CN103630584B

CN103630584B - 一种脉冲弛豫信号时域拐点提取方法

Info

Publication number: CN103630584B
Application number: CN201310486085.4A
Authority: CN
Inventors: 田师一; 兰余; 吕佳佳; 麦文镇; 邓少平
Original assignee: Hainan Yedao Group Co ltd; Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Hainan Yedao Group Co ltd; Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103630584A

Abstract

本发明属于食品测量技术领域，公开了一种脉冲弛豫信号时域拐点提取方法，包括：对采集到的脉冲弛豫信号进行分段、平滑处理，去除噪音，重建信号，得到平滑后的脉冲弛豫信号；对平滑后的脉冲弛豫信号进行归一化，实现脉冲弛豫信号的预处理；对经过预处理的脉冲弛豫信号按照一定角度的旋转，得到旋转后的脉冲弛豫信号；找出经过旋转后脉冲弛豫信号的最大值，记录下脉冲弛豫信号最大值所在的位置；对旋转后的脉冲弛豫信号进行反旋转处理，得到新的脉冲弛豫信号；根据记录下的最大值所在位置点得到拐点 I。本发明方法能够有效提高脉冲时域特征提取效率和准确性。

Description

一种脉冲弛豫信号时域拐点提取方法

技术领域

本发明属于食品测量技术领域，涉及信号的分析处理技术，具体地说是一种脉冲弛豫信号拐点提取方法。

背景技术

在现代食品科学中，食品感官科学已经越来越受到人们的重视，虽然现在人类食品感官的发展越发迅猛和成熟，但是大部分的感官实验结果还是严重的受到主观因素的影响。而本发明中的脉冲弛豫信号就是通过使用模拟人类味觉器官的电子舌设备进行测量的，通过检测食品溶液的氧化还原能力，电极吸附能力来反应该食品溶液的特性，为食品感官科学的发展增加了强大的动力。

目前，在脉冲弛豫信号处理和信号的拐点提取方面主要应用的方法和技术有：求导法、变号法和平滑滤波等，其中平滑滤波是对脉冲弛豫信号做预处理的技术方法，而求导法和变号法是提取脉冲弛豫信号拐点的常用方法。

求导法、变号法都是根据分段得到的脉冲弛豫信号的最值来确定提取脉冲拐点的取值范围，其中求导法是根据二次求导获取极值来确定脉冲拐点，变号法则是连续求相邻信号点的差值，根据差值的变号得到脉冲信号拐点。这两种方法虽然能够基本确定脉冲弛豫信号的拐点，但是脉冲弛豫信号数据量比较大，在用这两种方法提取拐点时，会影响提取的速率和软件的效率。

平滑滤波就是利用移动平均法对信号做平滑处理，不过，所选取的平滑阈值未必能适用所有的脉冲弛豫信号，如果阈值偏小，去噪的效果就不明显，如果阈值偏大，则会损失部分有用信息。所以，找寻最适当的平滑阈值，使用平滑滤波对信号进行去噪处理，使得拐点提取达到更好的效果。

发明内容

本发明目的是针对现有技术中所存在的上述不足，提供一种适用于脉冲弛豫信号拐点提取的方法，以便达到更好的拐点提取效果。为此，本发明采用如下的技术方案。

一种脉冲弛豫信号时域拐点提取方法，对脉冲弛豫信号，在不同的频率下，按照激发频率和激发电压步进设定频率系数、周期系数来确定一个周期的脉冲信号。然后，分别找出周期脉冲信号的波峰值M1和波谷值M2，再根据M1和M2往回取一定数量（N）的信号点分别作为充电区间和放电区间。然后从充电和放电区间信号中提取拐点。

