且带通滤波片采集的光谱信号失真、非研究波段光谱数据混入有效数据，从而影响光谱数据准确性的技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采取以下方案来实现：
一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，包括如下步骤：
进行焊前准备，设置焊接工艺参数，进行等离子焊接，获得稳定焊接电弧，采集焊接电弧图像；
配置二维阵列光纤，调整光纤采集位置，校正光谱仪波长偏差，设置光谱仪采集参数，采集焊接电弧光谱信号；
获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线；
构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度；
采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
进一步的：所述获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
根据光谱数据排布规则，导入波长及谱线强度数据；
构建基于聚类的局部异常因子算法模型；
对谱线强度进行训练，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，得到初步剔除特征谱线的连续谱线；
识别变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置，获得完全剔除特征谱线的连续谱线。
进一步的：所述对谱线强度进行训练，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，得到初步剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
基于聚类的局部异常因子算法模型对谱线强度进行训练，初始化谱线分类标签，训练结束后返回谱线分类标签，标签为1表示谱线强度及对应的波长属于变化幅度较大的特征谱线，标签为0表示谱线强度及对应的波长属于连续谱线以及与连续谱线相连的变化幅度较小的特征谱线；
当谱线分类标签为0时，将对应的谱线强度赋值给连续谱线强度，当谱线分类标签为1时，将NaN赋值给连续谱线强度，得到初步剔除特征谱线的连续谱线。
进一步的：所述识别变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置，获得完全剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
遍历初步剔除特征谱线的连续谱线，当检测到上一个波长对应的连续谱线强度不等于0并且当前波长对应的连续谱线强度为NaN时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置，当检测到当前波长对应的连续谱线强度为NaN并且下一个波长对应的连续谱线强度不等于0时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的结束位置；继续遍历初步剔除特征谱线的连续谱线，记录所有出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置；
设定筛选阈值，计算当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置的间隔；若间隔小于设定的筛选阈值，则将初步剔除特征谱线的连续谱线中当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置之间的谱线强度赋值为NaN，获得完全剔除特征谱线的连续谱线。
进一步的：所述构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度，具体包括：
初始化有效连续谱线强度，由完全剔除特征谱线的连续谱线的谱线强度为有效连续谱线强度赋值；
针对未赋值的有效连续谱线强度，构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算有效连续谱线强度的取值；
进行背底扣除，用光谱仪采集的谱线强度减去有效连续谱线强度，获得扣除连续谱线的特征谱线强度。
进一步的：所述采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度，具体包括：
使用配备带通滤波片的高速摄像机采集焊接电弧特征谱线图像；
计算实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度以及光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积的比值，获得特征谱线强度修正系数p i；
计算焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i；
根据带通滤波片光谱曲线，计算带通滤波片采集失真修正系数q i ；
获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
进一步的：所述计算实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度以及光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积的比值，获得特征谱线强度修正系数p i，具体包括：
以光谱仪的分辨率为步长，将实际特征谱线波长范围划分为若干实际特征谱线波长区间段，表达式为：
（1）
式中，n为实际特征谱线波长区间段的编号，lb为实际特征谱线波长范围的左边界，rb为实际特征谱线波长范围的右边界，dλ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算；
