一種脈沖弛豫信號時域拐點提取方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于食品測量【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，包括：對采集到的脈沖弛豫信號進行分段、平滑處理，去除噪音，重建信號，得到平滑后的脈沖弛豫信號；對平滑后的脈沖弛豫信號進行歸一化，實現(xiàn)脈沖弛豫信號的預(yù)處理；對經(jīng)過預(yù)處理的脈沖弛豫信號按照一定角度的旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的脈沖弛豫信號；找出經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后脈沖弛豫信號的最大值，記錄下脈沖弛豫信號最大值所在的位置；對旋轉(zhuǎn)后的脈沖弛豫信號進行反旋轉(zhuǎn)處理，得到新的脈沖弛豫信號；根據(jù)記錄下的最大值所在位置點得到拐點I。本發(fā)明方法能夠有效提高脈沖時域特征提取效率和準確性。
【專利說明】一種脈沖弛豫信號時域拐點提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于食品測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及信號的分析處理技術(shù)，具體地說是一種脈沖弛豫信號拐點提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代食品科學(xué)中，食品感官科學(xué)已經(jīng)越來越受到人們的重視，雖然現(xiàn)在人類食品感官的發(fā)展越發(fā)迅猛和成熟，但是大部分的感官實驗結(jié)果還是嚴重的受到主觀因素的影響。而本發(fā)明中的脈沖弛豫信號就是通過使用模擬人類味覺器官的電子舌設(shè)備進行測量的，通過檢測食品溶液的氧化還原能力，電極吸附能力來反應(yīng)該食品溶液的特性，為食品感官科學(xué)的發(fā)展增加了強大的動力。
[0003]目前，在脈沖弛豫信號處理和信號的拐點提取方面主要應(yīng)用的方法和技術(shù)有:求導(dǎo)法、變號法和平滑濾波等，其中平滑濾波是對脈沖弛豫信號做預(yù)處理的技術(shù)方法，而求導(dǎo)法和變號法是提取脈沖弛豫信號拐點的常用方法。
[0004]求導(dǎo)法、變號法都是根據(jù)分段得到的脈沖弛豫信號的最值來確定提取脈沖拐點的取值范圍，其中求導(dǎo)法是根據(jù)二次求導(dǎo)獲取極值來確定脈沖拐點，變號法則是連續(xù)求相鄰信號點的差值，根據(jù)差值的變號得到脈沖信號拐點。這兩種方法雖然能夠基本確定脈沖弛豫信號的拐點，但是脈沖弛豫信號數(shù)據(jù)量比較大，在用這兩種方法提取拐點時，會影響提取的速率和軟件的效率。
[0005]平滑濾波就是利用移動平均法對信號做平滑處理，不過，所選取的平滑閾值未必能適用所有的脈沖弛豫信號，如果閾值偏小，去噪的效果就不明顯，如果閾值偏大，則會損失部分有用信息。所以，找尋最適當(dāng)?shù)钠交撝?，使用平滑濾波對信號進行去噪處理，使得拐點提取達到更好的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種適用于脈沖弛豫信號拐點提取的方法，以便達到更好的拐點提取效果。為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。
[0007]—種脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，對脈沖弛豫信號，在不同的頻率下，按照激發(fā)頻率和激發(fā)電壓步進設(shè)定頻率系數(shù)、周期系數(shù)來確定一個周期的脈沖信號。然后，分別找出周期脈沖信號的波峰值Ml和波谷值M2，再根據(jù)Ml和M2往回取一定數(shù)量(N)的信號點分別作為充電區(qū)間和放電區(qū)間。然后從充電和放電區(qū)間信號中提取拐點。
[0008]具體包括下列步驟:
[0009]1)對采集到的脈沖弛豫信號按不同采樣頻率進行分段；
