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Oct 4, 2025更新

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示例1

名称:一种基于边缘计算的工业能耗预测与优化平台(支持本地隐私与实时调度)

技术领域
本发明涉及工业互联网与能源管理技术领域,具体涉及一种基于边缘计算的工业能耗预测与优化平台,兼具本地隐私保护、联邦学习与实时调度能力,适用于多设备、多工艺、多时变电价环境下的工业能耗预测与优化控制。

背景技术
现有工业能耗管理系统多依赖中心化数据汇聚与云侧建模,存在如下技术问题:
1. 时效性不足:中心化推理与调度环节在网络抖动或带宽受限条件下难以保证毫秒至秒级的决策响应,不满足电价快速波动、需求响应与工况扰动下的实时控制需求。
2. 隐私与合规风险:生产过程参数、设备状态及订单计划等数据具有商业敏感性。中心化汇聚易引发数据外泄风险,且难以满足对数据本地化处理、最小必要传输与可审计性的合规要求。
3. 异构性与可用性问题:工业现场设备类型多样、协议各异,设备能力跨度大。单一云侧模型难以适配各工厂/产线的差异化负载、工艺约束与工况变化。
4. 鲁棒性不足:网络中断或云服务不可用时,系统常失去预测与调度能力,影响生产连续性与能耗控制目标。

综上,需要一种在边缘侧完成数据处理、预测建模与优化决策的技术方案,通过联邦学习实现跨场景知识迁移,同时提供差分隐私与安全聚合等机制,实现对隐私的实质性保护与对实时调度的工程级保障。

发明内容
一、发明目的
本发明旨在提供一种基于边缘计算的工业能耗预测与优化平台,实现:
- 在边缘侧完成能耗预测、工况识别与调度优化,满足实时性要求;
- 通过联邦学习、安全聚合与差分隐私实现本地隐私保护与跨场景泛化;
- 在网络异常或云侧不可用场景下保持核心功能的自治运行;
- 面向多设备、多工况的鲁棒适配与可验证执行。

二、技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下平台系统与方法。

(一)系统总体架构
平台包括:
1. 设备层:工业设备与传感器,用于提供电功率、转速、阀位、压力、温湿度、订单节拍、状态码等数据,并通过执行器实现启停、设定值调整、负荷切换等控制。
2. 边缘节点:配置有处理器、存储器、加密模块(可选可信执行环境)、时间同步模块与工业协议适配模块。边缘节点承载数据采集与清洗、特征工程、局部预测模型训练与推理、隐私保护处理、优化与实时调度执行。
3. 联邦协调服务(可云可本地集群):负责模型聚合、全局超参数下发、模型版本管理与安全审计,不接触原始生产数据。
4. 通信与安全层:提供工业协议网关(如Modbus、OPC UA、IEC 104等)、消息中间件(如MQTT/AMQP)、端到端加密传输(TLS 1.3或同等强度)、双向认证与证书管理。
5. 运维与审计模块:提供策略配置、模型/调度版本回滚、隐私预算管理、日志与可追溯审计。

(二)方法流程
方法包括如下步骤:
S1 数据本地采集与预处理:边缘节点以配置周期采集设备层数据,执行去噪、时间对齐、异常值处理与特征构造(包含时序滞后、滑动统计、日内/周内周期、工艺状态编码与气象/电价外生变量映射)。
S2 本地预测建模与推理:在边缘侧训练/微调时序预测模型(如基于梯度提升、时序卷积或长短时记忆网络的模型),输出短期(如5–15分钟)与中期(如2–24小时)能耗预测及其不确定性估计。
S3 隐私保护与联邦学习:将本地模型梯度或参数更新经差分隐私扰动(按设定隐私预算)后,采用安全聚合协议上报至联邦协调服务,服务端仅对加密/分片后的参数进行聚合并下发全局模型。
S4 优化建模:依据预测结果、设备与工艺约束、生产计划、电价与需求响应信号,构建调度优化模型,目标包括但不限于能耗成本最小化、峰值削减、碳排放约束满足与设备切换成本抑制。
S5 实时调度求解与下发:边缘节点采用滚动时域优化策略,使用混合整数线性规划或模型预测控制求解器进行快速优化,输出设备启停、设定值与功率分配等控制指令,经安全通道下发执行。
S6 反馈校正与异常处置:执行反馈闭环采集,进行模型与策略的在线校正;对设备拒动、越界或网络异常触发降级策略与安全停机逻辑。