计算不同实际特征谱线波长区间段内光谱仪采集的谱线强度以及扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，表达式为：
（2）
（3）
式中，S i为第i个实际特征谱线波长区间段光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积，T i为第i个实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，f(λ)为光谱仪采集的谱线强度，g(λ)为扣除连续谱线的特征谱线强度；
计算T i与S i的比值，获得特征谱线强度修正系数p i。
进一步的：所述计算焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i，具体包括：
将焊接电弧特征谱线图像波长范围，以光谱仪的分辨率为间隔，划分为若干带通滤波片波长区间段，表达式为：
(4)
式中，N为带通滤波片波长区间段的编号，LB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的左边界，RB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的右边界，dλ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算；
不同带通滤波片波长区间段焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i为：
(5)
式中，w i为第i个实际特征谱线波长区间段与带通滤波片光谱曲线包围的面积， W为带通滤波片光谱曲线与波长轴包围的面积，h(x,y)为所述焊接电弧特征谱线图像中不同位置像素点的谱线强度，φ为实际特征谱线波长范围。
进一步的：焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度为：
(6)
式中，E(x,y)为修正后的谱线强度。
本发明的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线；构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线；采集焊接电弧特征谱线图像，对其进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。本发明的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，通过特征谱线强度修正，消除带通滤波片采集的连续谱线对光谱数据准确性的影响。通过带通滤波片修正，消除带通滤波片采集失真以及非研究波段光谱数据混入有效数据中对光谱数据准确性的影响，提高焊接电弧光谱数据采集的准确程度，为进一步提高焊接质量奠定可靠基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法的流程图；
图2是本发明所采集的焊接电弧图像；
图3是本发明光谱仪采集的谱线强度示意图；
图4是本发明变化幅度较大的特征谱线识别结果示意图；
图5是本发明初步剔除特征谱线的连续谱线示意图；
图6是本发明完全剔除特征谱线的连续谱线示意图；
图7是本发明光谱仪采集的谱线强度以及有效连续谱线强度示意图；
图8是本发明光谱仪采集的谱线强度以及扣除连续谱线的特征谱线强度示意图；
图9是本发明带通滤波片光谱曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚地展示，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本实施例提供一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，如图1所示，所述修正方法包括如下步骤：
S1、进行焊前准备，设置焊接工艺参数，进行等离子焊接，获得稳定焊接电弧，采集焊接电弧图像；
S2、配置二维阵列光纤，调整光纤采集位置，校正光谱仪波长偏差，设置光谱仪采集参数，采集焊接电弧光谱信号；
S3、获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线；
S4、构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度；
S5、采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
进一步的，所述步骤S1中，进行焊前准备，设置焊接工艺参数，获得稳定焊接电弧，采集焊接电弧图像，具体包括：
S11、进行焊前准备；
S12、设置焊接工艺参数，进行等离子焊接，获得稳定焊接电弧；
S13、设置高速摄像机参数，使用高速摄像机采集焊接电弧图像。
具体地，等离子焊接时，选用直径为4毫米的钨极作为阴极，使用砂轮将钨极端部磨成60度锥角。安装钨极时，采用内缩尺，使钨极端部内缩于等离子压缩喷嘴2毫米处。使用钢丝刷机械去除铝合金板材表面的氧化膜，调整机器人姿态，使固定于机器人机械臂上的等离子焊枪与铝合金板材垂直，且保持等离子压缩喷嘴端部与铝合金板材的距离为5毫米。
经过大量的焊接工艺参数尝试，当等离子正极性电流为170A，反极性电流为210A，正反极性时间比为21ms:4ms，焊接速度为190mm/min，离子气流量为3.5L/min,保护气流量为8L/min时，能够获得稳定的等离子电弧。
调整高速摄像机与焊接电弧的相对位置，使相机镜头所在平面与焊接电弧纵截面平行。在焊枪侧立面放置水平和垂直标尺，便于确定相机每一像素点的实际尺寸。将中灰镜安装在相机镜头前端，通过调整相机光圈以及曝光时间，避免采集的图像过曝。相机采样频率为10Hz，曝光时间为200μs，拍摄时间为30s。本实施例高速摄像机采集的等离子正极性期间的焊接电弧图像如图2所示。
