晶圆缺陷检测与分类的卷积神经网络
晶圆缺陷检测与分类的卷积神经网络；针对晶圆检验时扫描电镜图像的缺陷检测和缺陷分类两问题，采用了“ ZFNet”的卷积神经网络来分类晶圆缺陷，并基于该分类器实现了一种“基于块的卷积神经网络”缺陷检测算法。为了提高准确率和加快速度，又改动“更快的区域卷积神经网络”实现了另一种检测算法。第卷第期邡鑫,史峥:晶圆缺陌检测与分类的卷积神经网络ZENet classifierDarker ImIn.ril” HumpBitel检测算法示意图在训练检测器时,数据集是检测器原始尺寸的图像,且包含标记好的缺陷区域和类型。我们结构通过·系列数据扩张操作,得到组数据,随机选取相比于检测算法主作为训练集,作为测试集。要从以下三方面进行了针对性的改进算法中需要优化的参数有滑动窗口尺寸滑()针对重复计算卷积的缺点,采用先动步幅、概率阙值、面积阙值,由于无法求出统一计算特征图,再按)进行映射各参数与检测结果的明确关系式,所以采用遍历法优化参截取的办法。如图,先通过卷积网络(数。因为检测到的缺陷尽量正确和尽量检测到所有缺陷是)对输入图像计算得到其特征图,因为在输入图像矛盾的,故以精确率和召回率的调和平均值作为优上的都能映射到特征图上,所以从输入图像上按化目标,也可根据实际需要调整两者权重满足不同侧重。割取图像进行卷积运算可以替代为直接从特征图上按测试结果映射后的范围割取,从而避免多次重复计算卷积。由于用训练好的检测模型对测试集检的大小形状不·,而全连接层的神经元连接数是固定的,测,计算模式下每张图大概耗时如果检测到的缺所以对割取得到的子特征图,通过层次采样到统陷与标准答案的且类型相同,则判为正确,否尺寸以连接到全连接层。则判为错误。得到结果如表,计算得:laut Image精确率Feature Map召回率ROI其屮正确缺陷的平均表检测器测试结果数量正确错误network有缺陷(正类)图映射示意图从检测结果来看该算法基本实现∫对图像上晶圆()针对滑动窗口尺寸单·的缺点,增缺陷的检测和分类,但是值较低,缺陷检测位置不加了滑动窗口的尺寸类型,并且增加由一个全卷积网络准确,检测耗时较长,分析其原囚如下)组成的()检测出错的数据中,缺陷较大的类型易判断错,)来预判断是否有缺陷。本文采用面积缺陷较小的容易被漏掉,说明只使用一种尺寸的滑动框很分别为,长宽比分别为、共难适应尺寸变化范围较大的缺陷种尺寸的滑动窗口,依次计算其中有缺陷的概率,再从中)滑动框步幅减小则算法耗时平方倍增加,而步幅筛选出一定数量最有可能有缺陷的区域,进行非极大值抑过长造成缺陷概率分布图分辨率较差,从而检测到缺陷位制(),最后得到一定数置准确度较差量的候选区域。()相邻滑动框都有大量重叠,所以每个区域都被多()针对缺陷检测位置准确度差的缺点,次重复送入计算卷积,导致算法耗吋较长。在全连接层后连接一个边界回归层在与上述检测算法相似的图像目标检测领域,近来出用来修正缺陷位置,该回归层与分类层并列。现的很好的克服了以上缺点并取得了很好的针对本文的缺陷检测问题,直接套用标准效果,所以下面介绍如何通过改动实现品圆并不能解决问题。因为判断晶圆的缺陷类型通常需缺陷的检测与分类。要结合缺陷区域周围的图形信息,而在预判断是否有C1994-2017ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct计算机工程年月日缺陷吋还进行了边界回归。虽然更加准确的给出缺陷的位()将原尺寸为的图像调整为置,但送入检测网络的特征儿乎不包含缺陷周围图肜信息,使得滑动窗口尺寸能够适应缺陷大小的变化范围,也可以导致缺陷分类不准。故木文对标准徹了一些根据实际情况来具体调整。改动:得到缺陷检测算法如图,卷积网络(()将改为只判断滑动窗口内是否有缺陷,而,)将输入图僚转换成多种特征图;根据不进行边界回归,也就是只计算所有滑动窗口有缺陷的概特征图从滑动窗口中选出最有可能存在缺陷的率,选取可能性最大的个,做非极大值抑制,再选出层根据特征图中抽取出对应特征组成特可能性最大的个进行检测。征向量;检测网络()根据特征向()将卷积层的尺寸加大为,加大感受野量判断缺陷类型,并进行边界回归;最后通过和概率),从而在判断滑动框內是否有缺陷吋能参阈值对候选缺陷进行过滤即可得到最终缺陷。考更多的周围信息。Detection NetworkonFolutionnl actorSoftmaxRuI Puling liver,e Prop卟 edMS+PrubilitessionInput Image 1024*1024Fully 10 dyercrectCcrvchrionalLaver size 747图检测算法示意图模型训练和平均值作为优化目标,并且使用相同的训练集和图中的检测算法也是基于架构实现,因为卷测试集积网络提取的特征类型对相似普遍有效,故其卷积网络的测试结果参数是直接迁移第章分类器的卷积层参数。