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收稿日期:2022-11-15
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2024-04-30
									
			通讯作者:
					
					
							基金资助:
        
               		ZHAO  Wei, ZHUO  Zhihai*( ), ZHANG  Yuexia
), ZHANG  Yuexia
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-11-15
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2024-04-30
									
			摘要:
针对弱生理信号在采集过程中易被噪声淹没,传统小波去噪算法存在去噪效果差和信号提取失真的问题,根据小波系数的能量分布特点,提出一种改进的小波阈值去噪算法。通过计算各层小波系数的能量来确定阈值,避免阈值计算的不平衡性,同时提高自适应性和弱信号的保真度;采用一种改进的可调节的双参数阈值函数对小波系数进行处理,在小波系数压缩程度可控的同时可以自由调节阈值函数的变化趋势。实验结果表明:改进的小波阈值去噪算法相较于两种传统去噪算法(经验模态分解算法和滤波器算法)以及12种传统小波阈值和阈值函数组合算法,在信噪比、均方根百分比和均方根误差上都具有明显的优势,并且在实测生理信号中取得了最小的平均相对误差和最小的波动性。
中图分类号:
赵薇, 卓智海, 张月霞. 基于能量阈值的双参数阈值函数在生理信号降噪中的应用[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1264-1272.
ZHAO Wei, ZHUO Zhihai, ZHANG Yuexia. Application of Two-parameter Threshold Function Based on Energy Thresholds in Denoising of Physiological Signal[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(4): 1264-1272.
| 小波基 | SNR | SNR' | η | σc | σr | 
|---|---|---|---|---|---|
| sym3 | 7.9342 | 18.8275 | 2.3730 | 0.9934 | 0.1170 | 
| db4 | 7.9342 | 18.6875 | 2.3553 | 0.9932 | 0.1189 | 
| haar | 7.9342 | 16.7295 | 2.1085 | 0.9893 | 0.1496 | 
| bior3.1 | 7.9342 | 6.3611 | 0.8017 | 0.8768 | 0.5572 | 
表1 各种小波基去噪衡量指标表
Table 1 List of denoising measures for various wavelet bases
| 小波基 | SNR | SNR' | η | σc | σr | 
|---|---|---|---|---|---|
| sym3 | 7.9342 | 18.8275 | 2.3730 | 0.9934 | 0.1170 | 
| db4 | 7.9342 | 18.6875 | 2.3553 | 0.9932 | 0.1189 | 
| haar | 7.9342 | 16.7295 | 2.1085 | 0.9893 | 0.1496 | 
| bior3.1 | 7.9342 | 6.3611 | 0.8017 | 0.8768 | 0.5572 | 
| 去噪算法 | SNR | σr | σp | 
|---|---|---|---|
| λb+ωb | 14.5885 | 0.0963 | 0.1488 | 
| λb+ωh | 12.7328 | 0.0718 | 0.2090 | 
| λb+ωs | 11.2421 | 0.0883 | 0.2493 | 
| λZ+ωb | 10.9285 | 0.1065 | 0.2682 | 
| λZ+ωh | 9.2749 | 0.1333 | 0.3518 | 
| λZ+ωs | 7.0072 | 0.1780 | 0.5111 | 
| λD+ωb | 13.2187 | 0.0796 | 0.2233 | 
| λD+ωh | 12.8372 | 0.0834 | 0.2653 | 
| λD+ωs | 9.7004 | 0.1118 | 0.2755 | 
| λf+ωb | 8.5310 | 0.1330 | 0.3658 | 
| λf+ωh | 8.4779 | 0.1330 | 0.3823 | 
| λf+ωs | 7.6883 | 0.1400 | 0.3872 | 
| EMD | 1.5329 | 0.3655 | 1.0127 | 
| 带通滤波器 | 1.5462 | 0.3354 | 0.9293 | 
表2 不同噪声强度下的随机10组ECG信号去噪性能指标对比
Table 2 Comparison of the denoising performance indexes of ten random ECG signals with different noise intensities
| 去噪算法 | SNR | σr | σp | 
|---|---|---|---|
| λb+ωb | 14.5885 | 0.0963 | 0.1488 | 
| λb+ωh | 12.7328 | 0.0718 | 0.2090 | 
| λb+ωs | 11.2421 | 0.0883 | 0.2493 | 
| λZ+ωb | 10.9285 | 0.1065 | 0.2682 | 
| λZ+ωh | 9.2749 | 0.1333 | 0.3518 | 