进一步的，所述步骤S2中，配置二维阵列光纤，调整光纤采集位置，校正光谱仪波长偏差，设置光谱仪采集参数，采集焊接电弧光谱信号；具体包括：
S21、配置光谱仪二维阵列光纤，调整光谱仪光纤采集位置；
S22、校正光谱仪波长偏差；
S23、设置光谱仪采集参数，使用光谱仪采集焊接电弧光谱信号。
具体的，为了平衡测试精度以及光纤成本，根据电弧最大宽度以及等离子压缩喷嘴端部与铝合金板材的距离，按照光纤间距为1mm，等间距配置二维阵列光纤。调整三维运动平台位置，使光纤端面与电弧纵截面平行。
根据所研究电弧特征谱线的波长，选择汞灯对应谱段的特征谱线对光谱仪进行波长校正，通过设置波长偏移量，降低波长偏差对光谱信号的影响。
设置光谱仪中心波长为380nm，由于光谱仪光栅为150刻线/mm，则光谱仪采集波长范围为340nm-430nm，分辨率为0.09nm。采用动力学系列模式采集光谱信号，读出模式为图像，触发类型为内部触发，曝光时间为0.1s，为了提高光谱信号的信噪比，每采集5组数据累加后记录为1组数据，共记录60组光谱信号。
进一步的，所述步骤S3中，获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
S31、根据光谱数据排布规则，导入波长以及谱线强度数据；
S32、构建基于聚类的局部异常因子算法模型；
S33、对谱线强度进行训练，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，得到初步剔除特征谱线的连续谱线；
S34、识别变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置，获得完全剔除特征谱线的连续谱线。
所述步骤S31中，具体地，光谱仪单个光纤的光谱数据保存在以逗号为分隔符的单个CSV文件中。根据光谱数据的排布规则，在导入数据时第一列数据为波长，其余列数据为不同时刻对应波长的谱线强度，其中，列之间的时间间隔为光谱仪采样频率的倒数。本实施例中第一时刻光谱仪采集的谱线强度如图3所示，曲线由特征谱线和连续谱线两部分组成。特征谱线在曲线中表现为在较窄的波长范围内出现变化幅度剧烈的谱线强度，对应焊接电弧中特定的元素，而连续谱线表现为在较宽的波长范围内谱线强度变化幅度不大，谱线强度随波长线型或抛物线型增加或减小，对应光谱采集过程中的背底噪声。
所述步骤S32中，具体地，构建基于聚类的局部异常因子算法模型时，需要根据特征谱线波长范围与光谱仪采集波长范围的比值，确定模型参数outliers fraction的取值。
所述步骤S33中，具体地，基于聚类的局部异常因子算法模型对第一时刻的谱线强度进行训练，初始化谱线分类标签，使分类标签的数量和训练的谱线强度数量相等。训练结束后返回谱线分类标签，标签为1表示谱线强度及对应的波长属于变化幅度较大的特征谱线，标签为0表示谱线强度及对应的波长属于连续谱线以及与连续谱线相连的变化幅度较小的特征谱线。绘制特征谱线识别结果，当模型参数取值取0.5时，变化幅度较大的特征谱线识别结果如图4所示。图中实线表示光谱仪采集的谱线强度，圆圈表示通过基于聚类的局部异常因子算法识别的变化幅度较大的特征谱线。初始化连续谱线强度，使连续谱线强度与从光谱仪导入的谱线强度尺寸相同。根据第一时刻特征谱线识别结果，当谱线分类标签为0时，将对应的谱线强度赋值给连续谱线强度，当谱线分类标签为1时，将NaN赋值给连续谱线强度，得到初步剔除特征谱线的连续谱线。图5所示为第一时刻初步剔除特征谱线的连续谱线。由于特征谱线中除变化幅度较大的谱线强度外，还存在部分与连续谱线相连的变化幅度较小的谱线强度，因此通过上述方法获取的连续谱线中仍然有少量特征谱线未被完全剔除。
为了进一步剔除连续谱线中的特征谱线，所述步骤S34中，具体地，按照波长由小到大的顺序遍历第一时刻的初步剔除特征谱线的连续谱线，当检测到上一个波长对应的连续谱线强度不等于0并且当前波长对应的连续谱线强度为NaN时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置，当检测到当前波长对应的连续谱线强度为NaN并且下一个波长对应的连续谱线强度不等于0时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的结束位置。继续遍历第一时刻初步剔除特征谱线的连续谱线，记录第一时刻所有出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置。设定筛选阈值为10，计算当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置的间隔。如果间隔小于设定的筛选阈值，则将初步剔除特征谱线的连续谱线中当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置之间的谱线强度赋值为NaN，获得单个光纤完全剔除特征谱线的连续谱线。图6所示为第一时刻完全剔除特征谱线的连续谱线。
重复上述步骤S33到步骤S34过程，直至获得单个光纤所有时刻完全剔除特征谱线的连续谱线。重复上述步骤S31到步骤S34过程，直至获得阵列光纤中所有光纤所有时刻完全剔除特征谱线的连续谱线。
进一步的，所述步骤S4中，构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度，具体包括：
S41、初始化有效连续谱线强度，由完全剔除特征谱线的连续谱线的谱线强度为有效连续谱线强度赋值；
S42、针对未赋值的有效连续谱线强度，构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算有效连续谱线强度的取值；