但是用训练好的检测模型对测试集检测,和的参数则需要通过方法进行训练,标准计算模式下每张图大概耗时,采用相同判定标准,提供了分开和联合两种训练方式。为了节约得到检测结果如表(其中负类总数与表中总数不同是因时间,本文采用联合训练方式,并结合缺陷检测问题的实为同一张图屮可能检测到多个缺陷),计算得际情况调整超参数精确率在训练时,对每张输入图像,要计算的滑动窗口召回率数量庞大(种尺寸的滑动窗口,滑动步幅)。所以从中随机抽取个作为训练集,其中正例其中正确缺陷的平均负例,且正例占比不超过。分类器采用表检测器测试结果损失函数数量正确错误在训练时,设置提供个,从中随有缺陷(正类)机选取个作为训练集,其屮正例无缺陷(负类)负例,且正例占比不超过。另外设置学从结果来看该算法各方面都优于检测算习率分类器采用损失函数,而边界回法和值更高说明检测检测缺陷类型正确归采用函数。且位置准确,而且速度也大大提高(检测一张图像耗时从为了与检测算法对比,在最后通过遍历法缩小到)。如图为检测缺陷示例,共中标注了缺陷优化和概率阈值时,同样以精确率和召回率的调位置、类型和对应概率C1994-2017ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct邡鑫,史峥:晶圆缺陷检测与分类的卷积神经网络I I图检测结果示例图结束语而对图像上的缺陷检测和缺陷分类这两个问题,本文提出的改动后的检测算法能够精准、快速地从图像中检测出缺陷并同吋进行分类。得益于卷积神经网络良好的特征学习能力,该检测算法能够根据标记好缺陷位置和类型的数据自动学习特征,从而尽量避免人工千预,使算法具有较强的适应能力。参考文献徐姗姗刘应安徐昇基于卷积神经网络的木材缺陷识别山东大学学报工学版刘云杨建滨王传旭基于卷积神经网络的苹果缺陷检测算法电子测量技术江帆刘辉王彬等基于模型的图像识别计算机工程C1994-2017ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct
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PSCAD_EMTDC与Matlab接口
PSCAD_EMTDC与Matlab接口，用PsCAD建立接口模型．启动Matlab数据引擎调用M文件，实现接口模型的参数设置。第I了期杨使,等:FCAD/ EMTDC与Maah接口研究500∠0°kV下的样本,利用接口软件所获得的数据经过计算小500∠0°kY500∠30°kvc波能量熵后,将其随机分为2个部分,一部分为训练--50 km样本,另一部分为测试样本,这样极大减轻了工作量。100 k2764k训练样本与训练的目标向量作为神经网络输入数1μF据进行网络训练,测试样本输入训练后的网络,将输壬出与期望输出进行比较,进而得到暂态识别的结果。图9500kV输电线路模型示意图利用接口软件随机产生不同工况下的单相接地ig. 9 Model of 500 kv transmission line短路和开关操作数据共1000组采用3层BP神经型,本文模型的采样频率为40kHz线路模型采用网络对2种暂态信号进行分类,取用其中的200组频率相关模型。利用文献[2所述的小波能量熵测进行网络训练,其余800组用来测试。度来识别开关操作与单相接地故障。网络设计步骤如下识别各暂态信号,采用小波能量熵提取暂态信a,构造特征向量,直接选取各暂态信号在1~16号特征,然后将其作为神经网络的输人来进行识尺度上的小波能量熵作为特征向量;别。识别过程如图10所示。b.为了便于分析,归一化处理小波能量熵电压/电流信号「训练c设计输人层神经元共16个、隐含层神经元标向量小波变换」[训练样本P-网络训练33个输出层神经元1个;d设计网络的训练函数为 trainlm,训练误差小波时频嫡和小波L构造特测试样本训练后0001。熵权的征提取征向量「识别结果下的网络通过训练和测试,利用接口与3层BP神经网络图10暂态信号识别过程综合应用,成功地实现了暂态信号的分类,其中单相Fig 10 Process of transient signal recognition短路故障的误判率为5%,开关操作的误判率为0。人工神经网络:6的训练需要大量不同工况·表1给出了部分数据及其识别结果。表1小波能量熵神经网络识别结果举例Tab. 