本发明属于生物电化学研究领域，主要是设计一种基于时频阻抗分析的优化方法。
背景技术：
1、在获得化学反应的阻抗谱这一实验中，电化学阻抗谱(eis)是一种测量电化学系统在交流电场下电学特性的技术，可提供复杂的电化学内部过程信息。该技术在电池、传感器和生物医学领域等广泛应用。然而，eis要求在测定过程中保持稳态，即偏置电压需维持恒定值。此外，eis方法获得阻抗谱的时间相对较长，不利于如侵蚀性反应等的快速化学反应的阻抗谱生成。在得到阻抗谱后，一般的采用的方法是通过软件获得其等效电路，然而利用软件拟合阻抗谱的缺陷是明显的，这一方法需要对电化学体系有一定的先验知识，才能选择合理的等效电路模型。此外，同一组阻抗谱数据可能有多种等效电路模型可以拟合，但不一定都有物理意义。因此，拟合的结果需要结合其他电化学方法或理论进行验证和解释。在算法的部分，bp神经网络算法是一种多层前馈神经网络，它通过反向传播算法来调整网络的权重和阈值，使得网络的输出与期望值的误差最小化。它可以用于阻抗谱数据的阻值回归和模型分类，即根据输入的阻抗谱数据，预测相应的阻值或者判断所属的模型类别。但是，对于特征选择部分，bp神经网络算法没有一个明确的标准或方法来确定哪些特征是最有用的，或者需要多少个特征才能达到最佳的效果。针对以上三个方面的缺陷，本专利提出的方法利用动态电化学阻抗谱(deis)快速高效地获取不同类型阻抗板与不同阻值梯度的rc电路的阻抗谱，并借助zview拟合软件和多项式拟合方法进行快速精确的特征提取和电路拟合。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于时频阻抗分析的优化方法。以解决现有方法存在的执行时间过长、对电化学专业知识要求高，以及算法容易陷入局部最优、稳定性和准确性不高等技术问题的挑战，本专利提出了一种基于时域动态电化学阻抗谱(deis)技术，结合多项式拟合方法和等效电路模型共同对阻抗大小进行分析。该技术能够在直流电场下获取电化学系统的交流电场特性，从而高效评估电化学过程内部行为。该方法通过在稳定电位上施加微小的电位跃变，并利用δ函数(即单位脉冲函数)的积分作为激发源。由于单位脉冲函数包含所有频率成分的信号，因此能够同时激发电化学体系中的所有频率。通过对响应进行微分并应用傅立叶变换进行解析，可以更高效地获取阻抗谱信息。结合软件拟合与多项式拟合可以在不需深入学习电化学相关专业知识的前提下，也能得到精确的拟合曲线与参数。
2、该基于时频阻抗分析的优化方法，具体步骤如下：
3、步骤1、选用不同的阻抗板、搭建不同阻值梯度的rc电路。
4、步骤2、使用电阻抗测试仪器对不同阻抗板与不同阻值梯度的rc电路应用eis获得阻抗谱数据z1(ω)，之后再应用deis获得阻抗谱数据z2(ω)并且记录两种算法获得阻抗谱的时间。
5、步骤3、对不同阻抗板与不同阻值梯度的rc电路的阻抗谱数据z1(ω)、z2(ω)进行预处理，得到有效阻抗谱数据。
6、步骤4、对有效阻抗谱数据进行基于后续电路拟合所需数据的筛选。
7、步骤5、对步骤4筛选后的有效阻抗谱数据进行等效电路模型的选取，得到等效电路模型。
8、步骤6、对等效电路模型使用传递函数进行描述，得到等效电路模型传递函数。
9、步骤7、对步骤6所得的等效电路模型传递函数进行重新排列以分离实部和虚部，得到等效电路模型传递函数的实部和虚部。
10、步骤8、将步骤7所得实部虚部与筛选后的有效阻抗谱数据导入zview中，得到等效电路拟合参数。
11、步骤9、将步骤8中所得等效电路拟合参数进行重现，得到等效电路阻抗谱。
12、作为优选，步骤1所述不同阻值梯度rc电路实现的具体过程为：
13、1-1选择h个不同阻值梯度的简单兰德尔斯电路randles电解池模型作为实验的rc电路模型。
14、1-2通过修改g个梯度的rct或rp的电阻大小来实现整体电路阻值的改变。
