從片材的掃描測量確定cd和md的變化的制作方法
【專利摘要】本申請的系統基于使用兩種或更多掃描速度獲得的掃描測量的功率譜的頻譜分量，確定被測量的材料的掃描測量內的機器橫向（CD）變化和/或機器縱向（MD）變化。具有相同空間頻率的主要頻譜分量被用來識別CD變化，而且具有相同時間頻率的主要頻譜分量被用來識別MD變化。通過對功率譜的所有頻譜分量進行排序以形成第一有序功率譜，可以從噪聲測量的功率譜中提取主要頻譜分量。用第一多項式表示有序功率譜的背景噪聲，關于第一多項式設置第一閾值。將有序功率超過第一閾值的頻譜分量從有序功率譜中去除，以形成噪聲功率譜。用第二多項式表示功率譜中的噪聲功率譜，關于第二多項式設置第二閾值。將功率譜超過第二閾值的頻譜分量識別為功率譜的主要頻譜分量。
【專利說明】從片材的掃描測量確定CD和MD的變化
【技術領域】
[0001]本申請的發明公開了一種系統，用于確定在片材上進行掃描測量內的機器橫向(CD)的變化和/或機器縱向(MD)的變化。所公開的方法將使用兩種或更多種關于CD變化的空間頻率和關于MD變化的時間頻率的掃描速度獲得的測量功率譜進行比較。該CD和MD的變化通過匹配測量功率譜的主要頻譜分量來識別，測量采用分別關于空間和時間頻率的兩種或更多種掃描速度。將參考正在被制造的一張紙的測量屬性來描述該系統，其已經被展開并被最初使用。然而，很明顯它也適用于確定各種片材的測量的CD和/或MD變化，其中所述(多個)傳感器和所述紙頁彼此垂直移動，使得通過掃描獲得片材的測量。
【背景技術】
[0002]在制板過程中，諸如在造紙中，通常用安裝在掃描儀上的傳感器測量紙張屬性。掃描儀來回橫跨成形的紙片，同時紙片垂直于掃描儀運動的方向移動。圖1示出了局部剖開的掃描系統100的透視圖。掃描儀102沿著支撐框架移動，支撐框架包括兩個桿104，一個位于待掃描的紙張材料106之上,一個位于紙張106之下。掃描儀102包括第一和第二構件或頭部108、110，其沿著桿104往復移動，以便在機器橫向(⑶)或在制造過程中垂直于紙張移動的方向掃描紙張106。紙張材料106被移動于機器縱向(MD)或圖1所示的坐標系統的X軸指示的X方向，而且橫向方向是y方向。間隙112形成于第一和第二頭部108、110之間，待掃描的紙張材料106穿過該間隙112用于掃描操作。
[0003]紙張被沿著橫跨路徑移動的一個或多個傳感器采樣，以產生連續的測量，該測量被處理以形成在紙片寬度上的紙片屬性的掃描測量，其被稱為“掃描測量”。掃描測量包括數值的數組，其累積在稱為“數據箱”的小CD寬度上或在稱為“時間樣本”的很短時間周期內，其中之一有時可以被稱為“切片”。理想地，橫跨路徑完全垂直于機器縱向，而且整片的變化將完全被捕獲于矩陣中，在該矩陣中MD的變化由每個掃描測量的平均值表示，CD的變化由掃描測量的形狀表示。實際上，從掃描傳感器獲得的掃描測量捕獲沿對角橫跨路徑的紙片屬性變化。測量通常不能容易地分離MD和CD的變化。本申請的系統使紙片掃描測量中MD和⑶的變化能夠快速和有效地分離。
【發明內容】
[0004]本申請的系統基于使用兩種或更多種掃描速度取得的掃描測量的功率譜的頻譜分量，確定被測量的片材(例如一張紙)的掃描測量內的機器橫向(CD)變化和/或機器縱向(MD)變化。具有相同空間頻率的主要頻譜分量被用來識別CD變化，而且具有相同時間頻率的主要頻譜分量被用來識別MD變化。
[0005]根據本申請發明的一個方面，用于從片材作出的掃描測量確定CD變化的方法包括在片材上以第一掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第一掃描測量。將第一掃描測量轉換為關于第一空間頻率的第一空間功率譜，并且檢測第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量。在待測量片材上以第二掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第二掃描測量。將第二掃描測量轉換為關于第二空間頻率的第二空間功率譜，并且檢測第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量。通過確定第一空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的空間頻率，而識別掃描測量的CD頻譜分量。
[0006]該方法的第一空間頻率可以等于第二空間頻率。
[0007]該方法可以進一步包括在待測量片材上以第三掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第三掃描測量。第三掃描測量被轉換為關于第三空間頻率的第三空間功率譜。檢測第三空間功率譜的第三空間主要頻譜分量。通過確定第一空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量和第三空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的空間頻率，而識別掃描測量的CD頻譜分量。