S43、对光谱仪采集的谱线强度进行背底扣除，用光谱仪采集的谱线强度减去有效连续谱线强度，获得扣除连续谱线的特征谱线强度。
具体地，初始化有效连续谱线强度，使有效连续谱线强度与从光谱仪导入的谱线强度尺寸相同。将完全剔除特征谱线的连续谱线的谱线强度中的非NaN谱线强度赋值给对应的有效连续谱线强度。针对未赋值的有效连续谱线强度，由已赋值的有效连续谱线强度及其对应的波长组成数据集，构建核岭回归模型，采用核岭回归的方法，在特征谱线对应波长处估算有效连续谱线强度的取值。构建以径向基函数为核类型的核岭回归模型时，其中，参数alpha和gamma由穷举搜索自动调优，调优时参数alpha从1、0.1、0.01以及0.001中选取，参数gamma从0.01、0.1、1、10以及100中选取。图7所示为第一时刻光谱仪采集的谱线强度以及赋值后的有效连续谱线强度。
对光谱仪采集的谱线强度进行背底扣除，用第一时刻光谱仪采集的谱线强度减去有效连续谱线强度，获得第一时刻扣除连续谱线的特征谱线强度。图8所示为第一时刻光谱仪采集的谱线强度以及扣除连续谱线的特征谱线强度。重复上述步骤S41到步骤S43过程，直至获得单个光纤所有时刻扣除连续谱线的特征谱线强度。
重复上述步骤S41到步骤S43过程，直至获得阵列光纤中所有光纤所有时刻扣除连续谱线的特征谱线强度。
进一步的，所述步骤S5中，采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度，具体包括：
S51、使用配备带通滤波片的高速摄像机采集焊接电弧特征谱线图像；
S52、计算实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度以及实际特征谱线波长区间段光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积的比值，获得特征谱线强度修正系数p i；
S53、计算焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i；
S54、根据带通滤波片光谱曲线，计算带通滤波片采集失真修正系数q i ；
S55、获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
具体地，选用中心波长为380nm，带宽为14nm的带通滤波片加装在高速摄像机的镜头前端，使中灰镜位于带通滤波片的外侧。设置高速摄像相机采样频率为2000Hz，曝光时间为200μs，采集焊接电弧特征谱线图像。本实施例中所研究的特征谱线为Ar I 383.47nm，由于特征谱线受到多普勒以及斯塔克等多种展宽机制的影响，为了研究方便，规定Ar I383.47nm的实际特征谱线波长范围为380nm-385nm。
以光谱仪的分辨率为步长，将实际特征谱线波长范围划分为若干实际特征谱线波长区间段，表达式为：
（1）
式中，n为实际特征谱线波长区间段的编号，取值为从1开始的整数，lb为实际特征谱线波长范围的左边界，rb为实际特征谱线波长范围的右边界，dλ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算。本实施例中，实际特征谱线波长范围划分为59个实际特征谱线波长区间段。
计算第一时刻不同实际特征谱线波长区间段内光谱仪采集的谱线强度以及扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，表达式为：
（2）
（3）
式中，S i为第i个实际特征谱线波长区间段光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积，T i为第i个实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，f(λ)为光谱仪采集的谱线强度，g(λ)为扣除连续谱线的特征谱线强度。计算T i与S i的比值，获得特征谱线强度修正系数p i。获取单个光纤第一时刻的特征谱线强度修正系数后，重复上述过程，直至获取单个光纤所有时刻特征谱线强度修正系数。为了降低电弧波动对特征谱线强度修正系数的影响，计算同一光纤不同时刻特征谱线强度修正系数的均值，获得阵列光纤中单个光纤的特征谱线强度修正系数。重复上述步骤S52过程，直至获取阵列光纤中所有光纤的特征谱线强度修正系数。
由于带通滤波片制作工艺限制，带通滤波片中心波长与带宽无法与所研究的电弧特征谱线精准匹配，本实施例中带通滤波片的中心波长为380nm，带宽为14nm，使用带通滤波片所采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围为373nm-387nm，而所研究的实际特征谱线范围为380nm-385nm。由于使用带通滤波片所采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围大于所研究的实际特征谱线范围，则所述焊接电弧特征谱线图像中每一个像素点的谱线强度包括研究波段光谱数据和非研究波段光谱数据两部分。焊接电弧光谱诊断时仅需要研究波段光谱数据，为了提高焊接电弧光谱数据采集的准确程度，需要消除焊接电弧特征谱线图像中的非研究波段光谱数据，对焊接电弧特征谱线图像进行带通滤波片研究波段修正。将焊接电弧特征谱线图像波长范围，以光谱仪的分辨率为间隔，划分为若干带通滤波片波长区间段。
(4)
式中，N为带通滤波片波长区间段的编号，取值为从1开始的整数，LB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的左边界，RB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的右边界，dλ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算。本实施例中，焊接电弧特征谱线图像波长范围划分为164个带通滤波片波长区间段。不同带通滤波片波长区间段焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i为：