1 An example of wavelet energy entropy nn detection类别输人数据(归一化后)期望输出实际输出测试结果03121018660.312302709021930.22410,23080.23640%881正确开关0.24120.24580.2499025370257202604026340.2663操作0.25270.254202522025189.25190.25170251402508024650.2469024710.24800.24880.2501024880247410.9622正确0.325501410019560187502064022l8023430.2441单相025250.260102662027150.2762028040.28430287000178正确短路0387701584027200.186502023021510224402204005364错误0226902322024280253602626027130278202848注:在误差允许情况下,认为大于5为1小于.5为04接口软件运用的优点对梭型进行参数]运行程序]「得到1组短路电设置短路电阴为进行仿真阻为0时的数据通过对以上2个仿真实例的分析,对所研究的图11传统软件获取一组数据的示意图接口软件的运用有了更深入的了解。应用传统的仿Fig 11 Data group access of traditional software真软件获取数据,对于每一种工况的实验都需要对1组数据的示意图,此时短路电阻为0。如果要完成模型的参数以及仿真的条件进行重新设置,这样,做述10种不同工况的仿真就需要等待短路电阻为个大数据量的仿真实验,大部分的时间都将消耗0的仿真数据获取以后,修改模型参数,再进行实在重复的点击工作和等待上,工作效率不高;而这里验即要顺次进行图11的流程10次,才能达到最终所研究的接口软件与传统的仿真软件相比,最大的的目的。如果要获取1000组数据,那么就要顺次重优点就是可以一次获取大量不同工况下的数据,对复图1l的流程1000次,工作量之大,耗费时间之不同的工况进行伤真实验,只需要编写相应的M文长可想而知。传统仿真软件的这种缺点也迫切的需件,数据将实现自动获取极大解放了人的劳动。获要研究一种能实现数据自动获取的新型软件。取文中用于BP神经网络算法的1000组实验数据,图12是这里所研究的接口软件获取数据的示使用所研究的接口软件将带来很大的方便,下面以发意图。可知,对于单相短路故障时电阻由0~900g生单相短路故障时短路电阻分别为0、100、200、变化的仿真,只要编写相应的M文件,使电阻按照300400,500600、700、8009009的10种工况为需要变化,就可以实现数据的自动获取,在M文件例来说明应用本文接口软件的优点中,还可以设置电阻为0不变时,在不同的时刻发生图11是利用传统的仿真软件获取一种工况下故障,这样,通过设置,就可以实现仿真一次获取电力自动化设各第27卷电阻为0的数据and its application[J]. Electric Power Automation Equipment编写M文件运行程序进行仿分段电阻为10的数据2006,26(11):67-70使电阻按照真得到10种不[7]朱瑜,梁旭,闵勇,基于 PSCAD/ EMTDC的高压直流输电线路保合要变化同电阻时的数据」读出护仿真研究].现代电力2006,23(2):35-38电阻为909的数据ZHU Yu, LIANG Xu, MIN Yong Simulation of line protection of图12接口软件获取数据示意图HVDC transmission based on PSCAD/EMTDC[J ] ModernFig 12 DataElectric Power, 2006, 23(2): 35-388]张志酒.精通 Matlab65版[M].北京:北京航空航天大学出版个系统数据文件,它包含了所需要的不同工况下的杜,2003所有数据。接口软件由于要调用 Matlab的M文件[9韩笑,徐曦陈卓平.基干 Matlab与VB数据交换的继电保护仿而占用了更多的CPU时间,但由于仿真的过程中不真[J电力自动化设备,2006,26(5)92-95需要对模型参数作任何修改,编写适合的M文件HAN XiaO, XU Xi, CHEN Zhuo- ping. Protection simulation后,程序自动运行,数据文件自动存储,研究人员可based on data exchange between Matlab and VB[J].Electric利用程序运行的时间去做其他研究工作,这样就不Power Automation Equipment, 2006, 26(5): 2-95会像应用传统的仿真软件那样,把时间浪费在点击10许允之刘吴冯字等.Mulb在电力系统仿真实验中的应用[丁.