[0010]2)對不同頻率段的信號的各周期信號進行拐點提??；該步中，對單個周期信號提取拐點的方法如下:
[0011]a.按采樣頻率設(shè)定放電充電系數(shù)；
[0012]b.在充電信號和放電信號上根據(jù)最值得到提取拐點的信號區(qū)間，即充電區(qū)間信號和放電區(qū)間信號；
[0013]c.對得到的充電和放電區(qū)間信號進行平滑濾波處理，去除噪聲，得到平滑后的充電和放電區(qū)間信號；
[0014]d.對平滑后的充電和放電區(qū)間信號進行歸一化處理，實現(xiàn)充電和放電區(qū)間信號的預(yù)處理；
[0015]e.對經(jīng)過預(yù)處理的充電和放電區(qū)間信號坐標軸，以原點為中心，按照一定角度的旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的充電和放電區(qū)間信號，能增加拐點I提取的精確性；
[0016]f.找出經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后充電和放電區(qū)間信號的最值，記錄下充電和放電區(qū)間信號最值的縱坐標大?。?br> [0017]g.將記錄下最值的縱坐標大小進行反旋轉(zhuǎn)處理，根據(jù)反旋轉(zhuǎn)后的最值縱坐標大小在最初的充電和放電區(qū)間歸一化信號中得到拐點的位置(即第幾個點是拐點)；
[0018]h.根據(jù)在充電和放電歸一化信號中標記的拐點位置，在最初的充電和放電區(qū)間平滑信號中得到需要提取的拐點值I。
[0019]在本發(fā)明的技術(shù)方案中，脈沖弛豫信號采集的是檢測食品溶液不同電勢下的電化學(xué)信號。在采集過程中，脈沖弛豫信號會受到食品溶液成分、電極等因素的干擾，會混入不同類型的噪聲，因此，在對脈沖弛豫信號進行拐點提取之前適宜對噪聲進行平滑處理，除去一定的噪聲干擾，再提取脈沖弛豫信號的拐點I。
[0020]步驟c所述的平滑濾波處理，優(yōu)選采用移動平均法，對脈沖弛豫信號進行平滑濾波，重建脈沖弛豫信號。平滑濾波在適當(dāng)去除一定的信號噪聲的同時又不丟失信號的整體信息，更加利于對拐點的提取，
[0021]移動平均 法平滑濾波具體按照下列方法進行:
[0022]c-Ι.從第一個脈沖電流值開始到最后一個脈沖電流值結(jié)束。
[0023]c-2.每次對向后遍歷η個脈沖電流值求取平均值，以此來作為新的脈沖電流值。
[0024]c-3.使用平均后的脈沖電流值組合成新的脈沖弛豫信號。
[0025]其中η為閾值，優(yōu)選為5。
[0026]步驟d所述的歸一化處理，具體過程可參照如下進行:
[0027]d-Ι.獲取信號區(qū)間的最大值Q—和最小值Q^;
[0028]d-2.遍歷信號區(qū)間的脈沖電流值Qvalm，根據(jù)Q_^PQmin，獲得歸一化后的脈沖電流值Q—，計算公式如下:
[0029]Qvaiue1- (QValue_Qmin) / (Qmax_Qmin)
[0030]d-3.經(jīng)過歸一化處理后的充電和放電區(qū)間信號，使橫縱坐標數(shù)值從物理系統(tǒng)數(shù)值的絕對值變成一種相對值關(guān)系，為后續(xù)的旋轉(zhuǎn)做好準備。
[0031]此發(fā)明所說的脈沖弛豫信號拐點提取方法，使用平滑濾波對脈沖弛豫信號進行預(yù)處理，并根據(jù)脈沖弛豫信號的特點使用了分段法確定拐點的范圍，再結(jié)合對信號進行歸一化、旋轉(zhuǎn)、反旋轉(zhuǎn)的處理，不僅提高了拐點提取效率，更大大增加了準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為一種脈沖弛豫信號的原始信號。
[0033]圖2為圖1所示脈沖弛豫信號中一種頻率的頻率信號。[0034]圖3為圖2所示脈沖弛豫信號的單個周期的周期信號。
[0035]圖4為脈沖弛豫信號單個周期內(nèi)充電區(qū)間、放電區(qū)間信號，其中(a)為充電區(qū)間信號，(b)為放電區(qū)間信號。
[0036]圖5為充電區(qū)間、放電區(qū)間信號經(jīng)平滑濾波處理后的平滑信號，其中(a)為充電區(qū)間平滑信號，(b)為放電區(qū)間平滑信號。