(5)
式中，w i为第i个实际特征谱线波长区间段与带通滤波片光谱曲线包围的面积，本实施例带通滤波片光谱曲线如图9所示，W为带通滤波片光谱曲线与波长轴包围的面积，h(x,y)为所述焊接电弧特征谱线图像中不同位置像素点的谱线强度，φ为实际特征谱线波长范围。根据带通滤波片光谱曲线中透过率及其对应波长组成的数据集，插值获得实际特征谱线波长区间段两端点波长对应的透过率，计算第i个实际特征谱线波长区间段与带通滤波片光谱曲线包围的面积。由于在带通滤波片研究波段修正时，将所述焊接电弧特征谱线图像中每一个像素点的谱线强度按照带通滤波片波长区间段分解为N份，屏蔽实际特征谱线范围外的谱线强度，保留实际特征谱线范围内的谱线强度，从而消除非研究波段光谱数据混入有效数据中对光谱数据准确性的影响。
对于所述焊接电弧特征谱线图像中每一个像素点的经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度，为焊接电弧不同波长的弧光经对应实际特征谱线波长区间段衰减后的结果。本实施例带通滤波片光谱曲线如图9所示，由于带通滤波片的透过率随波长发生变化，因此不同波长的弧光在通过带通滤波片时的衰减程度存在显著差异，因此所述焊接电弧特征谱线图像中每一个像素点的经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度并不能真实反映焊接电弧弧光的谱线强度，需要消除带通滤波片采集失真对光谱数据准确性的影响。根据带通滤波片光谱曲线中透过率及其对应波长组成的数据集，以实际特征谱线波长区间段中心点对应的波长进行多项式插值，计算不同实际特征谱线波长区间段带通滤波片采集失真修正系数q i。带通滤波片采集失真修正系数为定值，只取决于所研究的实际特征谱线范围和带通滤波片光谱曲线。通过计算对应实际特征谱线波长区间段的焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度与带通滤波片采集失真修正系数的比值，即可获得没有衰减的焊接电弧弧光实际的谱线强度。由于带通滤波片采集失真修正系数根据所处实际特征谱线波长区间段动态调整，因此可以克服带通滤波片光谱曲线透过率随波长非线性变化导致的采集失真对谱线强度的影响。
对于在焊接电弧特征谱线图像中与二维阵列光纤对应的像素点，经特征谱线强度修正以及带通滤波片修正后，像素点修正后的谱线强度为：
(6)
式中，E(x,y)为与二维阵列光纤对应像素点修正后的谱线强度，n为实际特征谱线波长区间段的编号，e i为焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度，q i 为带通滤波片采集失真修正系数，p i为特征谱线强度修正系数。
进一步的，对于在焊接电弧特征谱线图像中没有与二维阵列光纤对应的像素点，由于焊接电弧从钨极到铝合金板材以及从电弧轴线到电弧边缘谱线强度呈现递减的规律，根据像素点与二维阵列光纤的相对位置关系，可以通过插值的方法获得相应像素点的特征谱线强度修正系数，从而得到像素点修正后的谱线强度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，包括如下步骤：
进行焊前准备，设置焊接工艺参数，进行等离子焊接，获得稳定焊接电弧，采集焊接电弧图像；
配置二维阵列光纤，调整光纤采集位置，校正光谱仪波长偏差，设置光谱仪采集参数，采集焊接电弧光谱信号；
其特征在于：还包括如下步骤：
获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线；
构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度；
采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
2.根据权利要求1所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述获取波长及谱线强度数据，采用基于聚类的局部异常因子算法训练谱线强度，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，获得完全剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
根据光谱数据排布规则，导入波长及谱线强度数据；
构建基于聚类的局部异常因子算法模型；
对谱线强度进行训练，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，得到初步剔除特征谱线的连续谱线；
识别变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置，获得完全剔除特征谱线的连续谱线。
3.根据权利要求2所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述对谱线强度进行训练，获取谱线分类标签，识别变化幅度较大的特征谱线，得到初步剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
基于聚类的局部异常因子算法模型对谱线强度进行训练，初始化谱线分类标签，训练结束后返回谱线分类标签，标签为1表示谱线强度及对应的波长属于变化幅度较大的特征谱线，标签为0表示谱线强度及对应的波长属于连续谱线以及与连续谱线相连的变化幅度较小的特征谱线；
当谱线分类标签为0时，将对应的谱线强度赋值给连续谱线强度，当谱线分类标签为1时，将NaN赋值给连续谱线强度，得到初步剔除特征谱线的连续谱线。