[0008]掃描測量內的CD變化可通過使用CD頻譜分量的逆變換而構建。檢測第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量的步驟可以包括從第一空間功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成第一有序空間功率譜。第一有序空間功率譜的背景噪聲可以用第一多項式表示。第一偏差閾值可以關于第一多項式設置，并且第一有序空間功率譜的頻譜分量可以與第一偏差閾值比較。第一有序空間功率譜的超過所述第一偏差閾值的頻譜分量被從第一有序空間功率譜中去除，以形成第一噪聲空間功率譜。第一空間功率譜中的第一噪聲空間功率譜由第二多項式表示。第二偏差閾值關于第二多項式設置，第一空間功率譜的超過第二偏差閾值的頻譜分量被識別為第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量。通常，第一和第二多項式是低階多項式。
[0009]檢測第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量的步驟可以包括從第二空間功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成第二有序空間功率譜。第二有序空間功率譜的背景噪聲由第三多項式表示。第三偏差閾值關于第三多項式設置，并且第二有序空間功率譜的頻譜分量與第三偏差閾值比較。第二有序空間功率譜的超過第三偏差閾值的頻譜分量被從第二有序空間功率譜中去除，以形成第二噪聲空間功率譜。第二噪聲空間功率譜由第四多項式表示，并且第四偏差閾值關于第四多項式設置。第二空間功率譜的超過第四偏差閾值的頻譜分量被識別為第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量。
[0010]該方法可進一步包括將第一掃描測量轉換為關于第一時間頻率的第一時間功率譜。檢測第一時間功率譜的第一時間主要頻譜分量，第二掃描測量被轉換為關于第二時間頻率的第二時間功率譜。檢測第二時間功率譜的第二時間主要頻譜分量，通過確定第一時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與第二時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的時間頻率，而識別掃描測量的MD頻譜分量。該方法可以進一步包括通過CD頻譜分量的逆變換而構建掃描測量內的CD變化，以及通過MD頻譜分量的逆變換而構建掃描測量內的MD變化。
[0011]根據本申請發明的另一個方面，用于從片材作出的掃描測量確定MD變化的方法可以包括在待測量片材上以第一掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第一掃描測量。將第一掃描測量轉換為關于第一時間頻率的第一時間功率譜，并且檢測第一時間功率譜的第一時間主要頻頻譜分量。在待測量片材上以第二掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第二掃描測量。將第二掃描測量轉換為關于第二時間頻率的第二時間功率譜。檢測第二時間功率譜的第二主要頻譜分量。通過確定第一時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與第二時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的時間頻率，而識別掃描測量的MD頻譜分量。
[0012]該方法可以進一步包括通過MD頻譜分量的逆變換而構建掃描測量內的MD變化。該方法可一進一步包括將第一掃描測量轉換為關于第一空間頻率的第一空間功率譜；檢測第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量；將第二掃描測量轉換為關于第二空間頻率的第二空間功率譜；檢測第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量；以及通過確定第一空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的空間頻率，而識別掃描測量的CD頻譜分量。
[0013]該方法可以進一步包括通過MD頻譜分量的逆變換而構建掃描測量內的MD變化，以及通過CD頻譜分量的逆變換而構建掃描測量內的CD變化。
[0014]根據本申請發明的一個附加方面，用于從噪聲測量的功率譜中提取主要頻譜分量的方法可以包括從功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成第一有序功率譜；用第一多項式表示有序功率譜的背景噪聲；關于第一多項式設置第一閾值；將有序功率譜的頻譜分量與第一閾值比較；從有序功率譜中去除功率譜的超過第一閾值的頻譜分量，以形成噪聲功率譜；用第二多項式表示功率譜中的噪聲功率譜；關于第二多項式設置第二閾值；以及將功率譜的超過第二閾值的頻譜分量識別為功率譜的主要頻譜分量。第一和第二多項式是低階多項式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]根據下文的示例性實施例的描述和所附權利要求，并結合附圖，本申請發明的益處和優點對本領域的技術人員而言將變得明顯，其中:
[0016]圖1是掃描系統的局部剖開透視圖；
[0017]圖2 (a)_圖2 (C)示意性示出了使用掃描系統的兩種不同掃描速度的掃描速度圖案式樣；
[0018]圖3示出了使用以兩種不同掃描速度操作的的兩個掃描系統；
[0019]圖4示出了僅具有CD變化的仿真片材，以及在仿真片材上以兩種不同掃描速度做出的四個掃描的軌跡；
[0020]圖5示出了由使用圖4所示的具有兩種不同掃描速度的掃描所獲取的圖4仿真片材的掃描測量；
[0021]圖6是圖5的掃描測量的空間譜；
[0022]圖7示出了僅具有MD變化的仿真片材，以及在仿真片材上以兩種不同掃描速度做出的四個掃描的軌跡；
[0023]圖8示出了由使用圖7所示的具有兩種不同掃描速度的掃描所獲取的圖7仿真片材的掃描測量；
[0024]圖9是圖8的掃描測量的空間譜；
[0025]圖10是通過使用測量掃描速度被轉化為時間頻率的圖9的空間譜；
[0026]圖11是具有MD和CD變化兩者的仿真片材，以及以兩種不同掃描速度做出的掃描軌跡；
[0027]圖12示出了由使用圖7所示的具有兩種不同掃描速度的掃描所獲取的圖7仿真片材的掃描測量；
[0028]圖13是圖12的掃描測量的空間譜；
[0029]圖14是通過使用測量掃描速度被轉化為時間頻率的圖13的空間譜；
[0030]圖15圖示了掃描測量，使用本申請的方法所確定的掃描測量中的CD和MD變化，以及通過從掃描測量中去除CD和MD變化所發現的掃描測量中的背景隨機噪聲；
[0031]圖16 Ca)圖示了僅包含隨機噪聲的測量；
[0032]圖16 (b)圖不了圖16 Ca)的測量所導出的功率譜；
[0033]圖17 (a)圖示了包含若干頻率上的特定信號(或變化)以及背景隨機噪聲的測量；
[0034]圖17 (b)圖示了圖17 Ca)的測量所導出的功率譜；
[0035]圖18圖示了可含有一些主要譜的測量；
[0036]圖19圖示了圖18的測量的功率譜；
[0037]圖20示出了已經基于它們的大小下降順序排序并放置的圖19的功率譜的頻譜分量；以及
[0038]圖21圖示了從圖20的有序功率譜確定的噪聲譜，以及根據本申請一個方面確定的圖18的測量的功率譜的主要頻譜分量。
【具體實施方式】
[0039]將參考正在被制造的一張紙的測量屬性來描述本申請的系統，其已經被展開并被最初使用。在這一點上，本系統不僅可用于測量制板方法的屬性，也可以測量重繞方法、涂層機、及很多其它類似的經常進行掃描測量的方法和機器的屬性。另外，本申請的系統可用于測量分析，該測量分析是通過待測量片材和一個或多個傳感器之間的大致垂直的相對移動而獲得的，然而，該移動是受傳感器影響的。所公開的系統有效地分離掃描測量中的MD和/或CD變化。由于分離的MD和/或CD變化比已知現有技術的系統所確定的變化更精確，分離出的變化可以被用作至相應的MD和/或CD控制器的輸入，以更好地控制被測量的方法。分離的MD和/或CD變化的頻率也可以用來確定變化的根本原因。重建的MD和/或CD變化圖案式樣可能無法直接從掃描測量中識別出，如果所識別的變化被消除或基本上降低，則該重建的MD和/或CD變化圖案式樣對于確定潛在的改進是有用的工具。
[0040]因為掃描傳感器已經用于在線測量紙張屬性很多年了，已經理解到獲取自傳感器Z字形路徑的掃描測量將MD、CD和局部變化混合在一起。MD和CD變化從掃描測量的分離一直是一個挑戰。傳統上，MD變化分量已經通過對掃描測量進行平均來近似，并且CD變化分量已經通過在每個數據箱過濾隨后的掃描而被估算。近似的MD變化分量不會包含任何比掃描時間快的MD變化，并且近似的CD變化分量可能被那些更快的MD變化所污染或失真。
[0041]已經使用了一些方法來克服從掃描測量分離MD變化和⑶變化的困難。作為第一種方法，已經通過使用全寬度非掃描測量系統一起排除了所有掃描，例如參見美國專利申請號5，563，809。原理上,這是一個理想的解決方案。然而，非掃描測量系統的成本和復雜性往往超出預計從這樣的系統會獲得的益處。過去已經有一些非掃描系統被設計出來，但是對大部分而言，它們在商業上不被接受。
[0042]第二種方法更快地掃描，掃描局部區域，或與單點測量混合掃描。這些方法根據掃描速度、被掃描的區域或單個點，偏移待檢測的變化內容。然而，根本上的困難仍然是相同的。
[0043]第三種方法更頻繁地處理MD和⑶的分離，例如每5秒鐘而不是依照典型掃描時間的每20-30秒。使用更頻繁的掃描測量數據處理的這種方法提供了比掃描時間更快的MD變化估算，從而改進了 MD和CD的變化分量的分離。不幸的是，這種基于時間的估算的改進仍然不能檢測比諸如5秒的采樣時間短的MD變化。
[0044]用于從本申請片材的掃描測量中確定CD和/或MD變化的系統解決了從掃描測量分離MD變化和CD變化的困難，并且避免了現有方法的缺點。從掃描傳感器獲得的掃描測量可以由公知的傅里葉變換技術被變換至頻譜域，傅里葉變換技術是使用快速傅立葉變換(FFT)算法或離散傅立葉變換(DFT)算法實現的。用于執行FFT和DFT的各種各樣的程序是商業上可得到的，因此將不在這里對它們做出進一步描述。