实验技术与昏理,2007,24(1):103-105,125和等待上,大幅提高了研究人员的工作效率。XU Yun-zhi, U Hao, FENG Yu,ct al. The application of the5结论Matlab in the power system simulation experiments[J]. Experimental Technology and Management, 2007, 24(1): 103-105, 125.对学习与研究传统的继电保护算法以及新型的11.钟2,赵华,BCAD围MmDC程序与M言接口的研究电力智能算法而言,能方便、快捷地产生多种工况数据的ZHONG Bo, ZHAO Hua- jun. Study on PSCAD/EMTDC仿真软件是至关重要的。这里所研究的接口软件能Matlab interface[J]. Guangdong Electric Power, 2005, 18(8):1-3减少仿真时间,提高仿真效率,有助于研究者更好地12】何正友陈小勤.基于多尺度能量统计和小波能量嫡测度的电研究电力系统的规律。力暂态信号识别方法[J].中国电机工程学报,2006,26(10)这里所述的接口软件能对不同工况的故障进行仿真与分析。它能一次产生数以万计的不同工况的HE Zheng-you, CHEN Xiao-qin. A study of electric数据。此软件具有较好的解耦性:对于不同的电力system transient signala identification method based on模型以及不同的分析算法,都不需要进行大的改动,scales energy statistic and wavelet energy entropy[]. Proceedinge of the CSEE, 2006, 26(10>: 33-39甚至不必修改。[I3]李洪,王晟.基于小波包和神经网络的电力输电线故障诊断研小波能量熵与BP神经网络在暂态识别上确实究[].数据采集与处理,2004(4);16有较好的性能,但也存在误判的情况。此算法仍然L Hong, WANG Sheng. Fauit diagmosis in power transmission需要研究者的进一步分析研究。line based on wavelet packets and neural network approach[J]. Jourmal of Data Acquisition Processing, 2004(4): 1-6.参岩文献[14]杜选高明峰.人工神经网络在数字识别中的应用].计算机系统应用,2007(2):2127]吴天明,谢小竹,彭彬,等. Matlab电力系统设计与仿真!M].北京:国防工业出版社,2004[2]李广觊,李庚银.电力系统仿真软件综述电气鬼于教学学报,2005,27(3):61-65Applications, 2007(2): 21.2LI Guang-kai, LI Geng-yin. The summary of power system simu15]张亚軍,刘志刚,张大渡.一种基于多神经网络的组合负荷预lation software[J]. Journal of Electrieal Electronic Engineering测模型[J,电网技术,2006,30(21)21-25Education42005,27(3):61-65ZHANG Ya-jun, LIU Zhi-gang, ZHANG Da-bo. A combination[3]KEZUNOVIC M, CHEM Q Novel approach for interactive protectionload forecasting model based on multinetworks[JIsystem simulation [J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1997Power System Technology, 2006, 30( 21>: 21-2512(2):668674矗任编辑:李玲)[4] ZHANG Nan, KEZUNOVIC M. Implementing an advanced simulalion tool for comprehensive fault analysia[J]. IEEE on Trans作者简介mission and distribution conference and exhibition .2055.15杨健牟(1983-),女,辽宁凌源人,硕士研究生,主要研究(18):1-6.