4.根据权利要求3所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述识别变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置，获得完全剔除特征谱线的连续谱线，具体包括：
遍历初步剔除特征谱线的连续谱线，当检测到上一个波长对应的连续谱线强度不等于0并且当前波长对应的连续谱线强度为NaN时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置，当检测到当前波长对应的连续谱线强度为NaN并且下一个波长对应的连续谱线强度不等于0时，则当前波长所处位置为第一次出现变化幅度较大的特征谱线的结束位置；继续遍历初步剔除特征谱线的连续谱线，记录所有出现变化幅度较大的特征谱线的起始位置和结束位置；
设定筛选阈值，计算当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置的间隔；若间隔小于设定的筛选阈值，则将初步剔除特征谱线的连续谱线中当前变化幅度较大的特征谱线起始位置与前一个变化幅度较大的特征谱线结束位置之间的谱线强度赋值为NaN，获得完全剔除特征谱线的连续谱线。
5.根据权利要求1所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算连续谱线强度的取值，进行背底扣除，获得扣除连续谱线的特征谱线强度，具体包括：
初始化有效连续谱线强度，由完全剔除特征谱线的连续谱线的谱线强度为有效连续谱线强度赋值；
针对未赋值的有效连续谱线强度，构建核岭回归模型，在特征谱线对应波长处估算有效连续谱线强度的取值；
进行背底扣除，用光谱仪采集的谱线强度减去有效连续谱线强度，获得扣除连续谱线的特征谱线强度。
6.根据权利要求1所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述采集焊接电弧特征谱线图像，对焊接电弧特征谱线图像进行特征谱线强度修正以及带通滤波片修正，获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度，具体包括：
使用配备带通滤波片的高速摄像机采集焊接电弧特征谱线图像；
计算实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度以及光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积的比值，获得特征谱线强度修正系数p i；
计算焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i；
根据带通滤波片光谱曲线，计算带通滤波片采集失真修正系数q i ；
获得焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度。
7.根据权利要求6所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述计算实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度以及光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积的比值，获得特征谱线强度修正系数p i，具体包括：
以光谱仪的分辨率为步长，将实际特征谱线波长范围划分为若干实际特征谱线波长区间段，表达式为：
（1）
式中，n为实际特征谱线波长区间段的编号，lb为实际特征谱线波长范围的左边界，rb为实际特征谱线波长范围的右边界，dλ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算；
计算不同实际特征谱线波长区间段内光谱仪采集的谱线强度以及扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，表达式为：
（2）
（3）
式中，S i为第i个实际特征谱线波长区间段光谱仪采集的谱线强度与波长轴包围的面积，T i为第i个实际特征谱线波长区间段扣除连续谱线的特征谱线强度与波长轴包围的面积，f(λ)为光谱仪采集的谱线强度，g(λ)为扣除连续谱线的特征谱线强度；
计算T i与S i的比值，获得特征谱线强度修正系数p i。
8.根据权利要求7所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：所述计算焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i，具体包括：
将焊接电弧特征谱线图像波长范围，以光谱仪的分辨率为间隔，划分为若干带通滤波片波长区间段，表达式为：
(4)
式中，N为带通滤波片波长区间段的编号，LB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的左边界，RB为带通滤波片采集的焊接电弧特征谱线图像波长范围的右边界，d λ为光谱仪的分辨率，round表示对数据的取整运算；
不同带通滤波片波长区间段焊接电弧特征谱线图像经带通滤波片研究波段修正后的有效谱线强度e i为：
(5)
式中，w i为第i个实际特征谱线波长区间段与带通滤波片光谱曲线包围的面积， W为带通滤波片光谱曲线与波长轴包围的面积，h(x,y)为所述焊接电弧特征谱线图像中不同位置像素点的谱线强度，φ为实际特征谱线波长范围。
9.根据权利要求8所述的使用带通滤波片所采集的焊接电弧光谱的修正方法，其特征在于：焊接电弧特征谱线图像修正后的谱线强度为：
(6)
式中，E(x,y)为修正后的谱线强度。
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