[0045]當在小CD寬度即“數據箱”上進行掃描測量時，并因此以數據箱分辨率表示，空間(CD)頻率直接獲取自數據箱分辨率并且時間(MD)頻率獲取自頻譜頻率和掃描速度。例如，假設恒定的掃描速度，掃描測量的空間頻率在跨紙片寬度上以600個數據箱記錄其值，空間頻率范圍介于0.001667和0.50 (I/數據箱)之間。另一方面，相同測量的時間(MD)頻率是通過掃描速度乘以空間頻率而獲得的。例如，以30數據箱/秒的掃描速度和600數據箱分辨率獲得的掃描測量的時間頻率介于30X0.001667=0.05Hz和30X0.5=15Hz之間。
[0046]可替代地，當在較短時間段即“時間樣本”內進行掃描測量時，該時間(MD)頻率被直接導出并且空間(CD)頻率獲取自時間頻率和掃描速度。例如，在恒定掃描速度以具有20秒掃描時間的I毫秒時間樣本表不的掃描測量的時間頻率介于0.05Hz和500Hz的范圍之間。相同測量的空間(CD)頻率通過將時間頻率除以掃描速度而獲得，例如30數據箱/秒的掃描速度。相同掃描測量的空間頻率范圍介于0.05/30=0.001667和500/30=16.67 (I/數據箱)之間。
[0047]對于由持久CD變化(純CD變化)構成的片材，針對不同的掃描速度，在CD方向上關于它們的空間頻率的主要頻譜分量將不會改變，從而以兩種或更多種不同的掃描速度進行的掃描測量應當產生相同的主要空間頻譜分量。通過比較以兩種或更多種掃描速度進行的掃描測量的空間譜內容，來自不同掃描測量的主要空間頻譜分量將在相同的空間頻率被發現。主要空間頻譜分量的該重疊表示CD譜內容。因此，使用本申請的系統，掃描測量中的CD譜內容可被識別并從掃描測量分離。
[0048]另一方面，對于由持久MD變化(純MD變化)構成的片材，通過以兩種或更多種掃描速度掃描紙片而獲得的MD變化的主要頻譜分量不關于相同的空間頻率對準。然而，當掃描測量的頻譜內容關于它們的時間頻率示出時，主要時間頻譜分量將出現在相同的時間頻率，而不管掃描速度。通過關于時間頻率比較以兩種或更多種掃描速度進行的掃描測量的譜內容，可以檢測主要時間譜內容的重疊。因此，使用本申請的系統，掃描測量中的MD譜內容可以從掃描測量中被識別并分離。
[0049]在MD和⑶主要頻譜內容和它們的空間和時間頻率被識別之后，包括例如反向傅立葉變換的逆變換可以用來從每個掃描測量分離MD和CD變化分量。MD和CD主要頻譜分量和它們的空間和時間頻率可被有規律地、間歇地、或在事件驅動的基礎上被識別，同時MD和CD變化從每個掃描測量的分離可根據所需而頻繁地執行，以實現被測量方法的最佳性能。對于紙片的整個寬度或紙片的任意部分，MD和CD主要頻譜分量和它們的空間和時間頻率可以被識別，同時MD和CD變化從每個掃描測量的分離也可以相應地執行，以滿足相關聯的控制和/或診斷應用的需要。
[0050]現在將對可被執行用于操作本申請系統的一系列操作的示例進行描述，然后通過仿真的示例說明本申請中使用的基本原理，以確保對本申請系統的操作的完全理解。
[0051]1.以至少兩種掃描速度在移動的紙片上掃描至少一個傳感器，掃描速度可周期性交錯、排列成組或可以由事件驅動。圖2 (a)圖示了不同掃描速度的組，其示出了掃描速度為V1的兩個掃描與掃描速度為V2的兩個掃描交錯。圖2 (b)圖示了不同掃描速度的交替掃描，其示出了掃描速度為V1和V2的交替掃描。圖2 (c)圖示了掃描速度的隨機交替。以至少兩種掃描速度的掃描的其它設置對于本領域技術人員將是顯而易見的。例如兩個獨立的掃描儀，一個在掃描速度為V1下掃描,一個在掃描速度為V2下掃描,如圖3所不。因此，盡管本申請的系統是參照以兩種掃描速度進行掃描的單個掃描儀所描述的，但是也可以使用多于兩種掃描速度的單個掃描儀。也可使用兩個或更多掃描儀，每個掃描儀具有類似的傳感器，并且以一種、兩種或多于兩種的掃描速度掃描。
[0052]2.來自(多個)掃描傳感器的掃描測量和它們相應的掃描速度可以根據所需被記錄以用于處理掃描測量。
[0053]3.使用例如傅立葉變換，掃描測量被變換成它們相應的功率譜。
[0054]4.從記錄的變換的功率譜和它們的頻率檢測主要頻譜分量。空間(CD)頻率是基于掃描操作的數據箱分辨率，時間(MD)頻率是基于掃描操作的時間采樣頻率和掃描速度。下面將描述一種用于從噪聲測量提取主要頻譜分量的新方法。
[0055]5.在不同掃描速度的掃描測量的功率譜與它們的空間頻率進行比較或疊加以識別主要頻譜分量，其出現在兩種掃描測量中的相同空間頻率下，以識別CD頻譜分量。
[0056]6.CD變化可以使用所識別的CD頻譜分量的逆變換(例如，反向傅立葉變換)而構建。
[0057]7.在不同掃描速度的掃描測量的功率譜與它們相應的時間頻率進行比較或疊加以識別主要頻譜分量，其出現在兩種掃描中的相同時間頻率下，以識別MD頻譜分量。
[0058]8.MD變化可以使用所識別的MD頻譜分量的逆變換而構建，例如，反向傅里葉變換。
[0059]9.其余變化可以作為在MD和CD變化都從每個測量分離后的剩余變化而導出。