| λZ+ωs | 7.0072 | 0.1780 | 0.5111 | 
| λD+ωb | 13.2187 | 0.0796 | 0.2233 | 
| λD+ωh | 12.8372 | 0.0834 | 0.2653 | 
| λD+ωs | 9.7004 | 0.1118 | 0.2755 | 
| λf+ωb | 8.5310 | 0.1330 | 0.3658 | 
| λf+ωh | 8.4779 | 0.1330 | 0.3823 | 
| λf+ωs | 7.6883 | 0.1400 | 0.3872 | 
| EMD | 1.5329 | 0.3655 | 1.0127 | 
| 带通滤波器 | 1.5462 | 0.3354 | 0.9293 | 
| 实验参数 | 数值 | 
|---|---|
| 起始频率/GHz | 77 | 
| 调频斜率/(MHz·μs-1) | 70 | 
| 有效带宽/MHz | 3500 | 
| ADC采样点数 | 200 | 
| 采样率/(kS·s-1) | 4000 | 
| 每帧时间/s | 0.05 | 
| 采集帧数 | 1024 | 
表3 毫米波雷达的参数配置
Table 3 Millimeter-wave radar parameter configuration
| 实验参数 | 数值 | 
|---|---|
| 起始频率/GHz | 77 | 
| 调频斜率/(MHz·μs-1) | 70 | 
| 有效带宽/MHz | 3500 | 
| ADC采样点数 | 200 | 
| 采样率/(kS·s-1) | 4000 | 
| 每帧时间/s | 0.05 | 
| 采集帧数 | 1024 | 
| 算法 | 呼吸频率 | 心跳频率 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 参考值 | 波峰波 谷检测 结果 | 误差 | 参考值 | 波峰波 谷检测 结果 | 误差 | |
| λZ+ωh | 23 | 15.2344 | 7.7656 | 86 | 75.0000 | 9.0000 | 
| λD+ωs | 23 | 15.2344 | 7.7656 | 86 | 75.0000 | 9.0000 | 
| λb+ωb | 23 | 25.0938 | 2.0938 | 86 | 87.9922 | 1.9922 | 
| EMD | 23 | 27.5391 | 4.5319 | 86 | 69.7266 | 16.2734 | 
| 带通滤波器 | 23 | 18.7500 | 4.3500 | 86 | 88.4766 | 2.4766 | 
表4 5种算法去噪后的生理信号波峰波谷平均检测结果
Table 4 Results of peak-to-trough average detection of physiological signals after denoising by 5 algorithms
| 算法 | 呼吸频率 | 心跳频率 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 参考值 | 波峰波 谷检测 结果 | 误差 | 参考值 | 波峰波 谷检测 结果 | 误差 | |
| λZ+ωh | 23 | 15.2344 | 7.7656 | 86 | 75.0000 | 9.0000 | 
| λD+ωs | 23 | 15.2344 | 7.7656 | 86 | 75.0000 | 9.0000 | 
| λb+ωb | 23 | 25.0938 | 2.0938 | 86 | 87.9922 | 1.9922 | 
| EMD | 23 | 27.5391 | 4.5319 | 86 | 69.7266 | 16.2734 | 
| 带通滤波器 | 23 | 18.7500 | 4.3500 | 86 | 88.4766 | 2.4766 | 
| 算法 | 呼吸频率平均 相对误差 | 心跳频率平均 相对误差 | 
|---|---|---|
| λZ+ωh | 0.1680 | 0.2343 | 
| λD+ωs | 0.1680 | 0.2343 | 
| λb+ωb | 0.0547 | 0.0781 | 
| EMD | 0.3125 | 0.1874 | 
| 带通滤波器 | 0.0859 | 0.0938 | 
表5 5种算法的平均相对误差
Table 5 Average relative errors of five algorithms
| 算法 | 呼吸频率平均 相对误差 | 心跳频率平均 相对误差 | 
|---|---|---|
| λZ+ωh | 0.1680 | 0.2343 | 
| λD+ωs | 0.1680 | 0.2343 | 
| λb+ωb | 0.0547 | 0.0781 | 
| EMD | 0.3125 | 0.1874 | 
| 带通滤波器 | 0.0859 | 0.0938 | 
| 算法 | 呼吸频率最小二乘 损失函数 | 心跳频率最小二乘 损失函数 | 
|---|---|---|
| λZ+ωh | 12.47 | 45.56 | 
| λD+ωs | 12.47 | 45.56 | 
| λb+ωb | 5.87 | 5.09 | 
| EMD | 43.24 | 16.17 | 
| 带通滤波器 | 6.58 | 15.59 | 
表6 5种算法的最小二乘损失函数对比
Table 6 Comparison of least squares loss functions of five algorithms
| 算法 | 呼吸频率最小二乘 损失函数 | 心跳频率最小二乘 损失函数 | 
|---|---|---|
| λZ+ωh | 12.47 | 45.56 | 
| λD+ωs | 12.47 | 45.56 | 
| λb+ωb | 5.87 | 5.09 | 
| EMD | 43.24 | 16.17 | 
| 带通滤波器 | 6.58 | 15.59 | 
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