具体包括下列步骤：

1)对采集到的脉冲弛豫信号按不同采样频率进行分段；

2）对不同频率段的信号的各周期信号进行拐点提取；该步中，对单个周期信号提取拐点的方法如下：

a.按采样频率设定放电充电系数；

b.在充电信号和放电信号上根据最值得到提取拐点的信号区间，即充电区间信号和放电区间信号；

c.对得到的充电和放电区间信号进行平滑滤波处理，去除噪声，得到平滑后的充电和放电区间信号；

d.对平滑后的充电和放电区间信号进行归一化处理，实现充电和放电区间信号的预处理；

e.对经过预处理的充电和放电区间信号坐标轴，以原点为中心，按照一定角度的旋转，得到旋转后的充电和放电区间信号，能增加拐点I提取的精确性；

f.找出经过旋转后充电和放电区间信号的最值，记录下充电和放电区间信号最值的纵坐标大小；

g.将记录下最值的纵坐标大小进行反旋转处理，根据反旋转后的最值纵坐标大小在最初的充电和放电区间归一化信号中得到拐点的位置（即第几个点是拐点）；

h.根据在充电和放电归一化信号中标记的拐点位置，在最初的充电和放电区间平滑信号中得到需要提取的拐点值I。

在本发明的技术方案中，脉冲弛豫信号采集的是检测食品溶液不同电势下的电化学信号。在采集过程中，脉冲弛豫信号会受到食品溶液成分、电极等因素的干扰，会混入不同类型的噪声，因此，在对脉冲弛豫信号进行拐点提取之前适宜对噪声进行平滑处理，除去一定的噪声干扰，再提取脉冲弛豫信号的拐点I。

步骤c所述的平滑滤波处理，优选采用移动平均法，对脉冲弛豫信号进行平滑滤波，重建脉冲弛豫信号。平滑滤波在适当去除一定的信号噪声的同时又不丢失信号的整体信息，更加利于对拐点的提取，

移动平均法平滑滤波具体按照下列方法进行：

c-1.从第一个脉冲电流值开始到最后一个脉冲电流值结束。

c-2.每次对向后遍历n个脉冲电流值求取平均值，以此来作为新的脉冲电流值。

c-3.使用平均后的脉冲电流值组合成新的脉冲弛豫信号。

其中n为阈值，优选为5。

步骤d所述的归一化处理，具体过程可参照如下进行：

d-1.获取信号区间的最大值Q_max和最小值Q_min；

d-2.遍历信号区间的脉冲电流值Q_value，根据Q_max和Q_min,获得归一化后的脉冲电流值Q_value1,计算公式如下：

Q_value1=(Q_value-Q_min)/(Q_max-Q_min)

d-3.经过归一化处理后的充电和放电区间信号，使横纵坐标数值从物理***数值的绝对值变成一种相对值关系，为后续的旋转做好准备。

此发明所说的脉冲弛豫信号拐点提取方法，使用平滑滤波对脉冲弛豫信号进行预处理，并根据脉冲弛豫信号的特点使用了分段法确定拐点的范围，再结合对信号进行归一化、旋转、反旋转的处理，不仅提高了拐点提取效率，更大大增加了准确性。

附图说明

图1为一种脉冲弛豫信号的原始信号。

图2为图1所示脉冲弛豫信号中一种频率的频率信号。

图3为图2所示脉冲弛豫信号的单个周期的周期信号。

图4为脉冲弛豫信号单个周期内充电区间、放电区间信号，其中(a)为充电区间信号，（b)为放电区间信号。

图5为充电区间、放电区间信号经平滑滤波处理后的平滑信号，其中（a）为充电区间平滑信号，（b）为放电区间平滑信号。

图6为经归一化处理后的充电区间、放电区间信号，其中（a）为为充电区间归一化信号，（b）为放电区间归一化信号。

图7为经旋转的充电区间、放电区间信号,其中（a)为充电区间旋转信号，（b)为放电区间旋转信号。

图8为标志了最值（“o”）的充电区间和放电区间旋转信号，其中（a）为标志了最值（“o”）的充电区间旋转信号，（b）为标志了最值（“o”）的放电区间旋转信号。

图9为标记了拐点I（“o”）的充电区间和放电区间归一化信号，其中（a）标记了拐点I（“o”）的充电区间归一化信号，（b）为标记了拐点I（“o”）的放电区间归一化信号。

图10为标记了拐点I（“o”）的充电区间和放电区间平滑信号，其中（a）为拐点I（“o”）的充电区间平滑信号，（b）为拐点I（“o”）的放电区间平滑信号。

图11为标记了拐点I（“o”）的频率信号。

图12为标记了拐点I（“o”）的脉冲弛豫信号。

具体实施方式

为了便于对本发明的理解，首先介绍一下各种脉冲弛豫参数含义，主要分为充电区间信号参数和放电区间信号参数，这些参数如图1（c）所示：

1.充电区间信号参数：

1）起波：在脉冲弛豫信号中开始到信号突然上升之间的信号段就是起波，此时电位脉冲信号维持在0V，食品溶液中没有任何电流。

2）充电点：脉冲弛豫信号从起波过渡到突然上升之间的拐点就是充电点，此时电位脉冲信号从0V突变为nV（0<n<10）。

3）升波：充电点和脉冲弛豫信号最高点之间的上升信号叫做升波，是食品溶液中两电极形成双电层结构，开始充电，食品溶液中在电极表面自然积聚的组分在电位的作用下，发生氧化还原反应，产生氧化还原电流。升波就是由充电电流和氧化还原电流的形成。

