CN103892842A - 信号检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种信号检测方法，包括以下步骤：获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域；对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离；对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。此外，还提供一种信号检测系统。上述信号检测方法和系统，通过采用时域调频信号作为刺激信号刺激，并利用耳声发射信号的非线性特性，将反射区域和畸变区域的信号进行初步分离，并通过时频域滤波器对分离后的信号进行滤波处理得到纯净的耳声发射信号，提高了检测的准确性，且能够实现一次性检测很宽频率范围内的多个频率，提高了检测效率。

Description

信号检测方法和系统

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种信号检测方法和系统。

背景技术

信号种类有很多种，例如耳声发射信号、光学频域成像信号、雷达系统的变频信号等，这些信号被检测时里面可能存在很多杂质信号，从检测的信号中快速分离出有效信号和杂质信号是一个亟待解决的问题。

以耳声发射信号为例，耳声发射（otoacoustic emissions，OAE）实质是耳蜗内产生的音频能量经过中耳传到外耳道的过程，以空气振动的形式释放。这些音频能量来源于内耳中毛细胞的正常活动，因此分析这种音频能量，便能得知不同位置的毛细胞的损伤情况。同时，耳声发射检测具有快速、简便、无创、灵敏的特点，只需要放置耳机和麦克风在外耳道内，播放刺激声并记录人耳的反馈即可。它对人体无任何损害，也不需要受试者的任何主观反应，因此，耳声发射检测已被广泛用于新生儿听力筛查和成人听力检测。

目前临床使用的耳声发射检测有两种：瞬态诱发耳声发射（transient evokedotoacoustic emissions，TEOAE）和畸变产物耳声发射（distortion productotoacoustic emissions，DPOAE）。TEOAE的刺激声多采用疏波短声，采用“3+1”的非线性给声方式，能够快速产生多个频率的OAE信号，因而TEOAE检测目前被频繁用于新生儿听力筛查。DPOAE采用两个具有一定频比关系的初始纯音（f1，f2，f1<f2）作为刺激声，而耳声发射信号出现在不同于刺激声的频率2f1-f2上。DPOAE具有很高的频率特异性和频谱范围，能了解耳蜗各个频率区段的功能状况，同时具有更高的信噪比，易于识别。目前，临床上往往通过同时测量TEOAE和DPOAE的方式，检查受试者的听力状况。

然而现有的TEOAE检测的缺点有：

（1）TEOAE的敏感范围主要在1-4kHz，只能作为低中频区听力损失的筛选方法，不能用于检测高频区的听力功能；

（2）同时产生很多频率的OAE信号，各成分之间存在相互干扰，而且引出的OAE信号强度个体差异性较大；

（3）频率分辨率较低，而且当听力损失超过40dB（分贝）HL（hearing level，听力等级）将无法记录到TEOAE信号。

现有的DPOAE检测的缺点有：

（1）采用纯音测量，一次只能完成一个频率的测量，而且测量的频率离散分布，测量耗时长；

（2）DPOAE对于高频区（4-8kHz）具有很好的信噪比，但在低频段易受到噪声干扰，无法检测到低于500Hz的OAE信号；

（3）由于实际测得的DPOAE包含反射信号（DP_R）和畸变信号（DP_D）两个成分，反射信号和畸变信号在同频段可能会相互抵消部分OAE信号强度，造成测量结果不准确。

发明内容

基于此，有必要针对现有检测中检测效率低和检测结果不准确的问题，提供一种能提高检测效率和准确性的信号检测方法。

此外，还有必要针对测量结果不准确的问题，提供一种能提高检测效率和准确性的信号检测系统。

一种信号检测方法，包括以下步骤：

获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域；

对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离；

对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

在其中一个实施例中，所述获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域的步骤包括：

获取时域调频信号，对所述时域调频信号加乘窗函数，将所述加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

在其中一个实施例中，获取时域调频信号的步骤包括：

获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据所述第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

在其中一个实施例中，所述将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域的步骤包括：

采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，所述四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号刺激。