方向为电力系统继电保护(E·mai: yangjlanwei0910@163[5]林良真,叶林,电磁暂态分析软件包 PSCAD/EMTDC[J.电网技术,200,24(1):65-65麦瑞坤(1980-),男,广东东莞人,博士研究生,主要研究LiN Lipng-zhen, YE Lin. An introduction to PSCAD/EMTDCEJIPower System Technology, 2000,24(1):65-66领战为电力系統故障诊断中信号处理和信息理论的应用、新6]肖异,尹项根,张哲等 PSCAD/EMTDC程序与继电保护仿真模型线路保护理接口技术及应用[J].电力自动化设备,2006,26(11):67-70何正友(1970-),男,四川自貢人,教授,博士研究生导师XAOY, YIN Xiang-g=n, ZHANG Zhe et al. Interface technique主要从事馆号处理和信息理论在电力系統故障诊嘶中的应between PSCAD/ EMTDC and relay protection simulation model用、新型继电保护原理、配电网自动化等方向的研究工作。第27卷第11期电力动化设备Vol27 No 112007年11月Electric Power Automation EyuipmentNy.2007种新的适合分布安装的消弧线圈唐轶,陈庆(中国矿业大学信电学院,江苏徐州221008)摘要;可自恢复性单相接地故障点的电弧是否能自然熜灭的决定因素是接地故障残流的大小。以降低单相接地故障点的残流为出发点,从理论上分析了谐振接地系统残流产生的原因:消弧线自动跟踪补偿只能有效地降低零序回路的无功电流,不能降低零序回路的有功电流。通过仿真计算得出结论:消弧线圈分布安装是降低谐振接地系统接地故障点残流有功分量的有效方法。针对我因6kⅤ和10k中压配电网一般均为Δ接线,无辅助中性点供消孤线图接入的特点,设计了一种新颖的消弧线图。该消弧线图为三相五柱电抗器结构,通过调节两边柱的气隙大小改变补偿电流的大小,结枘简单,适合于分布安装。实验室试验证明其补偿电感线性度好、补偿效果好。关键词:消弧线團;单相接地故障;中性点接地中图分类号;TM55文献标识码:A文章编号:1006-6047(2007)11-0087-04地故障电弧自行熄灭、故障自恢复为原则的。因此0引言消弧线圈的安装、运行应该以使接地故障点的残流配电网故障的80%左右为单相接地故障1。尽量小为目标。单相接地故障中的绝大多数为可自恢复的故障,尤不管是城市电网还是农村电网,用电负荷都在急其是自然条件差(台风、雷电频繁)的架空线电网需剧增加,电网的结构及规樸在不断扩大;城镇电网的要分断电路处理的永久性单相接地故障更是极少改造中,电缆网络正在逐渐取代架空线路;过去采用数。因此,从提高供电可靠性考虑,我国中压配电单电源的辐射式供电或树状供电方式,已不能满足用网绝大多数采用小电流接地方式。小电流接地电网电负荷增长的要求,而需要采用网孔形或环形等供电中,单相接地故障相当大一部分为可自恢复的故障。方式;这些因素都使其单相接地故障电流急剧增加可自恢复性单相接地故障点的电弧是否能自然熄灭单体大容量自动跟踪补偿消孤线圈被局。当的决定因素是接地故座残流的大小:残流小,有利于消弧线图的单体容量不能满足补偿电网接地电流的电弧过零时媳灭;残流小,电弧对介质绝缘的破坏程要求时在同一电网安装2台或多台自动跟踪补偿度低有利于故障点绝缘介质的恢复使电弧不易重弧线圈的也有之。实际上,消弧线圈只能减少接燃:残流小,也有利于降低故障相恢复电压的初始速地故障电流的无功分量,即脱谐度只是单相接地残度,使电弧不易重燃。小电流接地方式是以单相接流中无功分量大小的决定因素。即使采用自动跟踪补偿的方法来实现理想调谐,使接地电流中的无功收稿日期:2006-11-16;修回日期:2007-03-30分量几乎为零后,零序回路的有功损耗电流仍然不Interface between PSCAD/EMTDC and MatlabYANG Jian-wei, MAI Rui-kun, HE Zheng-youof elng, Southwest Jiaotong University, Chengdu 61003Abstract. Theen PsCad emtdc and matlaTo make ththe electromagnetic transient analysis program PSCAD/EMTDC and the math