(三)关键机制与参数
1. 联邦学习与安全聚合:
- 客户端更新:在边缘节点以小批量数据本地迭代若干轮,形成模型增量;
- 安全聚合:采用加法秘密共享或同等强度协议,使协调服务在未知单点更新值的情况下完成求和聚合;
- 差分隐私:对上传更新施加噪声,隐私预算参数可配置(例如ε在合理范围内由合规策略定义),并在联邦轮次中进行预算消耗与审计;
- 模型版本与回滚:协调服务维护全局模型版本号,支持边缘节点平滑切换与回滚。
2. 优化与实时调度:
- 目标函数构成:包含能耗成本(基于时变电价/需量费)、需求响应激励/罚金、计划偏离惩罚、设备切换与磨损成本;
- 约束集:设备功率上下限、爬坡速率、最小开停机时间、工艺安全边界(温度/压力/品质指标)、储能功率与荷电状态约束、舒适/品质区间、并行资源与维护窗口、用电合同容量上限;
- 滚动时域:定义预测时域与控制时域,采用热启动与解保存机制提升求解时效;
- 降级策略:在算力紧张或求解超时触发时,切换至启发式或规则库策略,确保安全可行解。
3. 本地隐私与安全:
- 数据不出边界:原始生产数据、明文特征与控制回路均限制在边缘节点或厂内网络;
- 端到端加密与双向认证:调用控制与模型更新接口采用强加密通道与证书绑定;
- 可信执行环境(可选):在具备TEE的硬件上封装敏感参数与密钥操作;
- 审计与可追溯:对模型训练、聚合、调度下发与人工干预建立不可篡改日志。
4. 鲁棒性与可用性:
- 网络容错:联邦协调服务不可达不影响本地预测与调度功能;
- 设备容错:对离线设备进行虚拟隔离,保持模型可行域动态收缩;
- 时间同步:通过PPS/NTP保障边缘节点与设备时钟一致性,避免调度错位。

(四)装置形态
本发明还提供一种计算机装置与存储介质:
- 装置包括处理器与存储器,存储器中存有指令,所述指令在处理器执行时实现上述S1至S6的步骤。
- 非暂态计算机可读存储介质,存储有用于执行本发明方法的程序。

三、有益效果
与现有技术相比,本发明至少具有以下技术效果:
1. 实时性提升:预测与优化计算在边缘侧完成,减少网络往返延迟,满足工业场景对秒级乃至子秒级控制响应的要求(取决于设备与求解规模)。
2. 隐私保护与合规:通过本地化处理、差分隐私与安全聚合,避免上传原始生产数据,实现对敏感数据的最小化暴露与可审计管理。
3. 泛化与个性化兼顾:联邦学习兼顾跨工厂知识迁移与本地工况自适应,提高模型适配性与预测准确性。
4. 鲁棒性与可用性:在网络异常或云服务不可用情况下保持独立运行,并提供可行的降级控制策略。
5. 工程可落地:统一的工业协议适配、热启动优化与版本回滚机制,便于在多设备、多工艺的复杂现场部署与维护。

附图说明
为更清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,附图示意如下(不以比例绘制):
图1 为本发明平台总体架构示意图;
图2 为边缘侧数据处理、预测与联邦学习流程示意图;
图3 为滚动时域优化与实时调度时序示意图;
图4 为联邦学习安全聚合与差分隐私处理的交互序列图;
图5 为典型工业单元(如压缩空气系统、工业HVAC、电炉)受控对象与约束关系示意图。

具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明,应当理解,这些实施例用于解释而非限定本发明保护范围。

实施例一:边缘侧预测建模
- 数据接入:通过OPC UA采集设备实时功率、设定值、状态;通过MQTT接收电价、需求响应与气象预测;统一时间戳至毫秒级精度。
- 特征工程:构造过去若干采样点的滞后功率与滑动统计量,编码日内时段与班次,融合订单节拍与工艺状态机输出,剔除异常值并进行缺失值插补。
- 模型结构:在不违反资源约束的前提下采用轻量化时序网络(如一维时间卷积或梯度提升树);输出点预测与区间宽度,区间宽度用于优化中的风险惩罚。
- 在线学习与漂移检测:使用滑动窗口进行本地增量训练,结合分布漂移检测(如基于KL散度阈值或概念漂移指标)触发模型重训与特征再选择。

实施例二:联邦学习与隐私保护
- 客户端更新:边缘节点完成E轮本地训练,裁剪梯度范数以限制敏感度;
- 差分隐私:对上传参数增量添加高斯噪声,隐私预算ε、δ由策略文件管理,并按轮次累计与重置规则执行;
- 安全聚合:各客户端将更新分片并加密后传输,协调服务仅解出聚合和,无法反推任一客户端增量;
- 稳定性提升:采用加权聚合(权重与有效样本量、更新稳定性相关),并配置失步/掉线客户端的容错比例;
- 合规与审计:记录联邦轮次、参与节点、预算消耗与模型版本,支持审计导出与策略回放。