在其中一个实施例中，对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离的步骤包括：

将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号；

将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

在其中一个实施例中，所述时域调频信号为线性调频信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号；

所述对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号的步骤为：

采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

一种信号检测系统，包括：

刺激信号产生模块，用于获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域；

分离模块，用于对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离；

滤波模块，用于对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

在其中一个实施例中，所述刺激信号产生模块还用于获取时域调频信号，对所述时域调频信号加乘窗函数，将所述加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

在其中一个实施例中，所述刺激信号产生模块还用于获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据所述第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

在其中一个实施例中，所述刺激信号产生模块还用于采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，所述四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号。

在其中一个实施例中，所述分离模块还用于将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号，以及将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

在其中一个实施例中，所述时域调频信号为线性调频信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号；

所述滤波模块还用于采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

上述信号检测方法和系统，通过采用时域调频信号作为刺激信号刺激，并将反射区域和畸变区域的信号进行分离，并通过时频域滤波器对分离后的信号进行滤波处理得到纯净的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号，能够实现一次性检测多个频率，提高了检测效率，且充分利用耳声发射信号的非线性特性，以及采用时频域滤波器进行滤波，得到的耳声发射信号更加准确，提高了检测的准确性。

附图说明

图1为信号检测方法的流程示意图；

图2为线性调频信号的生成示意图；

图3为三个线性调频信号的时频关系示意图；

图4为四段组合播放顺序刺激示意图；

图5为一个实施例中信号检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对信号检测方法和系统的技术方案进行详细的描述，以使其更加清楚。

如图1所示，在一个实施例中，一种信号检测方法，包括以下步骤：

步骤S110，获取时域调频信号，并将该时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

具体的，时域调频信号为线性调频（chirp）信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号。

获取时域调频信号后，对时域调频信号加乘窗函数，将加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。如图2所示，时域调频信号为线性调频信号（chirp），线性调频信号由式（1）在时域上进行合成：

$y=\cos \left[\mathrm{\&pi;}(2f_{1}t+\frac{f_2-f_1}{T}{t}^2)\right]---\left(1\right)$

其中，f₁和f₂是Chirp信号的起始和截止频率，T为信号时间长度。

因应用在听力损失检测时，在时域上的瞬时激励（例如脉冲信号）极易造成受试者不自主的摇动反应，会产生很大的噪音，记录到的DPOAE信号频谱上会造成很大的毛刺，数据分析最后在频域进行，会对实验结果产生干扰，为了防止这种情况发生，将Chirp信号加乘窗函数。该窗函数由周期为0.02秒的余弦函数对半拆分而成，使刺激声上升和下降都能缓慢变化，保证刺激声具有较平坦的频谱，提高了DPOAE信号用于听力损失检测的可靠性。

本实施例中，获取时域调频信号的步骤包括：获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

具体的，DPOAE采用具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，作为刺激信号。如图3所示，以时域调频信号为chirp信号为例，信号a为第一时域调频信号，信号b为第二时域调频信号，信号c为第三时域调频信号，信号a的频率为f₁线性增加到f₂，信号强度为L1（一般初始强度为60dB SPL）；信号b的频率始终跟信号a的频率成一个固定的倍数比值，f_b/f_a＝1.20~1.25，优选的为1.22，其中，f_a和f_b分别为信号a、b的实时频率，信号b的强度比a小5~10dB。为了抑制反射区域信号，生成了信号c，信号c的频率为2f_a-f_b+50HZ。其中，横向坐标为时间，单位为秒，纵向坐标为频率，单位为赫兹。

进一步的，采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，该四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号刺激。如图4所示，信号a在第一段、第三段、第四段播放，信号b在第二段、第三段、第四段播放，信号c在第四段播放，每段播放时长为T，第四段用信号c抑制了反射区域的诱发信号，由于刺激信号成线性相关干扰特征，从而能在线性相减组合中消除。对于信号a可采用耳机1播放，信号b可采用耳机2播放，信号c采用耳机3播放。

步骤S 120，对反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离。

本实施例中，将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号；将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

步骤S130，对分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

对于上述四段组合方式计算产生的差值采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对分离后的反射区域和畸变区域的耳声发射信号分别处理得到纯净的反射区域和畸变区域的耳声发射信号。

