一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用与流程

1.本发明涉及智能感知信息处理技术领域，尤其涉及一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用。


背景技术：

2.太赫兹(thz)波是一种介于毫米波和红外之间的电磁波，其频率大致位于0.1～10thz范围内，许多大分子的振转能级落在太赫兹频段，利用太赫兹信号研究与大分子物质的相互作用规律具有更好的一一对应的指认性。thz波辐射能量低，大概在毫电子伏特量级，因而不会对被测物质造成破坏，是一种比较理想的无损检测手段。于是，近年来越来越多的学者使用太赫兹波进行物质检测与识别，特别是在生物、化学、医学等领域。流体或溶液状样品通常无明显特征不易直接通过原始信号区分。
3.现有技术中的太赫兹照射方式相位稳定性不佳，例如常规采用液体池的方式有多个界面，而且液体池的液面厚度通常较小以便使得太赫兹信号可以有效透过，会出现无法滤除的多波干扰叠加，液体池厚度通常在1mm一下，与太赫兹的波长范围比较接近，多界面后产生许多回波振荡。还有人采用向下照射的方式，此时在更换被测液体时，无法确保液面高度的精确一致，微小的变化导致太赫兹的微扰有可能淹没液体中微量成分的导致的信号变化。
4.熵是自然界中的一个基本物理量，可以用于表征系统的复杂度。对于溶液系统或类溶液系统，大量分子的相互作用组成了一个复杂的整体体系，太赫兹信号与系统发生相互作用时携带了系统的信息。样本熵是通过计算条件概率的负对数来确定时间序列的复杂度，可以用于时间信号的特征提取，突破了常规的特征提取的限制，但其计算结果只有一个数值(即建立在单一尺度上)，有时并不能正确的表示长时间信号的变化规律。复合多尺度熵是通过考虑多个尺度的样本熵来量化信号的复杂度，但是默认为不同尺度的信号对样品的反应是一样的，仍然限制了识别的效果。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术和应用存在的问题，本发明提供一种非接触、无电离破坏的流体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用。
6.当物质中的成分发生微量变化，导致整体宏观系统发生变化，从而导致观测信号的变化，本发明通过分析，获得微观变化对应的宏观量的变化，从而对微观信息进行有效判断。第一步是高相位精度的信号测试方式。采用高纯度熔融各向同性石英基底作为被测物的承载体；综合各种需求因素选择石英作为首选承载体物质经过大量筛选和对比，需要考虑太赫兹电磁波的透射率、反射率、材料成本、材料的稳定性、耐腐蚀性、硬度、多光谱的透光性、可视性等等，在一些特定的极端条件下，还可以选择金刚石、高阻硅材料作为承载体；被测物依靠自然重力置于基底上表面，并达到一定的厚度和覆盖面积；太赫兹信号从基底下表面垂直上下表面入射，透过下表面到达上表面，在上表面与被承载物发生相互作用，收
集被原路反射回的信号用于数据分析。第二步是信号预处理。获得多个待识别物质的太赫兹时域信号；获得所述信号不同频域尺度或不同时域尺度的子波信号。第三是表征信号。获得所述子波信号的复合加权尺度熵；通过所述复合加权尺度熵的差异区分所述多个待识别物质；所述复合加权尺度熵为以太赫兹信号的振幅变化作为权重，对信号进行加权平均后计算样本熵得到。
7.基于上述原理，本发明提一种出液体物质成分变化的信息识别方法，包括：
8.将所述待识别物质置于基底上，从所述基底下方，以垂直于所述基底所在平面的方向照射太赫兹波，太赫兹波穿过所述基底，接触待测液体并反射回探测器，即得所述液体的太赫兹信号；
9.所述基底的材料为各向同性石英、金刚石或高阻硅材料中的一种或多种，优选为各向同性石英。
10.进一步地，所述基底的厚度大于0.5cm，优选为2～3cm。通常要求规避的石英下表面信号的振荡，厚度越厚，规避越好，但是同时也造成信号衰减增大、信号传输路径过长、波束变形影响提高等负面影响增强。
11.进一步地，所述获取所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵包括：
12.对所述太赫兹时域信号进行变分模式分解得到多组模函数；选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号，获取所述子波信号的复合加权尺度熵作为所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵。
13.进一步地，所述选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号包括：
14.基于模函数的频域和所述太赫兹时域信号的覆盖范围，结合所述待识别物质的物质状态先验信息，选择差异最大的一组模函数；
15.所述物质状态先验信息包括：预测的浓度范围、溶液的组成成分、环境条件稳定性、设备状态稳定性中的一种或多种。
16.进一步地，在获取所述子波信号的复合加权尺度熵的过程中，在得到多个加权粗粒化序列后，针对每一个待识别物质，计算将其所有加权粗粒化序列的样本熵，后按照相应的加权尺度之和的平均值作为其的复合加权尺度熵。