实施例三:优化建模与实时调度
- 决策变量:设备开关状态、功率/设定值、储能充放电、可转移/可中断负载的起止时刻与功率曲线。
- 目标函数:在预测期内最小化总成本,成本包含能耗费用、峰值需量罚金、与生产计划偏差惩罚、切换/磨损成本及风险项(由预测不确定性加权)。
- 约束条件:设备物理界限与爬坡速率、最小启停时间、工艺质量范围(温度/湿度/压力等)、储能能量平衡与效率、合同容量上限与费用段、需求响应事件窗口与事前/事后约束。
- 求解与时序:采用滚动时域优化,预测时域H(例如几十至上百个离散时间步),控制时域h(例如1–5个时间步);使用预热解、割平面与启发式初解提升求解速度;在超时阈值触发时输出当前最优已知可行解。
- 安全与执行:对控制指令进行原子性下发与回执校验;基于设备状态实现闭环校正;若设备拒动或越限,立即退回到安全工况并收缩可行域重新求解。

实施例四:典型场景适配
- 压缩空气系统:根据气罐压力与预测用气负载分配多台压缩机的启停与负荷,约束最小开停机时间与效率曲线,结合分时电价实现错峰运行。
- 工业HVAC:以送回风温湿度与预测热湿负荷为基础,优化冷机、冷冻泵与风机的协同控制,满足舒适/工艺范围与设备限值,约束冷机启停频次。
- 电炉生产:依据订单排程与电炉加热曲线,优化加热阶段功率曲线与并行炉次的错峰,遵循电极升降速率与安全温度约束。

实施例五:系统安全与运维
- 安全:TLS 1.3 加密与双向证书认证;密钥存储于安全模块或可信执行环境;对控制平面与数据平面实施最小权限访问控制。
- 运维:支持远程策略/模型灰度发布与回滚;提供可视化审计报表,覆盖联邦轮次、隐私预算、调度执行统计、越限/异常事件。
- 异常与应急:网络中断时,联邦功能暂停但本地预测与调度不受影响;硬件故障触发冗余节点接管;出现连续不可行解时切换为保守策略(如按最大安全边界运行)。

实施例六:硬件与性能边界
- 边缘节点为工业级计算设备,具备宽温、抗震与电磁兼容特性;在目标场景下保证优化求解与推理在规定时限内完成(具体时限依据设备规模与约束复杂度在部署时参数化设定),并通过求解降级与热启动确保实用性。

工业实用性
本发明可广泛应用于制造业、过程工业、数据中心、公用工程系统等场景,在保障数据本地化与隐私安全的前提下,实现能耗预测、成本与峰值优化、需求响应协同及生产连续性保障,具备显著的工程可实施性与推广价值。

权利要求保护意向说明
为支持权利要求撰写,本发明的保护客体包括但不限于:
- 一种基于边缘计算的能耗预测与优化方法,包含数据本地处理、联邦学习与差分隐私、安全聚合、滚动时域优化与实时调度各步骤的有机组合;
- 一种实现上述方法的系统/装置,包括边缘节点、联邦协调服务、通信与安全层及运维审计模块的结构性限定;
- 一种存储介质,存储用于执行上述方法的程序指令。

上述实施例并不限定本发明的保护范围。本领域技术人员在不脱离本发明精神与实质的前提下所作的等同变换与替换,均应落入本发明的保护范围内。

示例2

Title
Automotive-Grade Millimeter-Wave Radar Fusion Localization System with Temporal Filtering and Vehicle–Cloud Cooperative Processing

Technical Field
The disclosure relates to vehicular localization systems. More particularly, it pertains to automotive-grade localization utilizing millimeter-wave (mmWave) radar in combination with other sensors and map priors, incorporating temporal filtering algorithms and coordinated processing between on-vehicle and cloud resources.

Background
Conventional vehicle localization typically relies on Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and inertial measurement units (IMUs), sometimes combined with camera- or LiDAR-based map matching. These approaches may degrade in urban canyons, tunnels, sensor-occluded environments, adverse weather, or feature-sparse regions. Millimeter-wave radar sensors operating, for example, in the 76–81 GHz band can provide robust perception under rain, fog, or dust. However, radar-based localization faces challenges including multipath, specular returns, lower angular resolution relative to LiDAR, and clutter.

Existing radar localization approaches often employ single-frame detections or pairwise scan matching susceptible to transient outliers and non-Gaussian noise. Processing and storage constraints on embedded automotive platforms further limit the complexity of on-vehicle algorithms. Moreover, maintaining up-to-date priors (e.g., reflectivity maps or landmark catalogs) benefits from fleet-scale aggregation and curation that are difficult to perform exclusively on-vehicle.