本实施例中，采用连续小波变换（continuous wavelet transform，简称CWT）滤波器，提取纯净畸变区域的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号。具体为：对分离后的畸变区域的耳声发射信号采用连续小波变化滤波器进行时域卷积，得到纯净的耳声发射信号，再进行傅里叶反变换得到时域畸变区域的耳声发射信号。同样，可对反射区域的耳声发射信号采用连续小波变化滤波器进行时域卷积，得到纯净的耳声发射信号，再进行傅里叶反变换得到时域反射区域的耳声发射信号。

畸变区域和反射区域的耳声发射信号相位变化增加率存在显著差异，相位随着频率变化缓慢的信号对应的是畸变区域，相位变化比较剧烈的信号对应的是反射区域。对于离散频率信号，周期性边界条件出现在时间域的边界，因此对于时域信号进行卷积积分时引入一个延迟系数τ，根据这个τ的选择可以只对需要的信号进行卷积，对时域其他值给予置0处理，然后再根据傅里叶反变换即可以得到纯净的时域畸变区域的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号。时频域滤波器的优点在于能够避免时域滤波利用截止时间函数造成的系统误差，并最大程度抑制其他噪声，得到纯净的耳声发射信号。

如图5所示，在一个实施例中，一种信号检测系统，包括刺激信号产生模块110、分离模块120和滤波模块130。其中：

刺激信号产生模块110用于获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

具体的，时域调频信号为线性调频（chirp）信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号。

获取时域调频信号后，刺激信号产生模块110对时域调频信号加乘窗函数，将加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。如图2所示，时域调频信号为线性调频信号（chirp），线性调频信号由式（1）在时域上进行合成而成：

$y=\cos \left[\mathrm{\&pi;}(2f_{1}t+\frac{f_2-f_1}{T}{t}^2)\right]---\left(1\right)$

其中，f₁和f₂是Chirp信号的起始和截止频率，T为信号时间长度。

因应用在听力损失检测时，在时域上的瞬时激励（例如脉冲信号）极易造成受试者不自主的摇动反应，会产生很大的噪音，记录到的DPOAE信号频谱上会造成很大的毛刺，数据分析最后在频域进行，会对实验结果产生干扰，为了防止这种情况发生，将Chirp信号加乘窗函数。该窗函数由周期为0.02秒的余弦函数对半拆分而成，使刺激声上升和下降都能缓慢变化，保证刺激声具有较平坦的频谱，提高了DPOAE信号用于听力损失检测的可靠性。

刺激信号产生模块110还用于获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据所述第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

具体的，DPOAE采用具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，作为刺激信号。如图3所示，以时域调频信号为chirp信号为例，信号a为第一时域调频信号，信号b为第二时域调频信号，信号c为第三时域调频信号，信号a的频率为f₁线性增加到f₂，信号强度为L1（一般初始强度为60dB SPL）；信号b的频率始终跟信号a的频率成一个固定的倍数比值，f_b/f_a＝1.20~1.25，优选的为1.22，其中，f_a和f_b分别为信号a、b的实时频率，信号b的强度比a小5~10dB。为了抑制反射区域信号，生成了信号c，信号c的频率为2f_a-f_b+50HZ。

进一步的，刺激信号产生模块110采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，该四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号。如图4所示，信号a在第一段、第三段、第四段播放，信号b在第二段、第三段、第四段播放，信号c在第四段播放，每段播放时长为T，第四段用信号c抑制了反射区域的诱发信号，由于刺激信号成线性相关干扰特征，从而能在线性相减组合中消除。

分离模块120用于对反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离。

本实施例中，分离模块120将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号；将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

滤波模块130用于对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

对于上述四段组合方式计算产生的差值采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对分离后的反射区域和畸变区域的耳声发射信号处理得到纯净的反射区域和畸变区域的耳声发射信号。

本实施例中，采用连续小波变换（continuous wavelet transform，简称CWT）滤波器，提取纯净畸变区域的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号。具体为：滤波模块130对分离后的畸变区域的耳声发射信号采用连续小波变化滤波器进行时域卷积，得到纯净的耳声发射信号，再进行傅里叶反变换得到时域畸变区域的耳声发射信号。同样，滤波模块130可对反射区域的耳声发射信号采用连续小波变化滤波器进行时域卷积，得到纯净的耳声发射信号，再进行傅里叶反变换得到时域反射区域的耳声发射信号。

