一个信号使用改进的小波阈值函数去噪方法提出了基于电容耦合非接触式电导检测的微芯片电泳(我<年代up>4年代up>D)设备。我的去噪效果的评价结果<年代up>4年代up>D仿真信号表明,使用Daubechies 5 (db5跑车)小波分解级别4可以产生最佳的性能。此外,去噪效果相比,以及被证明是优于现有的技术,如Savitzky-Golay、快速傅里叶变换和软阈值方法。该方法已成功应用于自主研发的我<年代up>4年代up>D设备。执行这个方法后,干净地去除噪声,信号的峰值和峰面积保持形状。
微流控技术,尤其是微芯片电泳基于电容耦合非接触电导检测(我<年代up>4年代up>D) (
我看见的<年代up>4年代up>D装置分析了离子在溶液中成分通过检测电导率的变化根据电极之间的耦合电容和芯片的绝缘层(
传统的信号去噪方法主要包括傅里叶变换和曲线拟合方法。傅里叶变换是简单容易实现,但是很难解决的非平稳信号的噪声过滤。曲线拟合方法具有较高的准确性,但有困难在选择合适的点。小波变换(WT),从1980年代发展迅速,充分突出问题的某些方面的特点,已广泛应用于毛细管电泳(CE)信号去噪
这项工作的目标是开发一个有效的去噪方法与影响最小的信号峰的形状和面积提高我的表现<年代up>4年代up>D装置。我们已经改进了小波阈值函数根据我<年代up>4年代up>D信号特征。评估我的去噪效果<年代up>4年代up>D模拟信号已经完成通过选择不同的小波和不同分解层次,并发现db5跑车在四级小波最优解决方案。此外,该方法已成功应用于自主研发的我<年代up>4年代up>D设备信号去噪。
氯化钾、氯化钠、氯化锂样品溶液,和MES-His缓冲溶液均为分析纯,购自国药控股化学试剂有限公司,有限公司所有化学品都脱气超声用于前5分钟,过滤,0.22<我t一个lic> μ我t一个lic>米孔隙水微滤膜。
一个自主研发的我<年代up>4年代up>D设备如图所描述的实验中使用
自主研发的我<年代up>4年代up>D设备。
微流控芯片分析通道是微米级别,和基于电容耦合非接触电导检测完成的原则。因此,发现我<年代up>4年代up>D信号非常弱,将被一个很大的噪音。为了有效地消除噪声,有必要分析噪声的原因,并采取相应的措施来解决它根据不同的噪声源。
根据我<年代up>4年代up>D信号检测原理和实验结果,溶液电导率信号的干扰和噪声主要来自两个方面。一个是系统的固有噪声,如外部噪声信号检测电路的动作造成的电、磁、等,可以直接透过微流控芯片检测的硬件设备。另一种是高频噪声,这是由快速采集率,芯片,检测电路、环境干扰等(
假设我<年代up>4年代up>D信号与噪声由微芯片电泳分析收集装置可以表示为
信号三级小波分解图。
我的小波系数<年代up>4年代up>D信号在不同的分解水平有很强的相关性,而噪声的小波系数较弱或无关紧要的
一个合适的小波基函数类似于最初的我<年代up>4年代up>D信号选择和分解层数的确定。的<我t一个lic> J我t一个lic>层小波分解的噪音我<年代up>4年代up>D信号是由使用木槌算法,组件和组件高频系数和低频系数的不同分解尺度。
选择阈值,并使用一个阈值函数来量化的高频小波系数层1层<我t一个lic> J我t一个lic>。
层的低频系数<我t一个lic> J我t一个lic>的高频系数层1层<我t一个lic> J我t一个lic>阈值处理函数反向转换获得去噪我<年代up>4年代up>D信号。
去噪效果主要取决于选择阈值和阈值函数的设计在步骤(2)。在这个工作中,采用经典的固定阈值,其表达式
有两种经典的阈值函数对小波去噪,也就是说,软硬阈值。更具代表性的软阈值函数。它可以被定义为
软阈值函数图。
从图可以看出
为了克服上述缺陷,软阈值函数和改善去噪效果,新阈值函数应满足以下要求:
函数是连续的阈值点。
