基于小波變換的昆蟲(chóng)刺吸電位(EPG)信號(hào)去噪研究*

吳莉莉,賈樹(shù)恒,邢玉清,盧少華,潘建斌,閆鳳鳴

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,鄭州 450002)

基于小波變換的昆蟲(chóng)刺吸電位(EPG)信號(hào)去噪研究*

吳莉莉1*,賈樹(shù)恒1,邢玉清1,盧少華2,潘建斌1,閆鳳鳴2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,鄭州 450002)

昆蟲(chóng)刺吸電位(EPG)信號(hào)為研究刺吸式昆蟲(chóng)取食和傳毒機(jī)理提供了有力的依據(jù),然而EPG信號(hào)在采集過(guò)程中易受各種噪聲的干擾,可利用小波變換將其去除。本文采用小波閾值去噪法,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比選擇不同的小波基函數(shù)及閾值,以均方根誤差和信噪比為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定了coif4小波6層分解,在Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)則下,改進(jìn)閾值量化為最佳去噪方案;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該小波閾值去噪方法可以有效地去除不同干擾。本文研究的基于小波變換的EPG信號(hào)去噪為后續(xù)分析識(shí)別提供了保證。

刺吸電位(EPG)信號(hào);小波變換;閾值去噪

刺吸電位技術(shù)EPG(Electrical Penetration Graph)是研究刺吸式昆蟲(chóng)在寄主植物上刺探和取食行為的一種電生理學(xué)技術(shù)[1-3],是研究刺吸式昆蟲(chóng)取食和傳播植物病毒的重要實(shí)驗(yàn)方法。作為昆蟲(chóng)刺探行為、唾液分泌、取食等生理過(guò)程最直觀的體現(xiàn),EPG信號(hào)具有幅度小、頻率低、噪聲強(qiáng)、非線(xiàn)性和非平穩(wěn)等特點(diǎn)。EPG信號(hào)是一種微弱生理電信號(hào),在采集和記錄過(guò)程中,主要的干擾來(lái)源于EPG儀器和昆蟲(chóng),分別表現(xiàn)為工頻干擾、放大電路內(nèi)部噪聲、昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)偽跡干擾以及基線(xiàn)漂移等等。為了能準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別EPG波形,在分析前必須剔除這些干擾因素。

小波變換是目前研究生物電信號(hào)去噪中廣泛使用的一種方法[4],它提供了一種自適應(yīng)的時(shí)頻兩域局部化的分析方法,通過(guò)伸縮和平移對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析[5],能在不同的分解層次上有效地從原始信號(hào)中提取有用信息,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪。小波變換在心電、腦電、肌電等生物信號(hào)的去噪中已做了大量的研究工作[6-10],然而對(duì)EPG信號(hào)的去噪研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道,本文將首次利用小波變換對(duì)EPG信號(hào)的去噪進(jìn)行研究。

小波去噪的基本方法有:模極大值法、相關(guān)性法、平移不變量法和閾值法。實(shí)際應(yīng)用中,選擇哪種方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)及這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)而定。模極大值法和平移不變量法的計(jì)算速度相對(duì)較慢,當(dāng)需要分析信號(hào)的邊緣特征時(shí),相關(guān)性法去噪較合適,閾值法由于能得到原始信號(hào)的近似最優(yōu)估計(jì)且計(jì)算速度快,以及具有廣泛的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn),是小波去噪法中應(yīng)用最廣泛的一種。因此本文擬采用小波閾值法對(duì)EPG信號(hào)進(jìn)行去噪研究。

在小波變換算法中,由于選擇的去噪方案不同,小波函數(shù)不同,去噪效果差別很大。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同小波基函數(shù)和閾值函數(shù),依據(jù)去噪效果,尋求EPG信號(hào)的最佳小波去噪方案。

1 小波變換與閾值去噪算法

1.1 小波變換理論

小波變換的基本思想是用一個(gè)局部緊致的基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和伸縮構(gòu)成小波函數(shù)系去表示或逼近信號(hào)或函數(shù)。理論上來(lái)說(shuō),小波變換可分為連續(xù)小波變換和離散小波變換兩種。

對(duì)于信號(hào)f(t),設(shè)ψ(t)是基本小波,連續(xù)小波變換的定義為[5]:

(1)

式中:ψ*(t)為ψ(t)的復(fù)共軛,a為尺度因子(或稱(chēng)伸縮因子),b為平移因子。

(2)

離散小波變換系數(shù)可表示為

(3)

