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基于卡尔曼滤波算法的光谱共焦测量精度的提升方法
Method to improve the accuracy of spectral confocal measurement based on Kalman filtering algorithm
投稿时间：2022-12-19  
DOI：10.3969/j.issn.1005-5630.2023.005.002
中文关键词:  光谱共聚焦系统  卡尔曼滤波  Voigt拟合  误差函数
英文关键词:spectral confocal system  Kalman filtering  Voigt fitting  error function
基金项目:国家重点研发计划 (2018YFC1313803)
作者单位E-mail
赵斌 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093  
毛肖肖 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093  
田申诚 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093  
曹焱 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093  
董祥美 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093  
高秀敏 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093 gxm@usst.edu.cn 
摘要点击次数: 1758
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中文摘要:
      为减少待测物体位置变化时光谱系统受到的噪声干扰以及峰值定位误差，基于卡尔曼滤波算法原理，提出一种将Voigt寻峰定位的结果作为观测误差并进行最优估计来提升共焦系统测量精度的方法。先进行标定实验，确定光谱共焦系统的测量范围及精度；再依次对比中值滤波、Savitzky-Golay滤波以及快速傅里叶变换滤波等对光谱信号去噪的处理情况，并选用高斯、洛伦兹以及Voigt拟合等方法寻峰定位。同时，分析了Voigt拟合中的峰值提取、高斯宽度、洛伦兹宽度以及幅值误差对拟合精度的影响。实验结果表明，系统的测量范围可达3 mm，中心光斑半径增大了近1.79倍，采用卡尔曼滤波算法能够降低系统中的噪声引起的定位误差且系统精度能够提升11倍，满足高精度的测量需求。
英文摘要:
      To reduce the noise interference and peak positioning error of the spectral system when the position of the object to be measured changes, based on the principle of Kalman filtering algorithm, a method is proposed to improve the measurement accuracy of the confocal system by taking the results of Voigt peak-finding and positioning as the observation error and making the optimal estimation. In this work, calibration experiments are carried out to determine the measurement range and accuracy of the spectral confocal system. Then, the denoising processing of spectral signals such as median filtering, Savitzky-Golay filtering, and fast Fourier transform filtering is compared in turn, and Gaussian, Lorentz, and Voigt fitting methods are used to find peaks. At the same time, the effects of peak extraction, Gaussian width, Lorentz width, and amplitude error on fitting accuracy in Voigt fitting are analyzed. The experimental results show that the measurement range of the system can reach 3 mm, and the radius of the central spot changes by nearly 1.79 times, The Kalman filtering algorithm can reduce the positioning error caused by noise in the system, and the system accuracy can be improved by 11 times to meet the requirements of high-precision measurement.
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