[0060]第一仿真示例是這樣一個示例，其中紙片僅具有⑶變化，而且使用兩種不同掃描速度(20秒掃描和25秒掃描，用于600數據箱空間分辨率，這些掃描速度分別對應于30數據箱/秒和24數據箱/秒)。僅具有CD變化的紙片以及使用兩種掃描速度進行的掃描軌跡在圖4中示出。每種掃描速度的軌跡上標有一條對角線，底部或前兩個掃描200、202(實線)為20秒掃描，以及頂部或后兩個掃描204、206 (虛線)是25秒掃描。
[0061]由圖4獲得的具有兩種不同掃描速度的掃描測量200S、202S (顯示為實線)和204S、206S (顯示為虛線)以及它們的空間頻譜被分別繪制在圖5和圖6中。分別以實線和虛線示出的來自頻譜的主要⑶頻譜分量207SS、209SS，出現在相同的空間頻率0.015處(1/數據箱)。
[0062]第二仿真示例是這樣一個示例，其中紙片僅具有MD變化，而且也是使用兩種不同掃描速度(20秒掃描和25秒掃描，用于600數據箱空間分辨率，這些掃描速度分別對應于30數據箱/秒和24數據箱/秒)。僅具有MD變化的紙片以及使用兩種掃描速度進行的掃描軌跡在圖7中示出。每種掃描速度的軌跡上標有一條對角線，底部或前兩個掃描210、212(實線)為20秒掃描，并且頂部或后兩個掃描214、216 (虛線)是25秒掃描。
[0063]由圖7獲得的具有兩種不同掃描速度的掃描測量210S、212S (顯示為實線)和214S、216S (顯示為虛線)以及它們的空間頻譜被分別繪制在圖8和圖9中。來自頻譜的主要MD頻譜分量217SS、219SS，分別示出為虛線和實線，出現在不同的空間頻率0.0053和0.0067處(I/數據箱)。
[0064]然而，通過使用如前所述的它們對應的掃描速度，將主要MD頻譜分量217SS、219SS從空間頻譜轉換到時間頻率，主要MD頻譜分量217TS、219TS出現在相同的時間頻率0.16Hz，如在圖10中分別所示為虛線和實線。
[0065]第三仿真示例是這樣一個示例,其中紙片具有⑶和MD變化兩者，而且也是使用兩種不同掃描速度(20秒掃描和25秒掃描,用于600數據箱空間分辨率,這些掃描速度分別對應于30數據箱/秒和24數據箱/秒)。具有CD和MD變化兩者的紙片以及使用兩種掃描速度進行的掃描軌跡在圖11中示出。
[0066]每種掃描速度的軌跡上標有一條對角線，底部或前兩個掃描230、232 (實線)為20秒掃描，并且頂部或后兩個掃描234、236 (虛線)是25秒掃描。由圖11獲得的具有兩種不同掃描速度的掃描測量230S、232S (實線)和234S、236S (虛線)以及它們的空間頻譜被分別繪制在圖12和圖13中。分別示出為虛線和實線的來自頻譜的主要CD頻譜分量237SS、239SS出現在相同的空間頻率0.015處(I/數據箱)。分別示出為虛線和實線的來自頻譜的主要MD頻譜分量237’ SS、239’ SS出現在不同的空間頻率0.0053和0.0067處(I/數據箱)。
[0067]當通過使用如前所述的它們對應的掃描速度，將主要⑶和MD頻譜分量237SS、239SS、237，SS、239，SS轉換到時間頻率時，MD主要頻譜分量237’ SS (虛線)、239’ SS (實線)出現在相同的時間頻率0.16Hz，并且⑶頻譜分量237SS (虛線)和239SS (實線)出現在不同的時間頻率0.36Hz和0.45Hz，如圖14所示。
[0068]因此，當從不同掃描速度獲得的掃描測量的頻譜是關于空間頻率(圖13)示出時，出現在相同空間頻率的主要頻譜分量表示CD變化分量。類似地，當從不同掃描速度獲得的掃描測量的頻譜是關于它們相應的時間頻率(圖14)示出時，出現在相同時間頻率的主要頻譜分量表示MD變化分量。該結果允許從包含CD和MD變化兩者的紙片掃描測量進行CD和MD變化的有效識別和分離。
[0069]例如，一旦圖12的掃描測量已經被如上所述所處理以識別譜域中的⑶和MD變化分量，這些變化分量可逆變換成圖15所示的⑶變化242和MD變化244。然后，⑶變化242和MD變化244可以從掃描測量移除，例如圖15所示的掃描測量230S，以便在掃描測量230S中獲得背景隨機噪聲246。⑶變化242可以被用作⑶控制器的輸入，并且MD變化244可以被用作MD控制器的輸入，以更好地控制被測量的方法。分離的CD和MD變化242、244的頻率也可以用來確定這些變化的根本原因，使得這些原因可以被解決，并由此消除或基本上減少這些變化。
[0070]如前所述，現在將描述從噪聲測量提取主要頻譜的方法。在許多現實世界的應用中，測量通常既包含有用的信號也包含背景隨機噪聲。為了實用的目的，總是存在較強的需求從其背景隨機噪聲中分離有用的信號。困難是，如何直接從測量本身區分有用信號和背景噪聲是并不明顯的。在實際中，經常使用例如傅立葉變換將測量變換到譜域中，以便有助于區分信號和背景噪聲。在譜域中，原始測量的有用信號通常顯示為一組功率譜中的主要頻譜。現在將描述一種新方法，用于從給定測量的功率譜中有效地提取主要頻譜，其可以被用在系統中而從本申請片材的掃描測量確定CD和/或MD變化。
[0071]可以將主要頻譜提取方法用于各種測量，包括但不限于通過工業儀器、研究實驗儀器、醫療設備、通信設備、和商業數字趨勢的測量，任何歷史數據系列和所有形式的數據的多維數組進行的測量。無論測量在哪里執行以及測量應用在什么上，所公開的方法有效地從它們的背景隨機噪聲中識別/分離測量中的主要頻譜分量。所提取的主要頻譜分量是無噪聲的，并可以被用來確定主要頻譜的根本原因，或重構隱藏在上面關于圖15所描述的測量中的主要變化。