1.2 小波變換閾值去噪法

基于小波變換的閾值化去噪法主要是對(duì)小波變換域的系數(shù)進(jìn)行篩選。含噪信號(hào)經(jīng)小波變換后,有用信號(hào)的小波系數(shù)幅值較大,數(shù)目較少,主要集中在低頻;而噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)幅值較小,數(shù)目較多,主要集中在高頻。通過(guò)在不同尺度上選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝?并將幅值小于該閾值的小波系數(shù)置零,幅值大于該閾值的小波系數(shù),認(rèn)為是有用信號(hào),保留或做相應(yīng)的處理,最后對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的去噪。

小波閾值去噪法主要分3個(gè)步驟[11]:①含噪信號(hào)的小波分解。選擇合適的小波并確定分解層數(shù)M,對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行M層小波分解。②小波分解系數(shù)的閾值化處理。選擇合適層的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值處理,常用的處理方法主要有硬閾值法和軟閾值法。③對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),得到去噪后的信號(hào)。

小波閾值去噪法中兩個(gè)基本要素是閾值的確定和閾值函數(shù)的選取,這關(guān)系到信號(hào)去噪的質(zhì)量。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,常用的閾值選取方法主要有無(wú)偏似然估計(jì)閾值、固定閾值、啟發(fā)式閾值和極大極小閾值準(zhǔn)則。在去噪過(guò)程中,要依據(jù)具體的應(yīng)用選取某種閾值準(zhǔn)則,以達(dá)到最佳去噪效果。

2 EPG信號(hào)的獲取

EPG信號(hào)由EPG儀器獲取,該儀器主要由可調(diào)電源、電阻、放大器、采集卡、探頭等部分組成,用導(dǎo)電銀膠將昆蟲(chóng)粘在金屬絲上[1],金屬絲接入放大器,當(dāng)昆蟲(chóng)口針刺入植物組織中時(shí),整個(gè)回路就被接通(如圖1所示)。昆蟲(chóng)刺吸行為的變化會(huì)引起回路電壓的變化,這些變化的電壓值經(jīng)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由計(jì)算機(jī)記錄,以曲線(xiàn)的形式呈現(xiàn)出來(lái),此即為EPG信號(hào)。

圖1 EPG原理圖

實(shí)驗(yàn)中EPG儀器采用的是荷蘭生產(chǎn)的直流Giga-4 EPG儀,4通道,采樣頻率為100 Hz;昆蟲(chóng)及植株選用的是桃蚜和煙草;信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)在白天室溫20 ℃下進(jìn)行,受試蚜蟲(chóng)在饑餓1 h后開(kāi)始記錄。EPG儀器記錄了桃蚜在煙葉上6 h的取食行為波形,如圖2所示。

圖2 原始6 h的EPG波形

3 EPG信號(hào)的小波閾值去噪對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 小波基的選取

同一信號(hào)去噪選用不同的小波基函數(shù)會(huì)得到不同的效果,總體來(lái)說(shuō),選取小波基函數(shù)應(yīng)該具備對(duì)稱(chēng)性或反對(duì)稱(chēng)性、較短的支撐、正交性、較高的消失距等。然而要想使一個(gè)小波基同時(shí)具有這些特性往往是不可能的。實(shí)驗(yàn)中擬選用db4、sym4、coif4 3種小波基函數(shù)進(jìn)行去噪對(duì)比實(shí)驗(yàn),根據(jù)去噪效果選擇最佳小波基。表1列舉了這3種小波基的特性。

表1 3種小波基的特性比較

3.2 EPG的小波分解

對(duì)刺吸昆蟲(chóng)的EPG信號(hào)進(jìn)行分析時(shí),常用的代表波形有np波、C波(其中A波頻率為5 Hz～15 Hz)、E1波(頻率為2 Hz～4 Hz)、E2波(頻率為4 Hz～7 Hz)、F波(頻率為11 Hz～16 Hz)、G波(頻率為4 Hz～6 Hz),這些有用信號(hào)都集中在低頻部分。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解時(shí),分解層數(shù)視信號(hào)的有用成分和采樣頻率而定。本文分析的EPG信號(hào)采樣頻率為100 Hz,對(duì)其進(jìn)行6 層分解,各層對(duì)應(yīng)的頻率范圍如表2所示。

表2 EPG信號(hào)小波分解的各層頻帶范圍

表2中D1～D6為高頻系數(shù),A6為低頻系數(shù)。EPG的幾種代表波形頻率主要集中在小波分解的2層～5層。

3.3 閾值函數(shù)及閾值量化

在對(duì)EPG信號(hào)去噪時(shí),對(duì)小波分解的各層系數(shù)進(jìn)行閾值量化,選取Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)計(jì)算得到一個(gè)閾值,然后分別用硬閾值法(式(4))、軟閾值法(式(5))以及改進(jìn)閾值量化方法(式(6))對(duì)小波分解系數(shù)進(jìn)行閾值量化[12],通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)確定最佳閾值量化方案。

(4)

(5)

(6)