Accordingly, there is a need for an automotive-grade system that (i) fuses mmWave radar with other sensors and map priors, (ii) employs temporal filtering tailored to radar phenomenology and asynchronous sensor timing, and (iii) distributes computation and data management between in-vehicle and cloud components to achieve robust, real-time localization under automotive constraints.

Summary
In one aspect, disclosed is a system comprising: (a) one or more automotive-grade mmWave radar sensors; (b) an IMU and optional GNSS receiver; (c) an electronic control unit (ECU) configured for real-time, on-vehicle multi-sensor fusion utilizing a temporal filtering algorithm; and (d) a cloud service configured to generate, validate, and distribute radar-centric map priors and to perform fleet-scale optimization. The system provides robust vehicle pose estimates by fusing radar detections (e.g., range–Doppler–angle points or radar power images) with inertial and optional GNSS data, subject to temporal alignment and outlier-robust filtering. The cloud service and the ECU cooperate to adapt priors and parameters, to trigger selective uplink of low-confidence segments, and to return updated models and map tiles.

In some embodiments, the temporal filtering algorithm includes a delayed-state estimator or a smoothing-based factor graph that accommodates asynchronous timestamped measurements, includes Doppler-informed motion constraints between successive radar frames, and applies outlier-robust association gating. In further embodiments, the vehicle–cloud interface uses confidence measures and change-detection heuristics to govern bandwidth usage. The system is implementable with automotive-grade hardware, communication interfaces, and safety lifecycle processes.

Advantages can include improved localization availability and accuracy during GNSS degradation, resilience to adverse weather, reduced drift during IMU-only intervals through Doppler-constrained temporal smoothing, and reduced on-vehicle computational burden through selective cloud offloading and curated priors.

Definitions
- “Automotive-grade” refers to components, design, and processes suitable for integration into road vehicles, including operating temperature ranges typically from about −40°C to about +105°C at the module level, electromagnetic compatibility per applicable standards, and functional safety lifecycle processes consistent with ISO 26262 for the intended Automotive Safety Integrity Level (ASIL).
- “mmWave radar” refers to frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar devices operating, for example, within 76–81 GHz bands, subject to applicable regional spectrum regulations.
- “Temporal filtering” refers to algorithms that estimate vehicle state over time using probabilistic models with explicit handling of time, including filters (e.g., Kalman variants, particle filters) and smoothers (e.g., factor-graph optimization).
- “Cloud” refers to remote computing resources accessible via a network and includes edge servers.

Brief Description of the Drawings
Fig. 1 shows an example system architecture including sensors, on-vehicle fusion module, and cloud cooperation.
Fig. 2 illustrates a data flow for radar signal processing to produce detections and radar power images.
Fig. 3 depicts a temporal filtering pipeline, including time synchronization, measurement modeling, gating, and smoothing.
Fig. 4 shows a factor graph representing vehicle states with IMU preintegration, radar Doppler constraints, GNSS factors, and map factors.
Fig. 5 illustrates cloud-based prior generation and update, including map tile management and confidence feedback to vehicles.
Fig. 6 outlines an example method for confidence-triggered selective uplink and cloud return of updated priors.

Detailed Description of Embodiments

I. System Overview
A vehicle includes:
- One or more mmWave FMCW radar sensors configured for azimuth and, in some embodiments, elevation estimation using multiple-input multiple-output (MIMO) arrays. The radar operates, for example, within 76–81 GHz and produces per-frame detections comprising range, radial velocity (Doppler), and angle(s), with associated signal-to-noise or covariance estimates.
- An IMU providing tri-axial accelerometer and gyroscope data at a higher rate than radar frames. Optional sensors include a GNSS receiver, wheel-speed sensors, odometry from powertrain control modules, and cameras or LiDAR for complementary data.
- An ECU that executes fusion algorithms in real-time, using a temporal filtering pipeline. The ECU is communicatively coupled to vehicle networks (e.g., CAN FD and automotive Ethernet) and to external networks (e.g., cellular) for cloud connectivity.
- A cloud service that maintains radar-centric map priors (e.g., reflectivity or occupancy tiles, landmark catalogs, and pose graphs), performs fleet-scale optimization and change detection, and provides over-the-air (OTA) updates to vehicles.

II. Radar Processing and Measurement Models
A. Signal Processing
Each radar sensor performs chirp-level processing (e.g., range FFT, Doppler FFT) and angle estimation (e.g., beamforming or super-resolution techniques). Post-detection processing optionally includes:
- Constant false alarm rate (CFAR) detection with adaptive noise floor estimation.
- Clustering of detections into static and dynamic subsets using Doppler and temporal consistency.
- Formation of radar power images or occupancy grids by aggregating power returns into ego-stabilized cells.

B. Ego-Motion Compensation
Between successive radar frames, ego-motion is estimated using IMU preintegration and, if available, wheel odometry, to transform detections into a common frame for temporal correlation.