[0037]圖6為經(jīng)歸一化處理后的充電區(qū)間、放電區(qū)間信號，其中(a)為為充電區(qū)間歸一化信號，(b)為放電區(qū)間歸一化信號。
[0038]圖7為經(jīng)旋轉(zhuǎn)的充電區(qū)間、放電區(qū)間信號，其中(a)為充電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號，(b)為放電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號。
[0039]圖8為標志了最值(“ο”)的充電區(qū)間和放電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號，其中(a)為標志了最值(“ο”)的充電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號，(b)為標志了最值(“ο”)的放電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號。
[0040]圖9為標記了拐點I (“ο”)的充電區(qū)間和放電區(qū)間歸一化信號，其中(a)標記了拐點I (“ο”)的充電區(qū)間歸一化信號，(b)為標記了拐點I (“ο”)的放電區(qū)間歸一化信號。
[0041]圖10為標記了拐點I (“ο”)的充電區(qū)間和放電區(qū)間平滑信號，其中(a)為拐點I(“ο”)的充電區(qū)間平滑信號，(b)為拐點I (“ο”)的放電區(qū)間平滑信號。
[0042]圖11為標記了拐點I (“ο”)的頻率信號。
[0043]圖12為標記了拐點I (“ο”)的脈沖弛豫信號。
【具體實施方式】
[0044]為了便于對本發(fā)明的理解，首先介紹一下各種脈沖弛豫參數(shù)含義，主要分為充電區(qū)間信號參數(shù)和放電區(qū)間信號參數(shù)，這些參數(shù)如圖1 (c)所示:
[0045]1.充電區(qū)間信號參數(shù):
[0046]1)起波:在脈沖弛豫信號中開始到信號突然上升之間的信號段就是起波，此時電位脈沖信號維持在0V，食品溶液中沒有任何電流。
[0047]2)充電點:脈沖弛豫信號從起波過渡到突然上升之間的拐點就是充電點，此時電位脈沖信號從0V突變?yōu)閚V (0〈n〈10)。
[0048]3)升波:充電點和脈沖弛豫信號最高點之間的上升信號叫做升波，是食品溶液中兩電極形成雙電層結(jié)構(gòu)，開始充電，食品溶液中在電極表面自然積聚的組分在電位的作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氧化還原電流。升波就是由充電電流和氧化還原電流的形成。
[0049]4)波峰:脈沖弛豫信號的最高點被稱為波峰，此時，充電電流和氧化還原電流達到最大值。
[0050]5)降谷:波峰開始呈曲線下降到達平穩(wěn)的信號段叫做降谷，此時，隨著充電的完成和食品吸附在電極表面的氧化還原物質(zhì)的逐漸消耗，氧化還原電流逐漸減小。
[0051]2.放電區(qū)間信號參數(shù):
[0052]1)放電點:降谷過渡到信號突然下降的拐點就是放電點，此時電位脈沖信號回復(fù)至0V。
[0053]2)降波:放電點和脈沖弛豫信號最低點之間的下降信號叫做降波，是由于電極表面原來建立的雙電層平衡體系被破壞，雙電層電容開始放電，電極表面積累的帶電離子迅速向食品溶液本體移動，因此產(chǎn)生與前一過程反向的脈沖電流信號。[0054]3)波谷:脈沖弛豫信號的最低點被稱為波谷，此時，反向脈沖電流信號達到最大值。
[0055]4)升峰:波谷開始呈曲線上升到達平穩(wěn)的信號段叫做升峰，此時，隨著電位脈沖信號持續(xù)穩(wěn)定在零電位，雙電層電容的持續(xù)放電直至電極表面回復(fù)電荷平衡，反向電流持續(xù)成指數(shù)減弱。
[0056]5)歸波:在脈沖弛豫信號中升峰開始到信號結(jié)束之間平穩(wěn)的信號段就是歸波，此時反向電流為0。
[0057]3.時間指標