畸变区域和反射区域的反馈信号相位变化增加率存在显著差异，相位随着频率变化缓慢的信号对应的是畸变区域，相位变化比较剧烈的信号对应的是反射区域。对于离散频率信号，周期性边界条件出现在时间域的边界，因此对于时域信号进行卷积积分时引入一个延迟系数τ，根据这个τ的选择可以只对需要的信号进行卷积，对时域其他值给予置0处理，然后再根据傅里叶反变换即可以得到纯净的时域畸变区域的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号。时频域滤波器的优点在于能够避免时域滤波利用截止时间函数造成的系统误差，并最大程度抑制其他噪声，得到纯净的耳声发射信号。

上述信号检测方法和系统，通过采用时域调频信号作为刺激信号刺激，并将反射区域和畸变区域的信号进行分离，并通过时频域滤波器对分离后的信号进行滤波处理得到纯净的耳声发射信号和反射区域的耳声发射信号，能够实现一次性检测很宽的频率范围内的多个频率，提高了检测效率，且充分利用耳声发射信号的非线性特性，以及采用时频域滤波器进行滤波，得到的耳声发射信号更加准确，提高了检测的准确性。

此外，采用四段组合播放顺序刺激，充分利用耳声发射信号的非线性特征，通过时频域信号的线性组合消除刺激信号的干扰，且有效抑制反射区域的耳声发射信号，能得到较为纯净的耳声发射信号。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种信号检测方法，包括以下步骤：

获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域；

对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离；

对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

2.根据权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，所述获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域的步骤包括：

获取时域调频信号，对所述时域调频信号加乘窗函数，将所述加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

3.根据权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，所述获取时域调频信号的步骤包括：

获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据所述第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

4.根据权利要求3所述的信号检测方法，其特征在于，所述将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域的步骤包括：

采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，所述四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号刺激。

5.根据权利要求4所述的信号检测方法，其特征在于，对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离的步骤包括：

将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号；

将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

6.根据权利要求1所述的信号检测方法，其特征在于，所述时域调频信号为线性调频信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号；

所述对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号的步骤为：

采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

7.一种信号检测系统，其特征在于，包括：

刺激信号产生模块，用于获取时域调频信号，并将所述时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域；

分离模块，用于对所述反射区域和畸变区域分别产生的耳声发射信号进行分离；

滤波模块，用于对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号进行时频域滤波处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

8.根据权利要求7所述的信号检测系统，其特征在于，所述刺激信号产生模块还用于获取时域调频信号，对所述时域调频信号加乘窗函数，将所述加乘窗函数的时域调频信号作为刺激信号刺激反射区域和畸变区域。

9.根据权利要求7所述的信号检测系统，其特征在于，所述刺激信号产生模块还用于获取具有预设频率比和幅度比关系的第一时域调频信号和第二时域调频信号，并根据所述第一时域调频信号和第二时域调频信号生成抑制反射区域信号的第三时域调频信号。

10.根据权利要求9所述的信号检测系统，其特征在于，所述刺激信号产生模块还用于采用四段组合播放顺序刺激反射区域和畸变区域，所述四段包括第一段、第二段、第三段和第四段，第一段采用第一时域调频信号刺激，第二段采用第二时域调频信号刺激，第三段采用第一时域调频信号和第二时域调频信号刺激，第四段采用第一时域调频信号、第二时域调频信号和第三时域调频信号刺激。

11.根据权利要求10所述的信号检测系统，其特征在于，所述分离模块还用于将接收的第四段的反馈信号减去第一段和第二段的反馈信号得到畸变区域的耳声发射信号，以及将接收的第三段反馈信号减去第四段的反馈信号得到反射区域的耳声发射信号。

12.根据权利要求7所述的信号检测系统，其特征在于，所述时域调频信号为线性调频信号、三角函数调频信号或对数调频信号或频域合成的扫频信号；

所述滤波模块还用于采用连续小波变换滤波器、最小二乘法滤波器或卡尔曼滤波器对所述分离后的畸变区域的耳声发射信号处理得到纯净的畸变区域的耳声发射信号。

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