专利名称：基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粮食及油料品质的无损检测方法。
背景技术：
粮食和油料的品质与其用途有直接的联系，因此与粮食和油料的价格也有密切关系。测定粮食及油料品质的方法和仪器已经有很多，例如，测定小麦硬度的方法有压力法、 研磨法、颗粒度指数法、近红外法等，这些方法或费时、费力、不能实时测定，或测定成本太高而无法普及。因此，需要寻找一种简便、无损、成本低廉的粮食和油料品质测定方法。近几十年以来，信息科学技术迅速发展，利用信号处理技术可以从粮食和油料籽粒撞击声音信号中提取出有用信息，可以基于这一原理检测粮食和油料的品质特性。

发明内容
本发明的目的在于提供一种客观、简便、无损、成本低廉的粮食和油料品质多指标检测的测定方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明中，一种基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法和系统，是指利用粮食和油料籽粒的声学特性，结合小波变换技术，对粮食和油料的品质进行无损检测，具体过程如下(1)将粮食或油料籽粒放入信号采集箱，使其撞击采集箱底部的金属靶产生声音信号；(2)声音传感器接收粮食或油料籽粒撞击的声音信号，经过滤波和放大后，数据采集卡对声音信号进行A/D变换，计算机将采集到的声音信号数据保存起来；(3)利用端点检测方法检测出每一粒粮食或油料籽粒撞击所产生声音信号的起点和终点；(4)利用小波函数，对每一粒粮食或油料籽粒由以上起点和终点确定的撞击声音数据进行多尺度一维离散小波分解；(5)对每一籽粒声音信号分解结构中第η层近似分量的小波系数，利用小波函数进行单支重构，其中η为正整数，即根据步骤(4)的分解结果，重构第η层的近似分量，然后将所有籽粒的重构信号取绝对值后求平均，最后对得到的平均值序列求平方和，即得出能量，作为特征；(6)采用回归方法，建立提取的能量特征与粮食或油料品质指标的回归分析预测模型；(7)基于以上关系模型测定粮食或油料的品质指标。在所述的步骤和(5)中，采用db函数、haar函数、Coifiets函数、Symlets函数、Discrete Meyer 函数、Biorthogonal 函数、Reverse Biorthogonal 函数中的任意一禾中， 对每一粒粮食或油料声音数据进行多尺度一维离散小波分解与重构。
所述的粮食或油料籽粒以单粒自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶。所述的粮食或油料籽粒以固定流量自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶。所述的粮食籽粒为小麦、水稻、糙米、大米、玉米、绿豆中的任意一种；所述的油料籽粒为油菜籽、花生、大豆中的任意一种。本发明中，一种基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取系统它包括自动进料装置，自动进料装置与采集箱相通；在所述采集箱的底部设置金属靶和声音传感器，声音传感器采集的声音信号经过滤波器滤波、放大器放大后送入主机，所述的主机为包含数据采集卡的主机。在所述的采集箱的内壁上装有隔音材料层。采用上述技术方案的本发明，由于是利用粮食和油料籽粒的声学特性，并结合了小波变换技术，能够客观地检测粮食和油料的品质特性，实现了对粮食或油料品质特性的单粒、简便、无损、低成本的检测。


图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明的系统框架图；图3是本发明的信号处理程序流程图。
具体实施例方式本发明以下结合附图和实施例作以详细的描述实施例1测量小麦的硬度指标。如图3所示，本发明是利用小麦籽粒的声学特性，结合小波变换技术，对小麦硬度进行无损检测，具体过程如下(1)将小麦籽粒放入信号采集箱，使其撞击采集箱底部的金属靶产生声音信号；(2)声音传感器接收小麦籽粒撞击的声音信号，经过滤波、放大后，数据采集卡对声音信号进行A/D变换，计算机将采集到的声音信号数据保存起来；(3)利用端点检测方法检测出每一粒小麦籽粒撞击所产生声音信号的起点和终点，在实施本步骤中，可根据小麦籽粒声音信号与背景噪声幅度的区别，确定一幅度阈值， 据此检测出每一粒小麦籽粒撞击所产生声音信号的起点和终点；也可以根据能量、频谱等其他的端点检测法进行检测；(4)利用小波函数，对每一粒小麦籽粒由以上起点和终点确定的撞击声音数据进行多尺度一维离散小波分解；(5)对每一籽粒声音信号分解结构中第η层近似分量的小波系数，利用小波函数进行单支重构，其中η为正整数，即根据步骤(4)的分解结果，重构第η层的近似分量，然后将所有籽粒重构信号取绝对值后求平均，最后对得到的平均值序列求平方和，即得出能量， 作为特征。在本步骤中，η取3为最佳实施方式；需要说明的是，在步骤⑷和(5)中，可采用db函数、haar函数、Coifiets函数、 Symlets 函数、Discrete Meyer 函数、Biorthogonal 函数、Reverse Biorthogonal 函数等等小波函数中的任意一种，对每一粒小麦声音数据进行多尺度一维离散小波分解与重构。上述的小波函数均为现有技术，且利用小波函数对声音数据进行分解和重构的过程均为本领域普通技术人员所熟知的技术。(6)利用一元线性回归方法，建立提取的能量特征与小麦硬度指标的回归分析预测模型，一元线性回归的表达式为y = Ax+B，其中自变量χ为能量特征，因变量y为预测的小麦硬度指标，A和B为回归系数；(7)基于以上关系模型测定小麦的硬度指标。在本实施例中，小麦籽粒以单粒自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶，除此之夕卜，还可以采用将小麦籽粒以固定流量自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶，其流量只要保证恒定即可。