吳莉莉,賈樹恒,邢玉清,盧少華,潘建斌,閆鳳鳴

(1.河南農(nóng)業(yè)大學理學院,鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院,鄭州 450002)

基于小波變換的昆蟲刺吸電位(EPG)信號去噪研究*

吳莉莉1*,賈樹恒1,邢玉清1,盧少華2,潘建斌1,閆鳳鳴2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學理學院,鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院,鄭州 450002)

昆蟲刺吸電位(EPG)信號為研究刺吸式昆蟲取食和傳毒機理提供了有力的依據(jù),然而EPG信號在采集過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,通過實驗對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價指標,確定了coif4小波6層分解,在Stein無偏風險估計準則下,改進閾值量化為最佳去噪方案;實驗結果表明,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信號去噪為后續(xù)分析識別提供了保證。

刺吸電位(EPG)信號;小波變換;閾值去噪

刺吸電位技術EPG(Electrical Penetration Graph)是研究刺吸式昆蟲在寄主植物上刺探和取食行為的一種電生理學技術[1-3],是研究刺吸式昆蟲取食和傳播植物病毒的重要實驗方法。作為昆蟲刺探行為、唾液分泌、取食等生理過程最直觀的體現(xiàn),EPG信號具有幅度小、頻率低、噪聲強、非線性和非平穩(wěn)等特點。EPG信號是一種微弱生理電信號,在采集和記錄過程中,主要的干擾來源于EPG儀器和昆蟲,分別表現(xiàn)為工頻干擾、放大電路內(nèi)部噪聲、昆蟲的運動偽跡干擾以及基線漂移等等。為了能準確地檢測和識別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去噪中廣泛使用的一種方法[4],它提供了一種自適應的時頻兩域局部化的分析方法,通過伸縮和平移對信號進行多分辨率分析[5],能在不同的分解層次上有效地從原始信號中提取有用信息,從而實現(xiàn)信號的去噪。小波變換在心電、腦電、肌電等生物信號的去噪中已做了大量的研究工作[6-10],然而對EPG信號的去噪研究還未見相關報道,本文將首次利用小波變換對EPG信號的去噪進行研究。

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

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。本文將通過實驗對比不同小波基函數(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局部緊致的基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和伸縮構成小波函數(shù)系去表示或逼近信號或函數(shù)。理論上來說,小波變換可分為連續(xù)小波變換和離散小波變換兩種。

對于信號f(t),設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)的復共軛,a為尺度因子(或稱伸縮因子),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小波變換域的系數(shù)進行篩選。含噪信號經(jīng)小波變換后,有用信號的小波系數(shù)幅值較大,數(shù)目較少,主要集中在低頻;而噪聲對應的小波系數(shù)幅值較小,數(shù)目較多,主要集中在高頻。通過在不同尺度上選擇一個適當?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),認為是有用信號,保留或做相應的處理,最后對小波系數(shù)進行重構,實現(xiàn)信號的去噪。

小波閾值去噪法主要分3個步驟[11]:①含噪信號的小波分解。選擇合適的小波并確定分解層數(shù)M,對含噪信號進行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對小波系數(shù)進行重構,得到去噪后的信號。

小波閾值去噪法中兩個基本要素是閾值的確定和閾值函數(shù)的選取,這關系到信號去噪的質量。在實際的工程應用中,常用的閾值選取方法主要有無偏似然估計閾值、固定閾值、啟發(fā)式閾值和極大極小閾值準則。在去噪過程中,要依據(jù)具體的應用選取某種閾值準則,以達到最佳去噪效果。

2 EPG信號的獲取

EPG信號由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,用導電銀膠將昆蟲粘在金屬絲上[1],金屬絲接入放大器,當昆蟲口針刺入植物組織中時,整個回路就被接通(如圖1所示)。昆蟲刺吸行為的變化會引起回路電壓的變化,這些變化的電壓值經(jīng)采集卡轉換為數(shù)字信號由計算機記錄,以曲線的形式呈現(xiàn)出來,此即為EPG信號。

