基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法及装置，方法包括：使用纳米孔传感器信号采集设备同步采集纳米孔电流信号和偏置电压信号；并将所采集到的电流信号和电压信号进行去均值及白化预处理，得到二维信号矩阵；将非相关性的信号矩阵进行独立成分分离，得到纳米孔过孔信号和背景噪声两个分量信号；结合频谱匹配算法，识别出包含纳米孔过孔信号信息的分量信号；通过快速恢复算法识别出的分量的方差和幅值，得到能用于特征识别的去噪纳米孔过孔信号。本发明专利技术能够有效去除背景噪声和伪迹，保留纳米孔易位信号的瞬态特性，提高纳米孔易位信号测量和特征识别精度。提高纳米孔易位信号测量和特征识别精度。提高纳米孔易位信号测量和特征识别精度。

【技术实现步骤摘要】
基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法及装置


[0001]本专利技术涉及的
是纳米孔传感
，尤其涉及一种基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法及装置。

技术介绍

[0002]纳米孔传感技术是一种简单高效的单分子分析方法，被广泛用于DNA测序、蛋白质鉴定以及病毒颗粒检测等诸多领域。纳米孔传感器的检测原理是在纳米孔两端的充满液体的腔室中的电极施加偏置电压，分子穿过纳米孔时会形成离子电流波动，即纳米孔电流信号。而设备获取的纳米孔电流信号通常受纳米孔材料、仪器噪声和外界电磁干扰的影响，导致信号失真，因此需要对检测到的DNA信号先去噪再分析。然而由于纳米孔测量系统中的离子电流和背景噪声的频率重叠范围分布较多，因此，在选择处理纳米孔测量数据时，需要根据具体情况进行权衡和选择。
[0003]上述问题是在纳米孔电流信号去噪过程中应当予以考虑并解决的问题。通过独立成分分析来去除纳米孔电流信号中的噪声，在实现去除多频段噪声的同时，能还原出滤波器方法所抑制的分子易位事件的瞬态特性。独立成分分析指的是从多个观测到的混合信号中分析出无法直接观测的原始信号，有着不需要预定混合系数、鲁棒性好、实时性强等优点，使用独立成分分析方法去噪已在各种心电图、超声图像、语音识别和脑电波分析等场景下进行了探索，逐渐成为焦点。低通滤波器可以去除高频噪声，但也会使信号变得钝化，掩盖细微且重要的特征；小波变换可以去除更多频段的噪声，但可能会抑制快速的电流波动，导致离子电流曲线的形态改变。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
[0006]因此，本专利技术解决的技术问题是：传统滤波器方法在频率上处理信号可能会造成信号钝化，从而掩盖离子电流曲线上细微且重要的变化。纳米孔测量系统中的离子电流和背景噪声的频率范围重叠，先前的研究发现在降噪的过程中区分背景噪声和分子易位波形是一项不易的任务，频域计算会造成信号失真，从而掩盖了由于分子动力学的随机性导致的可变时间尺度上的细微变化。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，包括：使用纳米孔传感信号采集设备同步采集偏置电压信号 及在其激励下溶液
中离子定向运动产生的纳米孔电流信号 ；将所述纳米孔电流信号 和偏置电压信号 进行去均值及白化预处理，得到二维信号矩阵 ；随机初始化一个解混矩阵 ，将所述二维信号矩阵 进行独立成分分离，对解混矩阵 进行迭代运算，使解混矩阵 达到收敛条件，得到最优解混矩阵，根据最优解混矩阵
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和二维信号矩阵 计算出由两个独立分量组成的信号矩阵
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；对所述信号矩阵
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中的两个分量进行频谱分析，使用频谱匹配算法，识别出包含纳米孔易位信息的分量信号 ；恢复所述分量信号 的方差和幅值，使用快速恢复矩阵算法，得到去噪后纳米孔电流信号 ，用于特征提取、易位事件定位，实现噪声去除。
[0008]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述预处理包括去均值和白化两个步骤，其中去均值包括：将纳米孔电流信号 和偏置电压信号两个信号组成二维信号矩阵，第一行是电流信号 ，第二行是电压信号
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，根据公式
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分别对每一行信号数据进行去均值，其中原始信号为
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，去均值后的信号为 ，mean()是求均值函数。
[0009]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述白化包括：先计算 的协方差矩阵：；
[0010]并对协方差矩阵C进行特征值分解，得到特征值和特征向量，将特征向量组成一个正交矩阵E，并且对所有特征值组成对角矩阵D，然后对去均值矩阵
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进行白化变换，
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；经过白化的数据矩阵，每个信号的方差都为1。
[0011]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述对解混矩阵
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进行迭代运算包括：迭代运算公式为：；
[0012]其中， 为第n+1次迭代计算后的解混矩阵， 为混合二维信号矩阵，
是估计函数，这里选取的是非线性函数,
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为的导函数，在本公式中即
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的导函数，