C. Measurement Models
The fusion pipeline uses measurement functions:
- Point-level radar factors: z_r,k = h_r(x_k, m) + v_k, where x_k is vehicle pose/velocity at time k, m are map parameters (if used), and v_k is noise with possibly non-Gaussian characteristics.
- Doppler motion factors between frames: v_r,k ≈ n_k·(R(θ_k)·v_k) + ε_k, where n_k denotes radial direction and R(θ_k) is rotation into radar frame.
- Map correlation factors: correlation between ego-stabilized radar power images and a radar reflectivity prior tile yields a scalar score modeled as a likelihood.

III. Temporal Filtering
A. Time Synchronization
Measurements are timestamped and aligned to a common clock. The filter accommodates asynchronous arrivals with a buffering horizon ΔT allowing out-of-sequence updates.

B. Estimator Structure
In one embodiment, the ECU executes a fixed-lag smoother implemented as a factor graph with sliding window length L (e.g., 2–10 s):
- States include position, orientation, linear velocity, IMU bias terms.
- Factors include: (i) IMU preintegration factors linking consecutive states; (ii) radar Doppler constraints capturing short-horizon motion; (iii) radar–map correlation factors when a prior is available; and (iv) GNSS pseudorange/velocity factors when valid.
- Nonlinear least-squares optimization (e.g., Gauss–Newton) is performed with robust loss functions (e.g., Huber or Cauchy) to mitigate outliers.

In alternative embodiments, an invariant extended Kalman filter or a Rao–Blackwellized particle filter is employed, wherein pose is represented on SE(3) and Doppler observations constrain velocity hypotheses.

C. Outlier Handling and Gating
- Statistical gating is applied using predicted innovation covariance; general likelihood ratio tests filter spurious detections.
- Multi-hypothesis association is optionally maintained for ambiguous static-scene correspondences, pruned via hypothesis scoring over lag L.

D. Confidence Quantification
The ECU computes covariance metrics (e.g., marginal pose covariance) and performance indicators (e.g., normalized innovation squared statistics, correlation scores). Confidence governs both application-level use and vehicle–cloud messaging.

IV. Vehicle–Cloud Cooperative Processing
A. Priors and Tiles
The cloud maintains geographically indexed tiles containing radar-centric priors, such as reflectivity grids and landmark probability distributions. Tiles are versioned and include quality metadata.

B. Fleet-Scale Optimization
The cloud aggregates uploaded segments tagged by low confidence or change indicators. Batch optimization refines map priors and resolves inter-vehicle alignment using robust pose graph optimization with loop closures. Dynamic objects are suppressed via temporal consistency filters.

C. Selective Uplink and OTA Downlink
- Trigger policy: The ECU uploads compressed radar power images or lightweight descriptors, IMU summaries, and provisional poses when (i) confidence drops below a threshold, (ii) correlation against current tile is poor, or (iii) geofenced updates are requested.
- Compression: Descriptors may include low-rank features or learned embeddings to reduce bandwidth.
- The cloud returns updated priors or parameter sets. ECU verifies authenticity and integrity and applies updates via an OTA mechanism conforming to vehicle cybersecurity policies.

V. Automotive Considerations
- Environmental: Components are selected and designed for automotive temperature ranges and vibration environments, with electromagnetic compatibility per applicable standards.
- Functional safety: The system is developed under a functional safety process consistent with ISO 26262 appropriate to the function’s ASIL allocation. The safety concept may include degraded modes (e.g., IMU-only with conservative vehicle functions) upon confidence loss.
- Networking: On-vehicle communications utilize, for example, CAN FD for control and automotive Ethernet (optionally with time-sensitive networking) for high-throughput sensor and map data.
- Security: Uplink and downlink communications are authenticated and encrypted; data is access-controlled per security policies.

VI. Example Method (On-Vehicle)
1. Acquire IMU data at a first rate and radar frames at a lower rate; timestamp all data.
2. Preintegrate IMU between filter updates; predict vehicle state.
3. Process radar frames to obtain detections and, optionally, a radar power image; classify static vs dynamic returns.
4. Associate detections or power images to current map priors when available; compute correlation scores.
5. Update the temporal filter with radar Doppler constraints, map correlation factors, and GNSS factors if valid; perform fixed-lag smoothing with robust losses.
6. Compute pose estimate and covariance; output to vehicle subsystems and record confidence metrics.
7. If confidence below threshold or change detected, compress and upload a segment to the cloud; otherwise, continue local operation.
8. Receive updated map tiles or parameters from the cloud; validate and apply; purge superseded tiles.