[0058]1):頻率時間,本發(fā) 明中的脈沖弛豫信號,是一種不同時段不同采樣頻率的多頻率段的脈沖弛豫信號，所以，可以根據(jù)采樣頻率將信號分為不同頻率段的脈沖弛豫信號。
[0059]2):周期時間，每個頻率段的脈沖弛豫信號都有十個周期，每個周期持續(xù)的時間就是t周期。
[0060]3)充放電時間，每個周期的脈沖弛豫信號都分別有充電區(qū)間和放電區(qū)間信號，充電區(qū)間是電位脈沖信號從0V到nV的過程，而放電區(qū)間則是電位脈沖信號從nV(0〈n〈10)回復(fù)到0V的過程，這兩個區(qū)間信號的時間相等，即是t電。
[0061]4.波形指標
[0062]1)H1:升波高度，即波峰到起波垂線長度。
[0063]2)H2:降波高度，即波谷到歸波垂直長度。
[0064]3) C1:降谷的曲率。
[0065]4) C2:升峰的曲率。
[0066]H1和H2都代表了食品溶液中的離子濃度，用于評估食品中的離子強度。C1和C2分別代表食品中活性成分在充電過程中和放電過程中的移動能力。
[0067]5.特征點指標
[0068](l)Ml:波峰值，脈沖弛豫信號的最大值。
[0069](2) M2:波谷值，脈沖弛豫信號的最小值。
[0070](3)11:充電值(拐點)，充電點的電流值。
[0071](4) 12:放電值(拐點)，放電點的電流值。
[0072]Ml和M2都分別代表了食品溶液中離子的充電和放電移動速率，II反應(yīng)了食品中活性成分的氧化還原能力，12則反應(yīng)了食品中活性成分與電極的吸附能力，同時用于評估食品質(zhì)量穩(wěn)定性。
[0073]實例:
[0074]下面以濃度為0.01mol/L的KC1為實例，具體說明提取脈沖弛豫信號拐點的過程:
[0075]1.KC1的原始脈沖弛豫信號如圖1所示,從圖中可看出，原始信號有三個頻率段(分別 20000Hz，2000Hz，200Hz)的信號組成。
[0076]2.由于電子舌設(shè)備以20000Hz的頻率激發(fā)脈沖信號，分別以20000HZ，2000HZ，200Hz三個頻率采集脈沖弛豫信號，每個頻率段采集十個周期以及3S的等待時間。因此，將原始信號按照以下頻率系數(shù)分成單個頻率信號:
[0077]a.t m 1=460000 (2 X 10 X 20000 + 3 X 20000)；[0078]b.t m 2=46000 (2 X 10 X 2000 + 3 X 2000)；
[0079]c.t 頻率 2=4600 (2X10X200 + 3X 200)。
[0080]KC120000Hz的單個頻率信號如圖2所示，下面將以其為例，進一步說明脈沖弛豫信號拐點提取的過程。
[0081]3.當(dāng)采集頻率為20000Hz時，周期系數(shù)則為40000，根據(jù)周期系數(shù)將20000Hz的頻率信號分成周期信號，KC120000HZ周期信號如圖3所示。
[0082]4.充放電系數(shù)〖_^為500，再根據(jù)充放電系數(shù)將周期信號分成充電和放電區(qū)間信號，具體分段過程如下:[0083](1)先找到充電或放電區(qū)間的最大值Maxi和Max2，記錄下最大值的位置(即在充電和放電信號的第幾個點)。
[0084](2)再根據(jù)充放電系數(shù)500，從最值所在的位置往前遍歷500，截取后的信號就是充電和放電區(qū)間信號。
[0085]其中充電區(qū)間信號如圖4 (a)所示，放點區(qū)間信號如圖4 (b)所示。
[0086]5.分別對充電和放電區(qū)間信號的橫縱坐標進行平滑濾波化處理，平滑濾波后的結(jié)果如圖5所示。
[0087]6.分別對充電和放電區(qū)間信號的橫縱坐標進行歸一化處理，歸一化的結(jié)果如圖6所示。
[0088]7.對充電和放電歸一化信號以原點為中心，進行45°的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果如圖7所示。
[0089]8.找出經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后充電和放電區(qū)間信號的最值，記錄下充電和放電區(qū)間信號最值的縱坐標大小，具體地說，分別求取充電和放電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號的最小值Dmin和最大值Dmin,并記錄下最小值Dmin和最大值Dmax。標志了最值(圖中以“ο”表示)的充電區(qū)間和放電區(qū)間旋轉(zhuǎn)信號如圖8所示。