4）波峰：脉冲弛豫信号的最高点被称为波峰，此时，充电电流和氧化还原电流达到最大值。

5）降谷：波峰开始呈曲线下降到达平稳的信号段叫做降谷，此时，随着充电的完成和食品吸附在电极表面的氧化还原物质的逐渐消耗，氧化还原电流逐渐减小。

2.放电区间信号参数：

1）放电点：降谷过渡到信号突然下降的拐点就是放电点，此时电位脉冲信号回复至0V。

2）降波：放电点和脉冲弛豫信号最低点之间的下降信号叫做降波，是由于电极表面原来建立的双电层平衡体系被破坏，双电层电容开始放电，电极表面积累的带电离子迅速向食品溶液本体移动，因此产生与前一过程反向的脉冲电流信号。

3）波谷：脉冲弛豫信号的最低点被称为波谷，此时，反向脉冲电流信号达到最大值。

4）升峰：波谷开始呈曲线上升到达平稳的信号段叫做升峰，此时，随着电位脉冲信号持续稳定在零电位，双电层电容的持续放电直至电极表面回复电荷平衡，反向电流持续成指数减弱。

5）归波：在脉冲弛豫信号中升峰开始到信号结束之间平稳的信号段就是归波，此时反向电流为0。

3.时间指标

1）t_频率：频率时间，本发明中的脉冲弛豫信号，是一种不同时段不同采样频率的多频率段的脉冲弛豫信号，所以，可以根据采样频率将信号分为不同频率段的脉冲弛豫信号。

2）t_周期：周期时间，每个频率段的脉冲弛豫信号都有十个周期，每个周期持续的时间就是t_周期。

3）t_充放电：充放电时间，每个周期的脉冲弛豫信号都分别有充电区间和放电区间信号，充电区间是电位脉冲信号从0V到nV的过程，而放电区间则是电位脉冲信号从nV（0<n<10）回复到0V的过程，这两个区间信号的时间相等，即是t_充放电。

4.波形指标

1）H1:升波高度，即波峰到起波垂线长度。

2）H2:降波高度，即波谷到归波垂直长度。

3）C1：降谷的曲率。

4）C2：升峰的曲率。

H1和H2都代表了食品溶液中的离子浓度，用于评估食品中的离子强度。C1和C2分别代表食品中活性成分在充电过程中和放电过程中的移动能力。

5.特征点指标

（1）M1：波峰值，脉冲弛豫信号的最大值。

（2）M2：波谷值，脉冲弛豫信号的最小值。

（3）I1：充电值(拐点)，充电点的电流值。

（4）I2：放电值（拐点），放电点的电流值。

M1和M2都分别代表了食品溶液中离子的充电和放电移动速率，I1反应了食品中活性成分的氧化还原能力，I2则反应了食品中活性成分与电极的吸附能力，同时用于评估食品质量稳定性。

实例：

下面以浓度为0.01mol/L的KCl为实例，具体说明提取脉冲弛豫信号拐点的过程：

1.KCl的原始脉冲弛豫信号如图1所示，从图中可看出，原始信号有三个频率段（分别20000Hz，2000Hz，200Hz）的信号组成。

2.由于电子舌设备以20000Hz的频率激发脉冲信号，分别以20000Hz，2000Hz，200Hz三个频率采集脉冲弛豫信号，每个频率段采集十个周期以及3S的等待时间。因此，将原始信号按照以下频率系数分成单个频率信号：

