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《湖南理工学院》 2019年
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基于小波变换的微流控芯片信号去噪方法研究

蔡佳辉  
【摘要】:微流控芯片作为微全分析系统的核心,因其具有耗样量少、分析快速高效、操作简单、易于集成等诸多优点,在司法检测、食品安全、医学药品以及环境保护等多学科领域中得到广泛应用。目前微流控芯片的研究主要集中在芯片结构以及检测电路的设计等方面,对微流控芯片信号研究则相对较少。微流控芯片信号是非平稳弱信号,容易受到噪声等干扰信号的影响,因此对微流控芯片信号处理方法的研究,有助于提高系统的检测灵敏度,对于提高微流控芯片的检测限具有重要意义。本文的研究内容主要包括以下几个部分:第一部分:对微流控芯片信号特性的研究以及信号模拟。由于微流控芯片分析诊断仪检测到的信号表现为不同波峰形式的窄脉冲信号,且不同波峰分别表示不同的成分。对实际采集的微流控芯片信号数据进行研究分析,并根据微流控芯片信号特点,以高斯函数为基础建立数学模型,对微流控芯片信号进行模拟。通过对模拟信号进行处理,以信噪比和均方根误差为评价指标,验证设计的微流控芯片信号去噪算法的有效性,然后再将设计的算法应用到实际的微流控芯片信号中进行实验处理。第二部分:基于离散平稳小波变换和小波系数能量元的微流控芯片信号去噪方法研究。为提高微流控芯片信号去噪效果,提出一种基于小波能量元和改进阈值函数的信号去噪方法。构建基于指数和对数函数的小波能量元双阈值函数,继而设计了微流控芯片信号去噪算法。以模拟的微流控芯片信号为研究对象,对比选择db4小波基进行了4层分解去噪仿真实验。仿真结果表明,本文方法优于现有的普通阈值法、空域相关法和能量元浮动阈值法。第三部分:基于双树复小波变换和改进阈值函数的微流控芯片信号去噪方法研究。针对传统离散小波变换阈值去噪方法存在的缺陷,以双树复小波变换为基础,设计改进阈值函数的双树复小波微流控芯片信号去噪方法。通过贝叶斯理论确定高频系数阈值,同时提出一种改进阈值函数。利用设计的方法对微流控芯片模拟信号去噪处理,去噪后模拟信号信噪比为75.39dB、均方根误差为0.011。去噪后的信噪比和均方根误差表明,去噪效果要优于离散小波变换、以及普通的双树复小波变换等现有的方法。本文设计的基于小波变换的微流控芯片信号去噪方法,都应用于自主研发的微流控芯片分析检测仪所检测到的信号中,对实际K~+、Na~+、Li~+离子信号进行去噪。实验结果表明,设计的微流控信号去噪算法能有效对信号进行处理,提升微流控分析检测设备的性能。
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