[0090]9.將記錄下最值的縱坐標大小進行反旋轉(zhuǎn)處理，根據(jù)反旋轉(zhuǎn)后的最值縱坐標大小在歸一化的充電和放電區(qū)間信號中得到拐點的位置(即第幾個點是拐點)，標志了拐點(“ο”)的充電區(qū)間和放電區(qū)間歸一化信號如圖9所示。
[0091]10.根據(jù)在充電和放電歸一化信號中標記的拐點位置，在最初的充電和放電區(qū)間平滑信號中得到需要提取的拐點值I，標志了拐點(“ο”)的充電區(qū)間和放電區(qū)間平滑信號如圖10所示。
[0092]11.對每個脈沖弛豫周期信號進行如上步驟的拐點提取，標記了拐點I (“ο”)的20000Hz單頻率信號及完整脈沖弛豫信號分別如圖11、12所示。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，其特征在于，具體包括下列步驟:1)對采集到的脈沖弛豫信號按不同采樣頻率進行分段；2)對不同頻率段的信號的各周期信號進行拐點提取；該步中對單個周期信號提取拐點的方法如下:a.按采樣頻率設(shè)定放電充電系數(shù)；b.在充電信號和放電信號上根據(jù)最值得到提取拐點的信號區(qū)間，即充電區(qū)間信號和放電區(qū)間信號；c.對得到的充電和放電區(qū)間信號進行平滑濾波處理，去除噪聲，得到平滑后的充電和放電區(qū)間信號；d.對平滑后的充電和放電區(qū)間信號進行歸一化處理，實現(xiàn)充電和放電區(qū)間信號的預(yù)處理；e.對經(jīng)過預(yù)處理的充電和放電區(qū)間信號坐標軸，以原點為中心，按照一定角度的旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的充電和放電區(qū)間信號；f.找出經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后充電和放電區(qū)間信號的最值，記錄下充電和放電區(qū)間信號最值的縱坐標大??；g.將記錄下最值的縱坐標大小進行反旋轉(zhuǎn)處理，根據(jù)反旋轉(zhuǎn)后的最值縱坐標大小在最初的充電和放電區(qū)間歸一化信號中得到拐點的位置；h.根據(jù)在充電和放電歸一化信號中標記的拐點位置，在最初的充電和放電區(qū)間平滑信號中得到需要提取的拐點值I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，其特征在于，步驟c所述平滑濾波處理，具體按照下列方法進行:從第一個脈沖電流值開始到最后一個脈沖電流值結(jié)束；每次對向后遍歷η個脈沖電流值求取平均值，以此來作為新的脈沖電流值；使用平均后的脈沖電流值組合成新的脈沖弛豫信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，其特征在于，閾值η優(yōu)選為5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖弛豫信號時域拐點提取方法，其特征在于，步驟d所述的歸一化處理，具體過程如下:獲取信號區(qū)間的最大值Q_和最小值Q—；遍歷信號區(qū)間的脈沖電流值QvallK，根據(jù)Qmax和Qmin，獲得歸一化后的脈沖電流值QvallKl，計算公式如下:Qvaluel lvalue Qmin) I (Qmax Qmin)經(jīng)過歸一化后的充電和放電區(qū)間信號，使橫縱坐標數(shù)值從物理系統(tǒng)數(shù)值的絕對值變成某種相對值關(guān)系，為后續(xù)的旋轉(zhuǎn)做好準備。
【文檔編號】G01N27/26GK103630584SQ201310486085
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】田師一, 蘭余, 呂佳佳, 麥文鎮(zhèn), 鄧少平 申請人:浙江工商大學(xué), 海南椰島（集團）股份有限公司