[0072]功率譜分析是一種公知的工具，用于分析測量的頻譜內容。如果測量僅包含隨機噪聲，則其功率譜在所有頻率應具有均勻的幅值。如果該頻譜是不均勻的，那么肯定有少數頻譜分量大于其它的頻譜分量。這些較大的頻譜分量是給定測量中的“主要頻譜”，并且它們通常代表給定測量中的有用信號。為了分離主要頻譜，你需要精確地知道噪聲的幅值。然而，如果主要頻譜不能從測量中分離，噪聲的幅值不能被精確地估算。因此，結果是進退兩難的困境。
[0073]雖然可以比較容易地從測量的功率譜“視覺”挑選出主要頻譜，但是儀器或計算機不能直接系統地挑選出主要頻譜。主要頻譜可以發生在任何頻率并具有各種幅值。從信號的背景隨機噪聲分離主要頻譜是重要的。本申請的這一方面克服了這些問題，并使用估算和閾值設置技術使機器能夠從測量的頻譜提取主要頻譜。
[0074]假設測量為采樣數據的序列，可使用快速傅立葉變換(FFT)或離散傅立葉變換(DFT)算法獲得測量的功率譜。如果測量300僅包含如圖16 (a)所示的隨機噪聲，那么其導出的功率譜302基本均勻地分布在其整個頻率范圍內，如圖16 (b)所示。
[0075]如果測量304包含如圖17 (a)所示的一些頻率上的特定信號(或變化)，如圖17(b)所示的其功率譜306將示出那些頻率上的尖峰308。大于其余分量并且在圖17 (b)中用圓圈310標記的頻譜分量是測量中信號的“主要頻譜”。使用依據本申請的這個方面的從噪聲測量提取主要頻譜的方法，這些“主要頻譜”可被系統地提取。
[0076]現將對可被執行用于從測量提取主要頻譜或頻譜分量的一系列操作的示例進行描述，然后通過示例說明本申請中使用的基本原理，以確保對本申請主要頻譜提取方法操作的完全理解。
[0077]1.從原始功率譜以大小順序對所有頻譜分量進行排序，并保持它們的排序順序。
[0078]2.以通常是低階多項式的第一多項式近似排序的頻譜的背景噪聲。
[0079]3.識別明顯偏離第一低階多項式的異常頻譜分量。
[0080]4.從原始功率譜移除操作3中識別的異常頻譜分量。剩余頻譜分量代表原始功率譜的背景噪聲。
[0081]5.以通常是低階多項式的第二多項式近似操作4的代表原始功率譜背景噪聲的剩余頻譜分量。
[0082]6.提取明顯偏離通常是低階多項式的第二多項式的頻譜分量。所提取的頻譜分量是原始功率譜的主要頻譜分量。
[0083]從實際測量提取主要頻譜或頻譜分量的示例參考附圖18，其圖示了包含幾個主要頻譜的測量312。
[0084]圖19圖示了圖18所示的測量312的功率譜314。即使幾個主要頻譜在圖19中是視覺上顯眼的，從測量的功率譜連續識別所有滿足期望準則的主要頻譜是重要的。可以使用一個簡單的方法，即在整個頻譜上設置統一的閾值。不幸的是，這樣的統一閾值不能很好地工作，因為背景隨機噪聲可能具有在低頻范圍附近略高的頻譜。
[0085]圖20示出了圖19的頻譜分量，其已被排序并基于它們的大小以降序排列。產生的有序頻譜318的大致平坦區域316，大約從圖20的頻譜頻率0.05到頻譜頻率0.5，是代表測量的背景噪聲的頻譜區域，并且使用低階第一多項式來近似該大致平坦區域。第一閾值是關于由虛線320所示的第一多項式設置的。第一閾值可以通過選擇與第一多項式的距離而設置，例如關于頻譜分量統計分布的標準偏差σ I設置，頻譜分量包括關于其相應的第一多項式參考值的圖20的有序頻譜的大致平坦區域。目前，據信第一閾值可以是在約5σ I至IOo I的范圍內。明顯偏離第一多項式并且超過第一閾值(如圖20中的圓圈所示)的異常頻譜包括功率譜的主要頻譜分量，并且從有序頻譜中移除該異常頻譜以形成噪聲頻
-1'TfeP曰。
[0086]圖21的點所示的噪聲頻譜322用來近似原始功率譜314中的背景噪聲。如典型的那樣，低階第二多項式324的近似是由圖21所示的噪聲頻譜做出的。第二閾值326被關于第二多項式324設置，如圖21的虛線326所示。第二閾值326可以通過選擇與第二多項式324的距離而設置，例如第二閾值326可以根據由噪聲頻譜322近似的背景噪聲統計分布進行設置。圖21的虛線326設定為關于第二多項式324的背景噪聲標準偏差的3倍，3 σ 2。第二閾值326可被調整以提供本申請主要頻譜提取方法的最好結果。目前，據信第二閾值可以在約3σ 2到6σ 2的范圍內。
[0087]在圖21中，在虛線閾值326之上從而與背景噪聲或噪聲頻譜322明顯偏離的頻譜(由虛線328中的圓圈表示)被識別為功率譜內的主要頻譜。
[0088]第一和第二多項式與第一閾值和第二閾值的選擇為本申請的主要頻譜提取方法提供了調整參數。
[0089]本申請的主要頻譜提取方法可用于許多不同的應用。例如，如果原始測量是化工廠中的管道的流速，那么提取的主要頻譜分量的頻率可能與控制閥的振蕩頻率匹配，因此給出警報檢查控制閥，以查看它是否可能發生故障并需要維修或替換。
[0090]如果原始測量包含多個主要頻譜分量，例如如圖21所示，本申請的主要頻譜提取方法可用于把它們都提取出來，使得它們可被用來追蹤每個單獨的主要頻譜分量至其根本原因。根本原因可為多個不同的閥、泵、其它旋轉設備等。
