基于频域特征提取的无源蛋类鉴别

基于频域特征提取的无源蛋类鉴别

目前，中国大多数采用手动方法进行鸡裂的检查和选择。由于人体的感官限制，由于检测速度低，很难保证质量。近20多年来,一些国家已经开始研究鸡蛋裂纹的自动检测方法,如Goodrum等、潘磊庆等、孙永海等利用视觉与图像处理来检测蛋壳圈较大裂纹,检测正确率较高。Cho等报道了用声脉冲频率特性检测蛋壳裂纹,认为此方法针对细小裂纹的检测比视觉图像处理的精度高。Ketelaere等、Wang等利用声学脉冲共振特征频率特性来检测蛋壳的裂纹,通过对鸡蛋的时间信号和频率信号分析与功率谱密度分析,认为利用振动动态特性测量是一种有效的检测鸡蛋裂纹方法。王树才等利用声学响应后的衰竭时间、最小共振峰频率和最大频率差等参数进行模糊识别破损蛋。这些研究为深入探讨鸡蛋裂纹的检测方法和今后生产应用提供指导。鸡蛋裂纹检选敲击响应特性检测中获得的信息是大量的,采用不同的数据处理与分析,获得的结果可能不同。至今还没见到采用主成分分析、线性判别函数分析对鸡蛋敲击响应信号和频谱特性信号进行模式识别分析的报道。采用柔性压电薄膜传感器对鸡蛋的裂纹进行研究的也很少见。本文采用柔性压电薄膜传感器通过敲击振动的动力学方法检测鸡蛋的响应信号,对获得信号进行频谱分析后,进行主成分分析、线性判别函数分析,对鸡蛋有无裂纹进行模式识别。1方法和材料1.1小口径管网参数的采集与使用所建立的测试系统示意图如图1所示。采用柔性压电薄膜传感器LDTO-028K(宽频带0.001Hz~1GHz)和高性能自触发PCL-6250(采样率1.25M/s)数据采集卡。在平台底座固定鸡蛋,两侧开有小孔用于放置传感器,3个传感器的位置在鸡蛋纵径的大、小头处(以下简称“大头处”、“小头处”)和横径的“赤道”中央(简称“横径处”),激励点的位置可以调节。试验采用单点激振多点响应的方法。鸡蛋被激励后将自触发进行数据的采集、存储。在同一工况下重复试验8次。经预备试验,在鸡蛋的敲击试验中,用9.5g小木球以0.584m/s的速度进行敲击。获得时域数据后,进行快速傅立叶变换得到0-7500Hz的响应频率曲线(即频域特征或功率频谱特征)。1.2民族鸡蛋裂纹的实验2007年9月15日,从杭州养鸡场取得一批伊萨褐蛋鸡产的新鲜鸡蛋。将在放大镜下精心挑选的无损壳蛋运送至浙江大学生工楼实验室。根据实验需要,将鸡蛋人为轻轻挤压成裂纹蛋60只(裂纹宽在10μm以内),裂纹在近横径处、大头处和小头处的蛋各20只。另外选取60只完好无损蛋进行对比试验。试验样本的质量为51.1~63.4g、密度为0.98~1.19g/cm3。前期的试验证明质量、密度等对裂纹检测的影响较小,以鸡蛋纵径与横径相交处为激励点,同时以鸡蛋大头处、小头处、横径处为测点进行蛋壳有无裂纹的敲击试验。1.3统计量的选取本文采用多元统计中的主成分分析(PCA)和线性判别分析方法。通过主成分分析,可以讨论各变量对分类作用的大小和性状变异的方向,降维后的综合指标之间互不相关,却能反映原来多指标的信息。用线性判别函数分析,对于满足类内样本点接近、类间样本点疏远的性质,可以通过统计量:类间离差平方和与类内离差平方和的比值来表现。比值越大说明类内与类间差异越大,分类效果越好。2反应功能与特征值的提取2.1双幅值频率分布以鸡蛋小头处为激励点、横径处为测点进行鸡蛋蛋壳有无裂纹的敲击试验,结果见图2。从频域图中可发现无损蛋有一个幅值最大、频率值较低的主频率;而有裂纹蛋对应的频域特征中虽然也存在一个有响应幅值的主频率,但与其他幅值较高的频率相比,幅值差异不明显,且该频率值相对较高。同样,以鸡蛋大头处为激励点、横径处或小头处为测点进行试验后,也获得相类似的规律,图略。2.2归一化功率谱幅值的确定在对蛋壳有无裂纹的检测中,功率谱幅值可作为一个主要的考虑因素。但在相同条件的敲击响应下,功率谱幅值的大小与鸡蛋本身的多种物理特性有关,例如激励强度、鸡蛋大小、蛋形指数、蛋壳强度等等,这使得有无裂纹的检测只限于特性相近的鸡蛋上。笔者经过实验分析发现,敲击响应后即使鸡蛋的品种或特性不同(有裂纹和无裂纹),其功率谱特性曲线图都存在相似性,因此提出了归一化功率谱幅值,其定义如下P1=P/Pmax(1)Ρ1=Ρ/Ρmax(1)式中:P1为0~7500Hz内归一化功率谱幅值;P为0~7500Hz内功率谱幅值;Pmax为0~7500Hz内功率谱最大幅值。2.3资源值提取本文采用了单点激励多点响应,即采用了以横径处为激励点,大头处、小头处和横径处同时为测点,进行鸡蛋蛋壳有无裂纹的敲击试验。2.3.1功率谱幅值的提取类似于图2(b),以750Hz为间隔分别提取750、1500、2250Hz等频率下的归一化功率谱幅值,每条频域曲线上共提取10个频率的功率谱幅值作为特征值来进行鸡蛋有无裂纹的识别。这样,大头、小头和横径等3处信号的频谱曲线中各有10个特征值,共有30个功率谱幅值的特征值。