原始和量化的小波系数之间的恒定偏差尽可能减少。然而,如果偏差降低到零,它将成为一个硬阈值函数,不能达到提高的效果(
保留一些有用的信号信息在较小的小波系数,以减少信号失真。
基于上面的三个需求,介绍了非线性函数和变量参数,提出了一种改进的阈值函数:
连续性分析
在阈值阈值函数是连续的<我nline-formula>
进步的分析
当<我nline-formula>
比较硬,柔软,和改进的功能如图
改进的阈值函数图。
我看见的<年代up>4年代up>D信号有一些山峰,一般表示为高斯峰,反映某一特定物质的特征谱线。在分析物质成分,获得峰的光谱与某些物质的特征谱线。然后,发现峰的光谱可以表明哪些组件是包含在混合物(
由于缺乏标准的检测设备,模拟研究中经常使用的手段<我t一个lic>
μ我t一个lic>助教信号去噪(
作为噪声的高斯白噪声接近实际的我<年代up>4年代up>D信号,高斯白噪声的一定比例添加到一个理想的信号。数学模型可以表示如下:
模拟我<年代up>4年代up>D信号和噪声信号。(一)模拟理想信号。(b)模拟噪声信号。
为了直观地对我比较不同方法的去噪效果<年代up>4年代up>D模拟信号,介绍了以下两个评价指标:
信噪比(信噪比)
均方根误差(RMSE)
使用不同的小波基函数降噪相同类型的信号将产生不同的影响。一般来说,小波基地应该有以下特点:线性阶段,短期支持,更高的距离消失等。
常用小波基的特性。
| 基础 | db<我t一个lic> N我t一个lic> | 信谊<我t一个lic> N我t一个lic> | 头巾<我t一个lic> N我t一个lic> |
|---|---|---|---|
| 对称 | 近似对称 | 近似对称 | 近似对称 |
| 正交性 | 有 | 有 | 有 |
| 紧凑的支持 | 有 | 有 | 有 |
| 支持长度 | 2<我t一个lic> N我t一个lic>−1 | 2<我t一个lic> N我t一个lic>−1 | 6<我t一个lic> N我t一个lic>−1 |
| 滤波器长度 | 2<我t一个lic> N我t一个lic> | 2<我t一个lic> N我t一个lic> | 6<我t一个lic> N我t一个lic> |
| 消失的时刻 |
|
|
2<我t一个lic> N我t一个lic> |
为了选择最优小波基,并获得最好的去噪效果,三种不同小波基的db1∼db9, sym1∼sym9,和coif1∼coif5进行评估,和改进的阈值函数是用来消除干扰信号含有噪声。去噪信号的信噪比和RMSE曲线如图所示
信噪比和RMSE与不同的小波去噪后基地。(一)信噪比与不同的小波去噪后基地。(b)与不同的小波去噪后RMSE基地。
与db5跑车小波去噪后的基础上,最大的信噪比,和RMSE是最小的,所以去噪的效果是最好的(图
由小波变换在信号去噪的过程中,适当的分解层次的选择也是非常重要的问题。一方面,分解层数越大,差异越大噪声和信号的性能,和容易分开。另一方面,太多的层将使重构信号更加扭曲,这将在一定程度上影响去噪效果。因此,有必要严格处理这个矛盾时选择的分解层级上获得更好的去噪效果。
在选择db5跑车小波的前提基础上,模拟我的去噪效果<年代up>4年代up>D信号在不同分解层如图
在不同的分解去噪后的信噪比和RMSE水平。
为了验证该方法的去噪效果,不同的方法被用来执行我的模拟实验<年代up>4年代up>D与不同的信噪比高斯白噪声信号。消除干扰信号的信噪比和RMSE比较数据如表所示
比较模拟信号去噪的结果用不同的方法。
| 参数 | Savitzky-Golay | 快速傅里叶变换 | 软阈值方法 | 该方法 | 噪声信号的信噪比(dB) |
|---|---|---|---|---|---|
| 信噪比 | 54.6092 | 59.2802 | 65.1503 |
|
21 |
| RMSE | 0.0392 | 0.0310 | 0.0231 |