[0091]當使用本申請公開的主要頻譜提取方法提取主要頻譜時，該主要頻譜可用于通過將諸如反向傅立葉變換的逆變換應用到主要頻譜從而重構其原始信號。如果消除主要頻譜，產生的重構信號可用于控制或用于估算潛在的改進。
[0092]本公開的方法易于使用并且非常有效地系統地針對廣泛多樣的測量挑選出主要頻譜。
[0093]盡管已經特別參照其中的某些示范性實施例對本申請的發明進行了描述，本發明的修改和變化均可以在所附權利要求的精神和范圍內產生。
[0094]例如,所公開的用于從片材掃描測量確定CD和/或MD變化的方法可以被應用于以兩種或更多種掃描速度掃描的單個掃描儀框架、以不同掃描速度掃描的兩個或多個掃描儀框架，其中每個掃描儀框架具有類似的傳感器，或者在每個框架上以兩種或更多種掃描速度掃描的兩個或多個框架。在每個框架上來自每個傳感器的時間分辨率(每秒采樣次數)和/或空間分辨率(數據箱數量)不必是相同的。實際上，空間分辨率被設置為相同，以保持系統更簡單。所公開的方法并不總是必須應用于整個掃描測量。相反，該方法可被應用于掃描測量的任何部分。如果所公開的方法應用于以兩種或多種掃描速度掃描的傳感器，掃描速度的順序可以以除了圖2 (a)、2 (b)和2 (C)所示之外的許多不同方式排列，圖2 (a)、2(b)和 2 (c)示出了三個不同的例子:V1、V1、V2，V2，V1、VL...(分塊)；V1、V2、V1、V2、V1...(交替)；和V1、V2、V1、V1、V2、V1、V2，V2…(隨機)。掃描測量的功率譜可通過相同掃描速度的掃描測量定期、間歇或批處理地被更新或累積。確定MD和CD頻譜分量和頻率的方法不一定完全同步于掃描測量的更新或MD和CD變化從掃描測量的分離。然而，在逆變換可應用于分離MD和CD變化之前，需要確定MD和CD頻率。MD和/或CD頻譜分量的確定可由事件觸發或由測量更新周期性地執行，但MD和CD變化從掃描測量的實際分離最有可能在掃描測量更新時被 定期地執行。
【權利要求】
1.一種用于從片材作出的掃描測量確定CD變化的方法,包括: 在待測量的片材上以第一掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第一掃描測量； 將所述第一掃描測量轉換為關于第一空間頻率的第一空間功率譜； 檢測所述第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量； 在待測量的所述片材上以第二掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第二掃描測量； 將所述第二掃描測量轉換為關于第二空間頻率的第二空間功率譜； 檢測所述第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量；以及 通過確定所述第一空間主要頻譜分量中的至少一個與所述第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量處于相同的空間頻率的主要頻譜分量，識別所述掃描測量的CD頻譜分量。
2.如權利要求1所述的方法，進一步包括: 在待測量的片材上以第三掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第三掃描測量； 將所述第三掃描測量轉換為關于第三空間頻率的第三空間功率譜； 檢測所述第三空間功率譜的第三空間主要頻譜分量；以及 通過確定所述第一空間主要頻譜分量中的至少一個與所述第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量和所述第三空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量處于相同的空間頻率的主要頻譜分量，識別所述掃描測量的CD頻譜分量。
3.如權利要求1所述的方法，進一步包括 通過所述CD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述CD變化。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述檢測所述第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量的步驟包括: 從所述第一空間功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成第一有序空間功率譜； 用第一多項式表示所述第一有序空間功率譜的背景噪聲； 關于所述第一多項式設置第一偏差閾值； 將所述第一有序空間功率譜的頻譜分量與所述第一偏差閾值比較； 將所述第一有序空間功 率譜的超過所述第一偏差閾值的頻譜分量從所述第一有序空間功率譜中去除，以形成第一噪聲空間功率譜； 用第二多項式表示所述第一空間功率譜中的所述第一噪聲空間功率譜； 關于所述第二多項式設置第二偏差閾值；以及 將所述第一空間功率譜的超過所述第二偏差閾值的頻譜分量識別為所述第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述第一多項式和第二多項式是低階多項式。