17.进一步地，所述变分模式分解中使用的二次惩罚因子α通过如下方法得到：
18.(1)将二次惩罚因子α在200～2200范围内寻优，从200开始，依次递增10遍历至2200；
19.(2)针对每个二次惩罚因子α，实施变分模式分解，结合物质状态先验信息，选择一组模函数作为子波信号，根据设定的尺度s将待识别物质的太赫兹时域信号划分为多个不重叠的窗口，计算每个窗内太赫兹时域信号的平均值作为粗粒化信号，得到s个粗粒化序列；
20.根据设定的加权尺度因子ss，将每一个粗粒化序列划分为多个不重叠的窗口，获得每个窗内相邻信号点的振幅变化率作为其自身的权重系数ω(由于窗内第一个点无法得到幅值变化故设置其权重为1)，并依据每个粗粒化信号的权重系数进行加权平均得到加权粗粒化信号，针对每一个粗粒化序列，得到ss个加权粗粒化序列；
21.计算每一个加权粗粒化信号的样本熵后，将ss个加权粗粒化序列的样本熵按照相应的加权尺度之和取平均值即得到复合加权尺度熵；
22.(3)确定出各尺度下的加权尺度的样本熵值的差异性，获得至少在一个加权尺度下熵值有差异的二次惩罚因子α。
23.进一步地，步骤(2)中，2≤s≤20，和/或，2≤ss≤20；
24.进一步地，步骤(2)中，所述计算每一个加权粗粒化信号的样本熵后，复合加权尺度熵可通过如下复合加权尺度熵公式计算得到：
[0025][0026][0027]
其中，为所述加权粗粒化序列，m为嵌入维度，r为相似度阈值，ω(k,j)为权重系数，1≤k≤s，1≤kk≤ss。
[0028]
进一步地，步骤(2)中，所述选择一组模函数作为子波信号为：基于模函数的频域和所述太赫兹时域信号的覆盖范围，结合所述待识别物质的物质状态先验信息，选择差异最大的一组模函数。
[0029]
进一步地，步骤(3)中，在获得至少在一个加权尺度下熵值有差异的二次惩罚因子α后，比较具有差异性的样本熵值的加权尺度个数，个数最多的对应的二次惩罚因子α即为最优的二次惩罚因子α。
[0030]
进一步地，步骤(3)中，通过二值化图像获得确定出各加权尺度下的样本熵值的差异性。
[0031]
进一步地，所述依据所述复合加权尺度熵的差异对所述待识别物质进行识别为，根据t检验，确定不同待识别物质在时间尺度上的统计学差异，以区分不同待识别物质。
[0032]
本发明进一步提供所述信息识别方法在鉴别流体或溶液样品的应用。
[0033]
进一步地，所述溶液样品为不同浓度的同种蛋白样品。
[0034]
进一步地，所述蛋白样品为c
‑
反应蛋白。
[0035]
本发明提供一种向上垂直入射获取高度一致性太赫兹原始信号的方法，使得精细的分析高复杂度流体或溶液系统成为可能。采用向上垂直入射才能够保证在基底材料上界面与被测目标发生相互作用时，时域太赫兹信号的相位一致性非常的高，而其他的太赫兹照射方式通常无法保证如此高的相位稳定性。
[0036]
此外，本发明不仅在计算复合尺度熵时，考虑对信号进行粗粒化处理(即对划分的每个区间内的点数取平均值从而得到相应的序列)，而且在粗粒化的基础上进一步添加了加权平均处理过程，提出一种复合加权尺度熵算法，根据不同尺度以及加权尺度下的样本熵对性质相似的物质的太赫兹信号进行区分，有效提升了识别的可靠性。在获得高度稳定的原始信号后，通过变分模式分解的方法，将原始信号变分为不同时域分量或频域分量的子波，根据不同的被测目标，高效的相互作用区间通常是不同的，因此选区合适分量的子波可以更好的识别出痕量物质对系统的细微影响。分解后的子波受参数α取值的影响，经过优化提取出特定子波后，计算子波信号的复合加权尺度熵，用于对性质相似的物质的太赫兹
信号进行区分。
[0037]
本发明具备如下有益效果：
[0038]
本发明使用基于各向同性石英基底的垂直向上反射式太赫兹测量方法，获得高质量原始信号，针对不同物质的太赫兹时域信号的差异，在原有时间序列的复合多尺度熵的基础上，通过模式分析获得优化的子波信号，并计算其复合加权尺度熵，通过计算复合加权尺度熵进行不同物质的区分，施加的权重系数结合太赫兹信号的幅值和时延特性的变化并增加了相应的权重尺度，从而可以获得更多的样本熵，提升微小差异的识别效果，这在物质识别领域有重要意义，例如实现不同浓度蛋白溶液的区分。
附图说明
[0039]
图1为本发明所使用的基于各向同性石英基底的垂直向上反射式太赫兹测量装置和方法的示意图。
[0040]
图2为本发明实施例1提供的不同浓度c
‑
反应蛋白校准品溶液的太赫兹时域信号；其中a为浓度为19.7mg/l 52.2mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液的太赫兹时域信号差异，b为浓度为19.7mg/l与143mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液的太赫兹时域信号差异，c为浓度为19.7mg/l与281mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液。
[0041]