VII. Example Cloud Workflow
1. Receive uploaded segments with provisional poses and confidence tags.
2. Perform quality control, reject corrupted or low-information data.
3. Optimize a regional pose graph aggregating multiple vehicles; update reflectivity/occupancy priors while suppressing dynamic artifacts.
4. Validate updated tiles; increment version and sign.
5. Notify vehicles in the affected region to fetch updated tiles; provide delta updates where feasible.

VIII. Implementation Variants
- Sensor configurations: Single front radar; multiple corner and long-range radars; combinations thereof.
- Map priors: Radar-only; radar plus lane-level semantics; probabilistic landmarks derived from persistent radar scatterers.
- Temporal filters: Fixed-lag smoothers; multi-rate Kalman filters; particle filters; hybrid schemes.
- Communication policies: Periodic background synchronization vs strictly event-triggered uploads; integration with V2X roadside units for local edge processing.

IX. Non-Limiting Examples of Parameters
- Radar band: approximately 76–81 GHz, subject to regional regulation.
- Sliding window: approximately 2–10 s depending on compute budget.
- Upload trigger: covariance trace exceeding a threshold; correlation score below a threshold; GNSS dilution of precision above a threshold; or map version mismatch.
- Robust loss: Huber with a tuning constant selected based on empirical radar noise characteristics.

X. Industrial Applicability
The disclosed system is applicable to passenger vehicles, commercial trucks, and autonomous platforms requiring robust localization under diverse environmental conditions, with the ability to scale accuracy through fleet-cooperative map maintenance and to manage computational resources via vehicle–cloud partitioning.

Legal Notes and Claim Construction
- The terms “comprise,” “comprising,” “include,” and “including” are used in an open-ended, non-limiting sense.
- The order of steps in method claims (if any) is not limiting unless expressly stated.
- Features described in connection with one embodiment are combinable with other embodiments unless context dictates otherwise.
- Ranges recited herein are intended to include all subranges and individual values within the stated endpoints.

While specific embodiments have been described to enable practice by a person of ordinary skill in the art, variations and modifications within the scope of the appended claims (if presented) will be apparent. The disclosure is intended to satisfy enablement and written description requirements by providing sufficient structure, examples, and alternatives for the recited subject matter.

示例3

标题:可调谐微型光谱传感器及其信号处理与校准方法

技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域,具体涉及一种采用可调谐窄带光学元件与单像素/小型探测器实现的微型光谱传感器,以及与之配套的信号处理与校准方法。该发明适用于便携式、多传感器集成及嵌入式光谱分析场景,包括但不限于环境监测、食品与农业检测、过程分析与质量控制等。

背景技术
现有微型光谱仪通常采用衍射光栅与线阵探测器的分光结构,器件体积与功耗难以进一步缩减,且在强烈机械振动、温度漂移及散射光干扰条件下,稳定性受限。另一方面,基于可调谐滤光器(例如微机电系统MEMS法布里-珀罗干涉腔、液晶可调谐滤光器LCTF或声光可调谐滤光器AOTF)的单像素扫描式光谱传感器,具有结构紧凑、成本低、可集成度高等优势,但在实际应用中面临以下问题:
1. 波长-驱动映射的非线性与温度依赖性造成谱位偏移与分辨率退化;
2. 探测器暗电流、增益漂移与非均匀性导致辐射定标不稳定;
3. 调谐过程中通带形状随驱动与环境变化发生变化,谱仪线形(Instrument Line Shape, ILS)不恒定;
4. 由于器件尺寸与光学布局限制,杂散光与多级反射引入的光谱串扰提升了重构谱的偏差;
5. 工厂标定与现场复核成本较高,长期稳定性与可追溯性欠佳。

因此,亟需一种在结构、驱动控制、信号处理与校准策略上协同设计的可调谐微型光谱传感器系统,以实现体积小、功耗低、抗漂移强、易标定且可溯源的光谱测量能力。

发明内容
本发明提供一种可调谐微型光谱传感器及其信号处理与校准方法,包括:
1. 光学-机电一体化结构:包括入射光学、准直与限光组件、可调谐窄带滤光器(优选MEMS法布里-珀罗干涉腔,亦可为LCTF或AOTF)、次级阶次抑制滤光片、光电探测器(单像素或小型阵列)、参考光路与温度传感器。
2. 驱动与控制:采用闭环或半闭环的调谐控制策略,通过容值/位移读出或光学参考信号实现谱位稳定;利用微振幅抖动与同步解调提升信噪比。
3. 信号处理:包括同步采样、暗电流与本底扣除、增益与非线性校正、波长映射线性化、按波长栅格的采样重排、基于仪器响应矩阵的去卷积与杂散光校正、正则化光谱重构与噪声估计、辐射定标与动态范围扩展。
4. 标定体系:提出工厂标定、现场快速复核与自校准三层级策略;通过标准光源/单色仪/气体吸收谱标尺建立波长与辐射可追溯性;采用正则化的逆问题求解获得稳定的仪器响应逆矩阵,并存储于非易失存储器中;通过内置参考发光器件与温度探头进行实时漂移补偿。
5. 数据完整性与可追溯性:在存储介质记录标定版本、系数有效期、环境条件与不确定度预算;通过校验码防篡改。