model software packageMatlab, the interface model is built using PSCAD and its parameters are set by calling the M filesing the data engine of Matlab. Massive data under different conditions could be accessed via thisinterface once it runs. An application example of power transmission line is analyzed. Data got viathe interface are processed in segments and sent to BP neural network to detect single -phaserounding fault from switch operations. Simulation results point out that this interface softwarefacilitates the acquisition of massive dataThe project is supported by National Natural Science Foundation of Ching(50407009)and DistinguishedScholars Fund of Sichuan Province(06ZQ026-012)Key words: PSCAD/EMTDC; Matlab; BP neural networkPSCAD/ EMTDC与Mat1ab接口研究旧WANFANG DATA文献链接作者:杨健维,麦瑞坤,何正友, YANG Jian-wei, MAI Rui-kun, HE Zheng-you作者单位:西南交通大学,电气工程学院,四川,成都,610031刊名:电力自动化设备 TICEIPKU英文刊名:ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT年,卷(期)2007,27(11)被引用次数1次参考文献(15条1.KEZUNOVIC M; CHEM Q Novel approach for interactive protection system simulation 1997(02)2.李广凯;李庚银电力系统仿真软件综述[期刊论文]电气电子教学学报2005(03)3.吴天明;谢小竹;彭彬 Matlab电力系统设计与仿真2004.韩笑;徐曦;陈卓平基于 Matlab与ⅦB数据交换的继电保护仿真[期刊论文]电力自动化设备2006(05)5.张志涌精通 Matlab6.5版20036.朱瑜;梁旭;闵勇基于 PSCAD/ EMTDC的高压直流输电线路保护仿真研究[期刊论文]现代电力2006(02)7.张亚军;刘志刚;张大波一种基于多神经网络的组合负荷预测模型[期刊论文]电网技术2006(21)8.杜选;高明峰人工神经网络在数字识别中的应用[期刊论文]计算机系统应用2007(02)9.李洪;王晟基于小波包和神经网络的电力输电线故障诊断硏究[期刊论文]数据采集与处理2004(04)10.何正友;陈小勤基于多尺度能量统计和小波能量熵测度的电力暂态信号识别方法[期刊论文]中国电机工程学报2006(10)11.钟波;赵华军 PSCAD/EMTDC程序与 Matlab语言接口的研究[期刊论文]广东电力2005(08)12.许允之;刘昊;冯宇 Matlab在电力系统仿真实验中的应用[期刊论文]实验技术与管理2007(01)13.肖异;尹项根;张哲 PSCAD/ EMTDO程序与继电保护仿真模型接口技术及应用[期刊论文]电力自动化设备2006(11)14.林良真;叶林电磁暂态分析软件包 PSCAD/EMTDC[期刊论文]电网技术2000(01)15. ZHANG Nan; KEZUNOVIC M Implementing an advanced simulation tool for comprehensive fault analysis2005(18)引证文献(1条)王朕.朱琳.温渤婴基于 PSCAD的继电保护电压电流发生器的硏制[期刊论文]电力自动化设备2010(8)本文链接http://d.g.wanfangdata.com.cn/periodiCaldlzdhsb200711021.aspx
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