|
|
| 信噪比 | 64.0419 | 70.9654 | 74.6367 |
|
25 |
| RMSE | 0.0245 | 0.0173 | 0.0144 |
|
|
| 信噪比 | 72.1866 | 76.0289 | 80.9725 |
|
29日 |
| RMSE | 0.0163 | 0.0134 | 0.0105 |
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本文提出的去噪方法的信噪比最高和最低的RMSE;去噪效果明显优于其他方法(表
图
模拟信号去噪的结果29分贝的不同的方法。(一)Savitzky-Golay。(b)快速傅里叶变换。(c)软阈值方法。(d)方法。
经过理论分析和仿真验证,该方法应用于实际的去噪信号,检测到的自主研发ME-C4D和送到电脑终端。
10毫米的缓冲溶液MES-His (pH值6.15)和0.1毫米的目标示例解决方案介绍了微芯片的到相应的位置,然后放在自主研发设备的检测表。设置激励信号源参数<我t一个lic>
f我t一个lic>= 200 kHz, Vpp = 60 V,高压注射1 s;收集到的我<年代up>4年代up>D信号如图
检测信号浓度为0.1毫米。
横向轴采样点的数量;每10个采样点代表1 s的时间。纵向坐标代表振幅,三波的峰值代表<我nline-formula>
自上述信号从设备噪声并不是人为获得补充说,我们无法获得原始无噪声的理想信号;因此,评价指标信噪比和RMSE不能用于定量分析去噪的效果(
与对称的峰形状和基线漂移,峰高的高峰上到基线的垂直距离底部的巅峰,和半峰宽宽度1/2峰高。然而,当峰形状不对称和基线漂移,上面的峰面积的计算方法会产生很大误差。因此,本文使用下面的方法来计算峰面积。
计算峰面积的原理图如图
峰面积计算方法的原理图。
采用改进的阈值函数去噪方法降噪信号图
不同的方法对信号去噪的影响浓度为0.1毫米。(一)Savitzky-Golay。(b)快速傅里叶变换。(c)软阈值方法。该方法(d)。
通过不同的方法去噪后峰面积变形。
| 去噪方法 | 峰面积变形 | ||
|---|---|---|---|
| 第一个峰值(%) | 第二个峰值(%) | 第三个高峰(%) | |
| Savitzky-Golay | 0.2532 | 0.7758 | 7.4411 |
| 快速傅里叶变换 | 0.3032 | 0.4154 | 6.2670 |
| 软阈值方法 | 10.9106 | 3.6005 | 12.5462 |
| 该方法 |
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从表中的数据可以看出
在这个工作中,我的方法<年代up>4年代up>D信号去噪的基础上提出了一种改进的阈值函数的小波变换。仿真实验结果表明,本文提出的方法优于Savitzky-Golay,快速傅里叶变换和软阈值方法。研究样本的实际检测信号的去噪与浓度的0.1毫米证明该方法具有良好的去噪效果和强大的峰面积保护能力。因此,这种方法对信号去噪的我有着重要的实用价值<年代up>4年代up>d .此外,改进阈值函数的方法有一定的局限性,如变量参数的值<我t一个lic> 一个我t一个lic>由我们的经验手动选择。预计将来会设计一个算法实现参数优化。
微芯片电泳基于电容耦合非接触电导检测。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
这项工作得到了湖南省科技计划(2017 sk2164和2019 tp1014号),湖南省教育研究项目优秀青年(没有。16 b114),湖南省为研究生(没有创新的基础。CX20190931),科研创新团队的湖南科技学院(没有。2019 - td - 10)。