图3为本发明实施例1提供的通过幅值变化对粗粒化序列进行加权的示意图。
[0042]
图4为本发明实施例1提供的浓度为19.7mg/l 52.2mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液的复合尺度熵和复合加权尺度熵的计算结果；其中a为α＝139时第一模态子波信号的复合加权尺度熵p值分布二值图像；b为α＝139时第一模态子波信号在第2尺度下的复合多尺度熵曲线。
[0043]
图5为本发明实施例1提供的浓度为19.7mg/l 143mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液的复合加权尺度熵的计算结果；其中a为α＝9时第一模态子波信号的复合加权尺度熵p值分布二值图像；b为α＝9时第一模态子波信号在第3尺度下的复合多尺度熵曲线。
[0044]
图6为本发明实施例1提供的浓度为19.7mg/l 281mg/l的c
‑
反应蛋白校准品溶液的复合加权尺度熵的计算结果；其中a为α＝169时第一模态子波信号的复合加权尺度熵p值分布二值图像；b为α＝169时第一模态子波信号在第1尺度下的复合多尺度熵曲线。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
实施例1
[0047]
本实施例提供一种基于太赫兹信号复合加权尺度熵的不同浓度的c
‑
反应蛋白校准品溶液的识别方法，具体包括如下流程：
[0048]
1、选取第一组的两种浓度(19.7和52.2mg/l)的c
‑
反应蛋白校准品溶液(购于德赛诊断系统有限公司)进行测试。
[0049]
2、对于19.7mg/l溶液，使用一次性注射器抽取1ml，轻轻滴放至各向同性石英片
上，并采集太赫兹时域信号。采集之后，用酒精和清水清洗各向同性石英片。然后再使用不同的注射器依次提取1ml该溶液采集相应的信号。总共测试3次。同理对于52.2mg/l的溶液采取同样的方式进行测试。
[0050]
该步骤具体可参照图1所示流程，具体可以将待测液体滴放在各向同性石英基底上，各向同性石英对于太赫兹波具有较高的透过率。太赫兹波垂直向上穿过各向同性石英，接触待测液体并反射回探测器，获得所述液体的太赫兹信号。采用向上垂直入射才能够保证在基底材料上界面与被测目标发生相互作用时，时域太赫兹信号的相位一致性非常的高，而其他的太赫兹照射方式通常无法保证如此高的相位稳定性。各向同性石英厚度为2cm，可以有效去除各向同性石英下表面的反射信号对于样品反射信号的干扰。
[0051]
3、依次选取第二组(52.2与281mg/l)、第三组(143与281mg/l)的溶液并按照步骤(2)进行测试，图2表示每种浓度溶液的平均信号。
[0052]
4、计算以上信号的复合加权尺度熵的数值。
[0053]
(1)利用变分模式分解将样品的太赫兹时域信号进行分解，取第一模态函数作为太赫兹信号频域或时域的子波信号，将二次惩罚因子α在200～2200范围内寻优，从200开始，依次递增10遍历至2200，故每个样品信号共分解201个子波信号。
[0054]
(2)根据设定的尺度s将上述分解子波信号{x
i
}划分为若干个不重叠的窗口(窗口的个数由尺度数s确定)，计算窗内点数的平均值，各窗内的平均值所构成的序列(粗粒化序列)为：
[0055][0056][0057]
(2)将上述序列再次划分为若干不重叠的窗口(其数量依赖于设置的加权尺度)，取窗口内相邻两点间的幅值变化率作为权重系数ω(由于窗内第一个点无法得到幅值变化故设置其权重为1)，得到带权重的序列：
[0058]
其中1≤k≤s，1≤kk≤ss。
[0059]
图3表示对该算法权重尺度序列说明(尺度和加权尺度均取2)。
[0060]
(3)根据下面的公式对上述序列计算样本熵，得到复合加权尺度熵。
[0061][0062][0063]
其中，m为嵌入维度，r为相似度阈值，一般情况下，m＝2，r＝0.15σ，σ为该时间信号的标准差。
[0064]
最终得到的结果是在不同尺度和不同加权尺度下的熵值。
[0065]
5、根据t检验，确定出每两组浓度溶液在相应尺度下样本熵值的统计学差异性，得到加权尺度下熵值差异性较大的二次惩罚因子α，并得到具有差异性的熵值，从而达到识别的目的。
[0066]
步骤(2)、(3)中每种浓度溶液测试3次并采集相应的信号，所需测试量为1ml。
[0067]
步骤(4)中复合加权尺度熵的参数设置：尺度s与加权尺度ss均设置为20，嵌入维度为2，阈值r＝0.15σ，σ为时间信号的标准差。
[0068]
步骤(5)中，对于复合加权尺度熵，本实施例采用二值化图像来表示识别结果(以p＝0.05作为阈值)。对于一维曲线结果的表示，本实施例选取差异性熵值最多的某一尺度，得到该尺度下的不同加权尺度的熵值分布曲线。
[0069]
从图4～6的计算结果来看，复合加权尺度熵具有更多统计学差异性的熵值。由此说明该方法可以对太赫兹信号相似的物质进行有效区分，该方法在相关领域进行相似的物质识别具有重要的价值。
[0070]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。