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述檢測所述第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量的步驟包括: 從所述第二空間功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成第二有序空間功率譜； 用第三多項式表示所述第二有序空間功率譜的背景噪聲； 關于所述第三多項式設置第三偏差閾值；將所述第二有序空間功率譜的頻譜分量與所述第三偏差閾值比較； 將所述第二有序空間功率譜的超過所述第三偏差閾值的頻譜分量從所述第二空間功率譜中去除，以形成第二噪聲空間功率譜； 用第四多項式表示所述第二噪聲空間功率譜； 關于所述第四多項式設置第四偏差閾值；以及 將所述第二空間功率譜的超過所述第四偏差閾值的頻譜分量識別為所述第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括: 將所述第一掃描測量轉換為關于第一時間頻率的第一時間功率譜； 檢測所述第一時間功率譜的第一時間主要頻譜分量； 將所述第二掃描測量轉換為關于第二時間頻率的第二時間功率譜； 檢測所述第二時間功率譜的第二時間主要頻譜分量；以及 通過確定所述第一時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與所述第二時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的時間頻率，識別所述掃描測量的MD頻譜分量。
8.如權利要求7所述的方法，進一步包括: 通過所述CD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述CD變化，以及 通過所述MD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述MD變化。
9.一種用于從片材作出的`掃描測量確定MD變化的方法,包括: 在待測量的片材上以第一掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第一掃描測量； 將所述第一掃描測量轉換為關于第一時間頻率的第一時間功率譜； 檢測所述第一時間功率譜的第一時間主要頻譜分量； 在待測量的所述片材上以第二掃描速度掃描至少一個傳感器，以產生第二掃描測量； 將所述第二掃描測量轉換為關于第二時間掃描頻率的第二時間功率譜； 檢測所述第二時間功率譜的第二主要頻譜分量；以及 通過確定所述第一時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與所述第二時間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的時間頻率，識別所述掃描測量的MD頻譜分量。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括通過所述MD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述MD變化。
11.如權利要求9所述的方法，進一步包括: 將所述第一掃描測量轉換為關于第一空間頻率的第一空間功率譜； 檢測所述第一空間功率譜的第一空間主要頻譜分量； 將所述第二掃描測量轉換為關于第二空間頻率的第二空間功率譜； 檢測所述第二空間功率譜的第二空間主要頻譜分量；以及 通過確定所述第一空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量與所述第二空間主要頻譜分量中的至少一個主要頻譜分量具有相同的空間頻率，識別所述掃描測量的CD頻譜分量。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括:通過所述MD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述MD變化，以及 通過所述CD頻譜分量的逆變換，構建所述掃描測量內的所述CD變化。
13.一種用于從噪聲測量的功率頻譜提取主要頻譜分量的方法，包括: 從功率譜中以大小順序對所有頻譜分量進行排序，以形成有序功率譜； 用第一多項式表示所述有序功率譜的背景噪聲； 關于所述第一多項式設置第一閾值； 將所述有序功率譜的頻譜分量與所述第一閾值比較； 將所述功率譜的超過所述第一閾值的頻譜分量從所述有序功率譜中去除，以形成噪聲功率譜； 用第二多項式表示所述功率譜中的所述噪聲功率譜； 關于所述第二多項式設置第二閾值；以及 將所述功率譜的超過所述第二閾值的頻譜分量識別為所述功率譜的主要頻譜分量。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述第一和第二多項式是低階多項式。
【文檔編號】G01N21/89GK103620113SQ201280028248
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月27日 優先權日:2011年4月28日
【發明者】陳世欽 申請人:Abb技術有限公司