圖1 EPG原理圖

實驗中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;昆蟲及植株選用的是桃蚜和煙草;信號采集實驗在白天室溫20 ℃下進行,受試蚜蟲在饑餓1 h后開始記錄。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信號的小波閾值去噪對比實驗

3.1 小波基的選取

同一信號去噪選用不同的小波基函數(shù)會得到不同的效果,總體來說,選取小波基函數(shù)應該具備對稱性或反對稱性、較短的支撐、正交性、較高的消失距等。然而要想使一個小波基同時具有這些特性往往是不可能的。實驗中擬選用db4、sym4、coif4 3種小波基函數(shù)進行去噪對比實驗,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

對刺吸昆蟲的EPG信號進行分析時,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),這些有用信號都集中在低頻部分。在對信號進行小波分解時,分解層數(shù)視信號的有用成分和采樣頻率而定。本文分析的EPG信號采樣頻率為100 Hz,對其進行6 層分解,各層對應的頻率范圍如表2所示。

表2 EPG信號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EPG信號去噪時,對小波分解的各層系數(shù)進行閾值量化,選取Stein無偏風險估計計算得到一個閾值,然后分別用硬閾值法(式(4))、軟閾值法(式(5))以及改進閾值量化方法(式(6))對小波分解系數(shù)進行閾值量化[12],通過對比實驗確定最佳閾值量化方案。

(4)

(5)

(6)

3.4 去噪效果評價

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)作為評價指標,定義如下:

(7)

(8)

3.5 噪聲的消除效果比較

實驗中以桃蚜在煙葉上取食1 h的EPG信號為例進行去噪對比,小波基函數(shù)分別選用db4,sym4,coif4 3種小波,在Stein無偏風險估計下計算閾值,分別采用硬閾值、軟閾值和改進閾值進行閾值量化,去噪后的效果如表3所示。顯然,采用coif4小波的改進閾值去噪后信號均方根誤差最小,信噪比最大,去噪效果最好。

利用coif4小波的改進閾值去噪法對EPG信號中的工頻干擾消除,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)部噪聲和昆蟲的運動偽跡干擾可看成白噪聲,在整個頻域內(nèi)都混有,以E2波為例,去噪效果如圖4所示。對基線漂移的去除,以E1波為例,去噪效果如圖5所示?？梢娦〔ㄗ儞Q可以很好地去除EPG信號中的噪聲干擾,且保留了原始信號的細節(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波去除基線漂移

4 結束語

小波變換常用于人體醫(yī)學信號的去噪研究中,本文首次將其應用于昆蟲刺吸電位信號的噪聲去除。文中對EPG儀器采集的含噪信號進行了去噪對比實驗,分別選用了db4、sym4、coif4 3種小波基函數(shù),在Stein無偏風險估計準則下采用硬閾值、軟閾值和改進閾值函數(shù),依據(jù)均方根誤差和信噪比來評價去噪效果。以桃蚜在煙葉上取食1 h的EPG信號為例,實驗結果表明采用coif4小波的改進閾值函數(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信號中的工頻干擾、放大電路內(nèi)部噪聲、昆蟲偽跡干擾以及基線漂移等噪聲。本文對EPG信號的去噪進行了初步探索研究,為后續(xù)的信號特征提取、分類識別提供了良好保證。

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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

項目來源:河南省科技攻關計劃項目(172102210044);河南省高等學校重點科研項目(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年獲浙江大學生物醫(yī)學工程專業(yè)博士學位,師從陳裕泉教授。副教授,主要從事傳感器技術、生物信號處理和模式識別等方面的研究,已發(fā)表論文四十余篇,wllzju@126.com;

賈樹恒(1977-),河南駐馬店人,2010年獲得西安電子科技大學電路與系統(tǒng)專業(yè)碩士學位,師從李玉山教授。講師,主要從事電路與系統(tǒng)、信號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。