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表示期望运算符。
[0013]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述使解混矩阵
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达到收敛条件包括：在判断
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收敛时，需要满足两种收敛条件中的一个，具体的，当某一次收敛值小于设置的收敛阈值或者迭代次数大于最大迭代次数就停止迭代；收敛评估指标使用均方误差MSE，公式为：；其中，N是
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的采样点数，
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值为
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第i个样本点， 为估计值，即通过本次迭代产生的解混矩阵得到的信号 中第i个采样点， ，用来评估两个分量的独立性。
[0014]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述对所述信号矩阵中的两个分量进行频谱分析包括：包含的独立成分分量有且只有两个，纳米孔传感信号噪声主要包含闪烁噪声、热噪声、白噪声和介电噪声；根据噪声频谱分布特点和已识别出的历史数据拟合多种频谱样本，建立频谱样本表，并计算中两种独立分量信号频谱，通过频谱样本表的数据一起使用相关性算法进行对照匹配，由于纳米孔传感信号中电流信号和噪声信号的频谱具有不同的分布规律，可以确定
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行分量的物理意义为电流信号或噪声信号，频谱计算公式为
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,N为s(t)的采样点数。
[0015]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：所述恢复所述分量信号 的方差和幅值包括：通过将白化矩阵
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、解混矩阵
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和逆白化矩阵
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，合并为恢复矩阵
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来恢复信号幅值方差，合并公式为
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， 是 的逆矩阵，且对应噪声独立分量的部分置为零。
[0016]作为基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法的一种优选方案，其中：第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除系统，其特征在于，包括：采集模块，用于使用纳米孔传感信号采集设备同步采集偏置电压信号及在
其激励下溶液中离子定向运动产生的纳米孔电流信号 ；预处理模块，用于将所述纳米孔电流信号和偏置电压信号 进行去均值及白化预处理，得到二维信号矩阵 ；信号分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，其特征在于，包括：使用纳米孔传感信号采集设备同步采集偏置电压信号及在其激励下溶液中离子定向运动产生的纳米孔电流信号；将所述纳米孔电流信号(t)和偏置电压信号(t)进行去均值及白化预处理，得到二维信号矩阵；随机初始化一个解混矩阵，将所述二维信号矩阵进行独立成分分离，对解混矩阵进行迭代运算，使解混矩阵达到收敛条件，得到最优解混矩阵，根据最优解混矩阵和二维信号矩阵计算出由两个独立分量组成的信号矩阵；对所述信号矩阵中的两个分量进行频谱分析，使用频谱匹配算法，识别出包含纳米孔易位信息的分量信号；恢复所述分量信号的方差和幅值，使用快速恢复矩阵算法，得到去噪后纳米孔电流信号，用于特征提取、易位事件定位，实现噪声去除。2.如权利要求1所述的基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，其特征在于，所述预处理包括去均值和白化两个步骤，其中去均值包括：将纳米孔电流信号(t)和偏置电压信号(t)两个信号组成二维信号矩阵，第一行是电流信号(t)，第二行是电压信号根据公式分别对每一行信号数据进行去均值，其中原始信号为，去均值后的信号为，mean()是求均值函数。3.如权利要求2所述的基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，其特征在于，所述白化包括：先计算的协方差矩阵：；并对协方差矩阵C进行特征值分解，得到特征值和特征向量，将特征向量组成一个正交矩阵E，并且对所有特征值组成对角矩阵D，然后对去均值矩阵进行白化变换，；经过白化的数据矩阵，每个信号的方差都为1。4.如权利要求1或3所述的基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，其特征在于，所述对解混矩阵进行迭代运算包括：迭代运算公式为：；其中，为第n+1次迭代计算后的解混矩阵，为混合二维信号矩阵，是估计函数，这里选取的是非线性函数tanh(), 为的导函数，在本公式中即的导函数，表示期望运算符。5.如权利要求4所述的基于独立成分分析的纳米孔传感信号噪声去除方法，其特征在于，所述使解混矩阵达到收敛条件包括：在判断收敛时，需要满足两种收敛条件中的一个，具体的，当某一次收敛值小于设置的收敛阈值或者迭代次数大于最大迭代次数就停止迭代；收敛评估指标使用均方误差MSE，公式为：；其中，N是的采样点数，值为第i个样本点，为估计值，即通过本次迭代产
生的解混矩阵得到的信...

【专利技术属性】
技术研发人员：马千里，袁建煊，武灵芝，邓浩丰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：