在实施上述方法的过程中，还需要涉及一种基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取系统，如图2所示，该系统包括小麦声音信号产生系统、信号采集系统和信号处理系统。其原理为将小麦放入声音信号产生系统后产生声音信号，利用信号采集系统对声音信号进行采集，将采集到的声音数据传送到信号处理系统进行处理。小麦声音信号产生系统包括进料、撞击发声、隔音三部分，利用进料装置使小麦籽粒逐粒自由下落，撞击到采集箱底部的金属靶，发出声音信号。具体地说，如图1所示，小麦声音信号产生系统包括自动进料装置1，自动进料装置1与采集箱2相通；在采集箱2的底部设置金属靶3。另外，为防止外部噪音的干扰，在采集箱的内壁装有隔音材料，以隔离外部噪音。上述的隔音材料可选用隔声毡、纤维板或木板等等。信号采集系统包括声音传感器4、滤波器5、信号放大器6和数据采集卡。声音传感器4在信号采集箱2内部，通过连线9将声音数据传送到滤波器5、信号放大器6进行调理，数据采集卡对调理后的声音信号进行A/D变换，采集的声音数据保存在主机7中。为方便显示，主机7还与显示器8相连接。为验证本发明的实验效果，本实施例选择10个小麦样品进行试验，每个样品对应的硬度及提取的特征值如表1所示
权利要求
1.一种基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法，其特征在于利用粮食和油料籽粒的声学特性，结合小波变换技术，对粮食和油料的品质进行无损检测，具体过程如下(1)将粮食或油料籽粒放入信号采集箱，使其撞击采集箱底部的金属靶产生声音信号；(2)声音传感器接收粮食或油料籽粒撞击的声音信号，经过滤波和放大后，数据采集卡对声音信号进行A/D变换，计算机将采集到的声音信号数据保存起来；(3)利用端点检测方法检测出每一粒粮食或油料籽粒撞击所产生声音信号的起点和终占.(4)利用小波函数，对每一粒粮食或油料籽粒由以上起点和终点确定的撞击声音数据进行多尺度一维离散小波分解；(5)对每一籽粒声音信号分解结构中第η层近似分量的小波系数，利用小波函数进行单支重构，其中η为正整数，即根据步骤(4)的分解结果，重构第η层的近似分量，然后将所有籽粒的重构信号取绝对值后求平均，最后对得到的平均值序列求平方和，即得出能量，作为特征；(6)采用回归方法，建立提取的能量特征与粮食或油料品质指标的回归分析预测模型；(7)基于以上关系模型测定粮食或油料的品质指标。
2.根据权利要求1所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法，其特征在于在所述的步骤(4)和(5)中，采用db函数、haar函数、Coiflets函数、Symlets函数、 Discrete Meyer 函数、Biorthogonal 函数、Reverse Biorthogonal 函数中的任意一禾中，对每一粒粮食或油料声音数据进行多尺度一维离散小波分解与重构。
3.根据权利要求1所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法，其特征在于所述的粮食或油料籽粒以单粒自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶。
4.根据权利要求1所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法，其特征在于所述的粮食或油料籽粒以固定流量自由下落方式撞击采集箱底部的金属靶。
5.根据权利要求1 4任一所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法， 其特征在于所述的粮食籽粒为小麦、水稻、糙米、大米、玉米、绿豆中的任意一种；所述的油料籽粒为油菜籽、花生、大豆中的任意一种。
6.实施权利要求1所述方法的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取系统，其特征在于它包括自动进料装置(1)，自动进料装置(1)与采集箱( 相通；在所述采集箱的底部设置金属靶C3)和声音传感器G)，声音传感器(4)采集的声音信号经过滤波器(5) 滤波、放大器(6)放大后送入主机(7)，所述的主机(7)为包含数据采集卡的主机。
7.根据权利要求6所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取系统，其特征在于在所述的采集箱的内壁上装有隔音材料层。
8.根据权利要求1所述的基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法，其特征在于所述的粮食或油料籽粒撞击的采集箱底部靶子的材质可以是金属、玻璃、塑料、石材中任意一种固体材料。
全文摘要
本发明公开了一种基于小波变换的粮食及油料声信号特征提取方法。方法是将粮食或油料籽粒逐粒送入声音信号采集箱，与采集箱内部的金属靶碰撞产生声音信号，利用声音传感器接收撞击声音信号，接收的声音信号经过滤波、放大后被传送到数据采集卡，数据采集卡对声音信号进行A/D变换，并将采集到的声音数据保存起来，通过小波变换技术对声音数据进行分解，选取特定的小波系数对声音信号进行重构，将重构信号的能量值作为特征提取出来，与粮食或油料的品质特征建立联系。本发明利用粮食和油料籽粒的声学特性，结合小波变换技术，对粮食和油料的品质特征进行无损检测，方法简便、快捷，检测结果稳定、分辨率较高。
文档编号G01N29/04GK102455327SQ201010509888
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者丁宁, 李齐超, 杨红卫, 王爱民 申请人:河南工业大学