3.4 去噪效果評(píng)價(jià)

為了更直觀的比較幾種不同小波基、閾值函數(shù)的去噪效果,引入均方根誤差(RMSE)和信噪比(SNR)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),定義如下:

(7)

(8)

3.5 噪聲的消除效果比較

實(shí)驗(yàn)中以桃蚜在煙葉上取食1 h的EPG信號(hào)為例進(jìn)行去噪對(duì)比,小波基函數(shù)分別選用db4,sym4,coif4 3種小波,在Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)下計(jì)算閾值,分別采用硬閾值、軟閾值和改進(jìn)閾值進(jìn)行閾值量化,去噪后的效果如表3所示。顯然,采用coif4小波的改進(jìn)閾值去噪后信號(hào)均方根誤差最小,信噪比最大,去噪效果最好。

利用coif4小波的改進(jìn)閾值去噪法對(duì)EPG信號(hào)中的工頻干擾消除,以np波為例去噪效果如圖3所示,工頻干擾得到了很好的抑制。放大電路的內(nèi)部噪聲和昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)偽跡干擾可看成白噪聲,在整個(gè)頻域內(nèi)都混有,以E2波為例,去噪效果如圖4所示。對(duì)基線(xiàn)漂移的去除,以E1波為例,去噪效果如圖5所示?？梢?jiàn)小波變換可以很好地去除EPG信號(hào)中的噪聲干擾,且保留了原始信號(hào)的細(xì)節(jié)。

表3 3種不同小波基、閾值量化函數(shù)的去噪效果

圖4 E2波去除白噪聲

圖3 np波去除工頻干擾

圖5 E1波去除基線(xiàn)漂移

4 結(jié)束語(yǔ)

小波變換常用于人體醫(yī)學(xué)信號(hào)的去噪研究中,本文首次將其應(yīng)用于昆蟲(chóng)刺吸電位信號(hào)的噪聲去除。文中對(duì)EPG儀器采集的含噪信號(hào)進(jìn)行了去噪對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別選用了db4、sym4、coif4 3種小波基函數(shù),在Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)則下采用硬閾值、軟閾值和改進(jìn)閾值函數(shù),依據(jù)均方根誤差和信噪比來(lái)評(píng)價(jià)去噪效果。以桃蚜在煙葉上取食1 h的EPG信號(hào)為例,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用coif4小波的改進(jìn)閾值函數(shù)RMSE為0.068 9,SNR為28.249 6,相比于其他方案獲得了最佳的去噪效果,能有效地去除EPG信號(hào)中的工頻干擾、放大電路內(nèi)部噪聲、昆蟲(chóng)偽跡干擾以及基線(xiàn)漂移等噪聲。本文對(duì)EPG信號(hào)的去噪進(jìn)行了初步探索研究,為后續(xù)的信號(hào)特征提取、分類(lèi)識(shí)別提供了良好保證。

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StudyofInsectElectricalPenetrationGraph(EPG)SignalDenoisingBasedonWaveletTransform*

WULili1*,JIAShuheng1,XINGYuqing1,LUShaohua2,PANJianbin1,YANFengming2

(1.College of Sciences,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;2.College of Plant Protection,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

Electrical penetration graph(EPG)signal has provided a strong basis for the study of the piercing-sucking insects feeding and virus transmission mechanism. However,the EPG signal is susceptible to various noises during acquisition,which can be removed by wavelet transform. In this paper,the wavelet threshold denoising method was adopted. The different wavelet basis functions and thresholds of the denoising method were selected by experiments. Taking the root mean square error and signal-to-noise ratio as the evaluation index,the wavelet coif4,6 layer decomposition and the improved threshold quantization was determined as the best denoising scheme under the Stein unbiased risk estimator. The experimental results showed that the wavelet threshold denoising method can effectively remove different interference. The EPG signal denoising based on wavelet transform in this paper provides a guarantee for subsequent analysis and recognition.

electrical penetration graph(EPG)signal;wavelet transform;threshold denoising

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.019

項(xiàng)目來(lái)源:河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(172102210044);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A520036,18A510012)

2017-06-08修改日期2017-08-06

TN911.72

A

1004-1699(2017)12-1895-05

吳莉莉(1977-),湖北荊州人,2007年獲浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位,師從陳裕泉教授。副教授,主要從事傳感器技術(shù)、生物信號(hào)處理和模式識(shí)別等方面的研究,已發(fā)表論文四十余篇,wllzju@126.com;

賈樹(shù)恒(1977-),河南駐馬店人,2010年獲得西安電子科技大學(xué)電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位,師從李玉山教授。講師,主要從事電路與系統(tǒng)、信號(hào)完整性分析和圖像處理等方面的研究,已發(fā)表論文十余篇,jiashuheng@sina.com。