The present invention discloses a method for liquid level estimation of silicon melt based on set member estimation particle filter theory. The liquid level observation data obtained by laser triangulation method are filtered. The bounded set of particles is constructed by set member estimation theory, and then particles are extracted from bounded set by Gauss distribution, so that the distribution of particles is closer to the ideal posterior distribution. Finally, the cost function is used to advance particles. Real liquid level of silicon melt can be effectively estimated by resampling. The method does not need any prior knowledge of noise distribution function, and can estimate liquid level without knowing the process and measurement noise, so as to improve the robustness of detection of liquid level of silicon melt. The invention solves the problem of unknown noise statistical characteristics in the measurement data of silicon molten liquid level in the prior art and difficult to estimate the real liquid level.
【技术实现步骤摘要】
基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法
本专利技术属于非接触式高温熔液液位检测
,具体涉及一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法。
技术介绍
以单晶炉为主要设备的直拉法生产单晶硅,是集成电路材料中最主要的制备方法之一。在直拉硅单晶的过程中,随着晶体不断地生长,坩埚内硅熔液逐渐减少,液位会不断地下降。硅熔液液位的下降会影响热场的温度梯度分布和固液界面在热场中的位置,必须通过提升坩埚以保持硅熔液液位在热场中不变。由于熔融硅处于高温、密封的单晶炉中,不能对其液位进行直接测量。因此采用激光三角法对其进行间接测量,即通过安装在炉体一侧的激光发射器发射一束线激光,利用另外一侧的CCD相机进行接收,然后根据相机中激光光斑的位置变化推出液面位置的变化。因为单晶炉工作的过程中存在大量的机械运动、化学变化以及硅熔液内部的对流运动等因素,使得测量的液位信号中存在大量无法获取准确统计特性分布的噪声,难以估计硅熔液的真实液位。随着低纳米线距集成电路的要求不断提高,对硅熔液液面位置提出更为苛刻的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法,解决了现有技术中存在的硅熔液液位测量数据中噪声统计特性未知,难以估计真实液位的问题。本专利技术所采用的技术方案是,一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法,具体按照以下步骤实施:步骤1、激光发射器和CCD摄像机分别安装于单晶炉炉盖的两侧的圆形窗口,通过线状激光发射器发射形状为直线的激光光束,在CCD摄像机接收由液面反射的激光光束,采集激光光斑图像;在对CCD摄像机采集的激光光 ...
【技术保护点】
1.一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、激光发射器和CCD摄像机分别安装于单晶炉炉盖的两侧的圆形窗口,通过线状激光发射器发射形状为直线的激光光束,在CCD摄像机接收由液面反射的激光光束,采集激光光斑图像;在对CCD摄像机采集的激光光斑图像进行处理之后,得到每帧图像中光斑的形心纵坐标作为激光光斑的纵坐标yk,即作为液位的观测数据,即滤波器的观测变量;步骤2、根据运动学的原理建立硅熔液液位的数学模型,得到液位对象的动力学状态空间表达式;步骤3、利用集员估计理论,通过预测和更新两个步骤构造出一个包含真实液位状态的有界椭球集合;步骤4、以集合中心为均值,以集合形状参数为方差,使用高斯分布从有界集合中抽取一定数量的粒子,通过测量数据和抽取的粒子计算得到的测量值作差构造代价函数,根据代价函数的大小对每个粒子进行权值计算,依据权值的大小对粒子重采样,输出最优估计值;步骤5、最后对滤波后的数据使用移动加权平均法进行平滑,平滑后的结果即为得到的硅熔液液位的估计值。
【技术特征摘要】
1.一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、激光发射器和CCD摄像机分别安装于单晶炉炉盖的两侧的圆形窗口,通过线状激光发射器发射形状为直线的激光光束,在CCD摄像机接收由液面反射的激光光束,采集激光光斑图像;在对CCD摄像机采集的激光光斑图像进行处理之后,得到每帧图像中光斑的形心纵坐标作为激光光斑的纵坐标yk,即作为液位的观测数据,即滤波器的观测变量;步骤2、根据运动学的原理建立硅熔液液位的数学模型,得到液位对象的动力学状态空间表达式;步骤3、利用集员估计理论,通过预测和更新两个步骤构造出一个包含真实液位状态的有界椭球集合;步骤4、以集合中心为均值,以集合形状参数为方差,使用高斯分布从有界集合中抽取一定数量的粒子,通过测量数据和抽取的粒子计算得到的测量值作差构造代价函数,根据代价函数的大小对每个粒子进行权值计算,依据权值的大小对粒子重采样,输出最优估计值;步骤5、最后对滤波后的数据使用移动加权平均法进行平滑,平滑后的结果即为得到的硅熔液液位的估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于集员估计粒子滤波理论的硅熔液液位估计方法,其特征在于,所述步骤2具体按照以下步骤实施:步骤2.1、定义激光光斑纵坐标的真实值xk为状态变量,对观测数据进行滤波,首先建立对象的数学模型,由于液位的移动是由控制系统决定的,所以激光光斑纵坐标的运动轨迹是一个被扰动的直线随机加速运动,加速度由控制系统给定,现根据运动学原理将液位的运动方程写为:式中,xk为k时刻的激光光斑纵坐标的真实值,vk为k时刻的激光光斑移动速度,ak为k时刻的激光光斑移动加速度,vk和ak分别由液位的移动速度和加速度决定,Δt为采样时间;步骤2.2、定义状态变量xk=[xk,νk]T,将液位模型写为:式中,uk-1=ak-1,wk和vk分别为统计特性未知的过程噪声和测量噪声,定义观测方程的观测矩阵为C=[1,0]。3.根据权利要求...
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