与现有技术相比,本发明至少具备如下有益效果:
- 在小体积与低功耗约束下,实现高稳定谱位控制与可溯源的波长/辐射定标;
- 引入仪器线形建模、杂散光矩阵校正及正则化重构,提高在复杂光场与低信噪比条件下的光谱准确性;
- 通过温度补偿、闭环调谐与参考通道,实现长期漂移抑制;
- 实施三层级标定流程,降低维护成本并提升现场可用性。

附图说明
图1为本发明可调谐微型光谱传感器的总体结构示意图。
图2为可调谐滤光器(以MEMS法布里-珀罗为例)的结构与驱动示意图。
图3为调谐扫描与同步采样的时序示意图。
图4为信号处理与光谱重构算法流程图。
图5为工厂标定流程示意图,包括波长标定、辐射定标与杂散光建模。
图6为杂散光响应矩阵建模方法示意图。
图7为温度漂移补偿与波长映射线性化示意图。
图8为典型重构光谱与参考光谱的对比示意图。

具体实施方式
一、装置总体结构
在一个优选实施例中,装置包括:
- 入射光学与限光:入瞳与狭缝/光阑用于定义光束角度与通光量;微透镜实现准直或近轴准直。
- 可调谐滤光器:优选采用MEMS法布里-珀罗干涉腔(上下高反射膜间距可变),其有效通带宽度在若干纳米量级(具体数值依设计确定)。为抑制高阶透射,设置阶次抑制滤光片。
- 光电探测器:硅或铟镓砷等材料的光电二极管;可为单像素器件,亦可为小型阵列以实现并行测量或参考通道构建。
- 参考光路:可包括内置参考发光二极管(中心波长稳定、具有温度补偿)及光路耦合,用于现场快速复核波长与响应。
- 温度与环境传感:温度传感器布设于可调谐滤光器与探测器附近;必要时增设湿度与加速度传感,用于环境扰动补偿。
- 模拟前端与数模转换:跨阻放大器(含可编程增益)、低噪声滤波与高分辨模数转换;为调谐器件提供高分辨数模转换与驱动波形。
- 控制与存储:微控制器或SoC管理扫描、采集与算法处理;非易失存储器存储标定系数、版本与校验码;接口包括I2C/SPI/UART等。

二、调谐与扫描控制
- 波长驱动:通过控制MEMS腔距(如静电驱动)改变谐振波长,采用分段线性或多项式电压-波长映射,配合实时温度项补偿。
- 闭环/半闭环稳定:可利用电容位移读出或参考光谱线获得反馈,减少温度与老化引起的漂移。
- 同步抖动与锁相:在目标腔距叠加微小正弦抖动,使用同步解调提升有效信噪比并估计局部斜率以辅助闭环。
- 扫描策略:采用往返扫描与重采样策略降低滞后与迟滞误差;支持多增益/多积分时间的高动态范围(HDR)采样。

三、信号处理流程
在不限制本发明范围的前提下,信号处理可包括下列步骤:
1. 原始信号预处理
- 同步采样与去抖:按调谐时序的相位点采集电信号,进行数字锁相放大或等效带通滤波;对每个波长驻留时间内的样本进行稳健平均。
- 暗电流与本底扣除:在光路遮挡或离线测得暗电流模型下扣除暗信号;考虑温度与积分时间依赖性。
- 增益与非线性校正:对跨阻放大器与ADC的增益、偏置及非线性进行校正;必要时采用分段查表。
2. 波长映射与重采样
- 波长映射:建立驱动变量(电压/位移/相位)至波长的函数λ=f(u,T),其中T为温度。该函数在工厂标定中得到初始估计,并在现场通过参考光源微调。
- 格点化与插值:将不等间隔的采样点重采样至等间隔波长栅格,采用保持谱线形的插值方法(如基于仪器线形感知的重采样)。
3. 仪器线形与杂散光校正
- 线形建模:用窄线宽单色光源测得不同波长处的系统线形,得到随波长变化的ILS核h(λ; λ0)。
- 杂散光矩阵:采用窄带扫频与遮挡试验构建杂散光响应矩阵S,表征非理想透射、反射和散射引起的非对角耦合。
4. 光谱重构(正则化逆问题)
- 响应模型:测量向量y≈H x + n,其中H为卷积ILS与杂散光矩阵叠加形成的仪器响应矩阵,x为待求真谱,n为噪声。
- 正则化求解:采用Tikhonov或总变差(TV)正则,求解
  x̂ = argmin_x ||H x − y||_2^2 + α||L x||_2^2,
  其中L为平滑或梯度算子;α通过广义交叉验证(GCV)或L曲线选取。
- 约束条件:可引入非负约束与谱稀疏先验,提高稳定性并抑制物理不合理解。
5. 辐射定标与不确定度估计
- 相对与绝对定标:使用可追溯标准光源建立响应函数R(λ)并进行平场/非均匀性校正;必要时用积分球确保入瞳均匀照明。
- HDR合成:对不同增益/积分时间的谱段进行曝光补偿与稳健融合,扩展动态范围。
- 噪声与不确定度:基于残差统计与系统噪声模型估算标准不确定度u(λ);在输出元数据中记录。
6. 漂移与温度补偿
- 温度项:在λ=f(u,T)与R(λ,T)中引入温度项与交叉项;利用内置温度传感器实时修正。
- 参考通道:周期性测量参考发光器件或外部标准,估计并修正慢变漂移。