a.t_频率1=460000(2×10×20000＋3×20000)；

b.t_频率2=46000(2×10×2000＋3×2000)；

c.t_频率2=4600(2×10×200＋3×200)。

KCl20000Hz的单个频率信号如图2所示，下面将以其为例，进一步说明脉冲弛豫信号拐点提取的过程。

3.当采集频率为20000Hz时，周期系数t_周期则为40000，根据周期系数将20000Hz的频率信号分成周期信号，KCl20000Hz周期信号如图3所示。

4.充放电系数t_充放电为500，再根据充放电系数将周期信号分成充电和放电区间信号，具体分段过程如下：

（1）先找到充电或放电区间的最大值Max1和Max2，记录下最大值的位置（即在充电和放电信号的第几个点）。

（2）再根据充放电系数500，从最值所在的位置往前遍历500，截取后的信号就是充电和放电区间信号。

其中充电区间信号如图4（a）所示，放点区间信号如图4（b）所示。

5.分别对充电和放电区间信号的横纵坐标进行平滑滤波化处理，平滑滤波后的结果如图5所示。

6.分别对充电和放电区间信号的横纵坐标进行归一化处理，归一化的结果如图6所示。

7.对充电和放电归一化信号以原点为中心，进行45°的顺时针和逆时针旋转，旋转后的结果如图7所示。

8.找出经过旋转后充电和放电区间信号的最值，记录下充电和放电区间信号最值的纵坐标大小，具体地说，分别求取充电和放电区间旋转信号的最小值Dmin和最大值Dmin,并记录下最小值Dmin和最大值Dmax。标志了最值（图中以“o”表示）的充电区间和放电区间旋转信号如图8所示。

9.将记录下最值的纵坐标大小进行反旋转处理，根据反旋转后的最值纵坐标大小在归一化的充电和放电区间信号中得到拐点的位置（即第几个点是拐点），标志了拐点（“o”）的充电区间和放电区间归一化信号如图9所示。

10.根据在充电和放电归一化信号中标记的拐点位置，在最初的充电和放电区间平滑信号中得到需要提取的拐点值I，标志了拐点（“o”）的充电区间和放电区间平滑信号如图10所示。

11.对每个脉冲弛豫周期信号进行如上步骤的拐点提取，标记了拐点I（“o”）的20000Hz单频率信号及完整脉冲弛豫信号分别如图11、12所示。

Claims

1.一种脉冲弛豫信号时域拐点提取方法，其特征在于，具体包括下列步骤：

1) 对采集到的脉冲弛豫信号按不同采样频率进行分段；

2）对不同频率段的信号的各周期信号进行拐点提取；该步中对单个周期信号提取拐点的方法如下：

a. 按采样频率设定放电充电系数；

b. 在充电信号和放电信号上根据最值得到提取拐点的信号区间，即充电区间信号和放电区间信号；

c. 对得到的充电和放电区间信号进行平滑滤波处理，去除噪声，得到平滑后的充电和放电区间信号；

d. 对平滑后的充电和放电区间信号进行归一化处理，实现充电和放电区间信号的预处理；

e. 对经过预处理的充电和放电区间信号坐标轴，以原点为中心，按照一定角度的旋转，得到旋转后的充电和放电区间信号；

f. 找出经过旋转后充电和放电区间信号的最值，记录下充电和放电区间信号最值的纵坐标大小；

g. 将记录下最值的纵坐标大小进行反旋转处理，根据反旋转后的最值纵坐标大小在最初的充电和放电区间归一化信号中得到拐点的位置；

h. 根据在充电和放电归一化信号中标记的拐点位置，在最初的充电和放电区间平滑信号中得到需要提取的拐点值I；

其中，步骤c所述平滑滤波处理，具体按照下列方法进行：

c-1. 从第一个脉冲电流值开始到最后一个脉冲电流值结束；

c-2. 每次对向后遍历n个脉冲电流值求取平均值，以此来作为新的脉冲电流值；

c-3. 使用平均后的脉冲电流值组合成新的脉冲弛豫信号；

步骤d所述的归一化处理，具体过程如下：

d-1. 获取信号区间的最大值Q_max和最小值Q_min；

d-2. 遍历信号区间的脉冲电流值Q_value，根据Q_max和Q_min,获得归一化后的脉冲电流值Q_value1,计算公式如下：

Q_value1=(Q_value-Q_min)/(Q_max-Q_min)

经过归一化后的充电和放电区间信号，使横纵坐标数值从物理***数值的绝对值变成某种相对值关系，为后续的旋转做好准备。

2.根据权利要求1 所述的脉冲弛豫信号时域拐点提取方法，其特征在于，阈值n优选为5。