以375Hz为间隔,分别提取375、750、1125Hz、……,共20个频率下的功率谱幅值作为特征值来进行鸡蛋有无裂纹的识别。这样,大头、小头和横径等3处信号的特征值共计有60个。2.3.2功率谱值特征值在归一化功率谱幅值中,依次提取最高幅值、第2高幅值、……,直至第10高幅值作为特征值来进行鸡蛋有无裂纹的识别。这样,3个测点共有30个功率谱值特征值。同样,从高到低依次提取前20个归一功率谱幅值作为特征值,3个位置测点共有60个功率谱值特征值。2.3.3鸡蛋有无裂纹在归一化功率谱幅值中,按幅值由高到低的顺序依次提取相对应的频率值,将前10个频率值、前20个频率值作为特征值来进行鸡蛋有无裂纹的识别。这样,3个测点共有30或60个功率谱值特征值。3观点及其结果采用三种方法提取的特征值,分别采用主成分分析和线性判别分析方法进行模式识别,结果见图3~图8。第一主成分的分析值(横坐标PC1或LD1)与第二主成分的分析值(纵坐标PC2或LD2)之和已达85%以上,表明PCA、LDA第一主成分、第二主成分的分析二维图能说明区分的情况。3.1pca、lda的分析图3是按间隔频率提取特征值经PCA和LDA的分析结果图。由图可知,采用PCA方法无法区分蛋有无裂纹,完好蛋与裂纹蛋在PCA区分图中大都是重叠的。采用LDA也无法区分,完好蛋与裂纹蛋也大都是重叠的。图4是基于20个特征值采用PCA、LDA分析的结果图。从图中可知,两种分析方法仍是无法区分的。效果还没有采用10个特征值的分析效果好。原因可能是由于信息量多,特别是无用信息多,影响了区分效果。由图2可知,裂纹蛋与无裂纹蛋的响应频率特性的区别主要体现在低频段(0~2500Hz),而不是中频段(2500~5000Hz)和高频段(5000~7500Hz)。特征值取得多,虽然低频段的特征值增加了,但中、高频段的特征值增加更多,使得在采用PCA、LDA等区分蛋有无裂纹的作用更小。3.2pca和lda的区分提取10个特征值后采用PCA、LDA的区分效果见图5。从图中可知,PCA方法和LDA方法有较好的区分效果,其中LDA的区分效果比PCA还好些。比较图3可知,采用依次取最高幅值提取10个特征值采用PCA、LDA的区分效果比按等间隔频率提取幅值特征值的区分效果要好得多。提取20个特征值后采用PCA、LDA的区分效果见图6。采用PCA区分时裂纹蛋与完好蛋间有较多重叠。而采用LDA能较好地区分出完好蛋与裂纹蛋。从图5和图6可以发现,采用20个特征值后经过PCA、LDA区分的效果分别不如采用10个特征值区分的效果。由图2可知,完好蛋在低频率(0~2500Hz)的幅值明显较高,在中频率(2500~5000Hz)和高频率(5000~7500Hz)的幅值相对低些。提取前10个特征值时,完好蛋相应的归一化后幅值相互间可能差异较大;而裂纹蛋相应幅值间的差异较小。在提取前10个特征值时,完好蛋的特征值(低频率占多数)相对幅值较高些,而裂纹蛋的特征值幅值没有完好蛋的高。在提取前20个特征值时,完好蛋的特征值不仅在低频率时高幅值的较多,在中高频率时低幅值的也较多;并且完好蛋与裂纹蛋的特征值的差异没有前10个特征值时的大。因此提取前10个特征值的判断效果优于提取前20个特征值的。由图2(b)可知,在经过归一化处理的完好蛋响应频谱特性中,功率谱峰值约占10个左右,而这些正是区分裂纹蛋的重要因素;按幅值高低依次提取的归一化幅值20个特征值的后10个特征值中,较多的是一些幅值较低、对裂纹蛋区分作用不大的信息。3.3取频率对不同特征值的判别提取前10个特征值,采用PCA、LDA的区分效果见图7。从图中可知,PCA和LDA的区分效果很好。裂纹蛋与完整蛋均集中在各自区域上。相比之下,采用LDA区分的效果更好。比较图6和图7,采用前10个幅值高的频率作为特征值区分的效果最佳。按功率幅值高低提取频率作为特征值来判别完好蛋与裂纹蛋,其效果优于按功率谱幅值高低提取幅值的方法。这可能是因为完好蛋的响应频域中幅值较高的特征值在低频率较多,特别是前10个特征值中大多系低频率段的。而裂纹蛋的幅值较高的特征值以中高频率为主。这种差异在按功率谱幅值高低提取幅值中没有这样大。提取前20个特征值,采用PCA、LDA的区分效果见图8。从图中可知区分的效果较好。与图7比较采用20个特征值区分的效果不如10个特征值的区分效果。提取前10个频率作为特征值的判别正确率比提取前20个频率的正确率要高。在完好蛋前10个频率响应频域中,低频率段占多数;而裂纹蛋前10个频率响应频域中,中高频率占多数。在完好蛋的前20个频率响应频域中,增加了许多中高频率;而裂纹蛋的前20个频率响应频域中,也增加了多个低频率。因此提取10个特征值的判断效果优于提取20个特征值的判断效果。4提取参数选取对判别效果的影响(1)无损蛋的频域特征曲线有明显的主频率值,峰值突出;裂纹蛋频域特征曲线上没有明显的主频率值,峰值多而紊乱。(2)在归一化功率谱中,分别按频率、依次取最高