四、校准方法
A. 工厂校准(可追溯性建立)
- 波长标定:使用单色仪或已知谱线的标准灯/气体吸收池,在多温度点采样,拟合λ=f(u,T);建立残差界限与有效温度范围。
- 仪器线形与杂散光:在选定波长处,用近似δ函数的窄带源测定ILS;通过遮挡、阶次抑制过滤片与角度扫描构建S矩阵。
- 辐射定标:采用可追溯标准辐射源(经校准的积分球、黑体或光谱辐照度标准灯),测得响应R(λ)并进行平场校正。
- 逆算子构建:计算稳定的广义逆K,用于在线重构x̂≈K y;K可通过预设α与L求得,并按温度分区存储。
- 数据打包:将λ映射参数、R(λ)、ILS核、S矩阵、K、温度模型与不确定度预算写入只读或受保护区,并附带版本与校验码。
B. 现场快速复核
- 参考LED/激光线定位:在不同温度下测量参考线位置,更新λ映射中的零点与一阶项。
- 响应漂移校正:测量参考源强度,更新增益与偏置;对R(λ)做比例微调。
- 自检:执行暗电流、噪声底与线形一致性检查;若超出阈值,标记需要工厂复标。
C. 自校准(可选)
- 通过内置参考源与封装内反射标准进行周期性自校,维持短期稳定性。
- 利用环境传感数据,更新温度/湿度补偿模型的参数。

五、软件与数据完整性
- 标定数据管理:包括版本控制、适用温度/湿度范围、有效期与撤销机制;更新过程采用原子写与CRC校验。
- 处理流水线:在固件或上位机实现可配置的算法链路,并提供只读审计日志,记录每次测量的参数集。

六、实施例
实施例1(MEMS法布里-珀罗单像素扫描)
- 光学:入瞳直径数毫米量级,准直微透镜,MEMS FP腔配合阶次抑制滤光片,硅光电二极管。
- 扫描:在目标波段内分段线性电压扫描,驻留时间依据信噪比自适应分配;叠加小幅抖动并进行锁相解调。
- 标定:使用单色仪建立λ=f(u,T);以积分球标准灯建立R(λ);基于窄带源与遮挡构建S;求得K并写入存储。
- 在线:根据温度与参考LED反馈修正λ与R,采用K进行谱重构并输出不确定度。
实施例2(小阵列探测器与并行参考)
- 在主通道旁设置窄带参考通道与温度校正通道,用于快速估计漂移并闭环调整主扫描。
- 在光谱变化平滑场景采用子采样与预测插值,降低功耗。
实施例3(AOTF/LCTF替代)
- 用AOTF或LCTF替代MEMS FP,在响应模型与校准流程中相应调整ILS与温度项;其余流程等同。

七、术语说明
- 仪器线形(ILS):系统对窄线宽输入的响应函数,反映分辨率与卷积核形状。
- 杂散光矩阵(S):描述理想带通之外的能量耦合,含由散射、反射与阶次泄漏引入的非对角项。
- 正则化算子(L):实施平滑或先验约束的线性算子,例如一阶差分矩阵。

八、工业实用性
本发明的装置与方法能够在紧凑封装和低功耗条件下提供稳定、可溯源且可维护的光谱测量能力,适用于批量制造与多场景部署。通过分层校准与在线自检机制,降低全寿命周期的维护成本,具备显著的工业应用价值。

以上说明书实施方式用于阐释本发明的技术原理与实现路径,所属领域技术人员可在不背离本发明精神与权利要求保护范围的情况下,对结构形式、算法细节与参数选择作出等效替换或变型。处理与校准中的具体数值、阈值与步长可根据目标波段、器件材料与应用需求进行合理设定。输出的不确定度与可追溯性信息应按照适用的计量与质量管理要求进行记录与维护。

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