15、作为优选，步骤2所述应用eis与deis方法获得不同梯度rc电路阻抗谱数据z1(ω)和z2(ω)的具体过程为：
16、2-1利用电阻抗测试仪器将一个设定的频率范围内变化的微小交流电信号施加到rc电路中。
17、2-2电阻抗测试仪器记录施加的交流电信号的响应、每个频率点上的电流和电势数值。
18、2-3通过在不同频率下测量电流和电势响应，并计算得到的复合阻抗谱数据z1(ω)，绘制阻抗谱图，并且记录其获得阻抗谱的时间。
19、2-4利用电阻抗测试仪器施加单位阶跃信号获得其响应。
20、2-5对获得的单位阶跃响应进行微分后再应用傅里叶变换得到阻抗谱数据z2(ω)，并绘制阻抗谱图，并且记录其获得阻抗谱的时间。
21、作为优选，步骤3所述预处理的具体过程为：
22、3-1.将eis方法中各种梯度rc电路的阻抗谱数据z1(ω)和步骤2中deis方法中阻抗谱数据z2(ω)的实部和虚部作为因变量，频率作为自变量绘制成图。这样就得到了(实部频率)logzreal1-logf图、(虚部频率)logzimag1-logf图、(实部频率)logzreal2-logf图和(虚部频率)logzimag2-logf图。
23、3-2.在步骤3-1中，得到了(实部频率)logzreal1-logf图。在此基础上，还得到了(虚部频率)logzimag1-logf和(实部频率)logzreal2-logf以及(虚部频率)logzimag2-logf图。然后使用萨维茨基-戈莱滤波器对这些图进行平滑和滤波，从而得到rc电路的平滑和滤波阻抗谱数据z′1(ω)和z′2(ω)。
24、作为优选，步骤4所述数据筛选的具体过程为：
25、4-1.根据步骤3-2所得的平滑和滤波阻抗谱数据z′1(ω)和z′2(ω)、eis方法不同梯度rc电路阻抗谱数据z1(ω)、deis方法阻抗谱数据z2(ω)，计算平滑滤波前后的残差ε1(ω)和ε2(ω)；根据下面公式计算输入阻抗谱的整体质量指标ε1和ε2：
26、
27、其中，n为并联rc的序号，ωn为第n处的角频率，ω＝2πf为角频率，f为频率，n为频率点总个数。
28、4-2.设置阻抗频谱总体质量指标的阈值：质量指标小于或等于设定阈值时，判定为有效数据；质量指标大于设定阈值时，判定为无效数据。这一过程可筛查阻抗频谱的有效性和可靠性，确保只使用有效数据进行分析。
29、作为优选,步骤5中所述等效电路模型选取的具体过程为：
30、5-1.根据有效阻抗频谱数据的奈奎斯特图，可以确定并联电阻器(r)和电容器(c)的数量。确定并联rc个数的具体步骤如下：
31、5-1-1.观察步骤4中目测观察法预处理阻抗频谱数据的奈奎斯特图，并确定图中半圆的数量。
32、5-1-2.通过确定奈奎斯特图中半圆数和峰值之间的最高值，确定阻抗谱模型中并联rc的最大数量。
33、作为优选，步骤6中所述使用传递函数进行描述，得到等效电路模型传递函数的具体过程为：
34、6-1.利用恒定相角分量阻抗来表示步骤5中得到的rc，其表达式如下式所示：
35、
36、其中，j表示单位纯虚数；q为常相位角系数值；a为常相位角元件指数因子；f为频率。
37、6-2.根据步骤6-1中获得的电路模型组件描述和串并联定理，计算出等效电路模型的总阻抗。通过计算，可以得到等效电路模型的eis真实动态描述，也就是等效电路模型的传递函数：
38、
39、其中，n2为并联rc的个数；r1+n为第n个并联r、c中r的阻值，为第n个并联r、c中c的阻抗值。
40、作为优选，步骤7中所述重新排列等效电路模型传递函数以分离实部和虚部的具体过程为：
41、7-1.根据复数运算定理公式对步骤6-2所得的总阻抗进行展开，得到实部和虚部
42、
43、
44、其中，qn为第n个并联r、c中r的阻抗值系数；αn为第n个并联r、c中c的指数系数；ω为角频率。
45、本发明具有的有益效果是：
46、1.本发明创新的使用deis方法提取阻抗谱，即在动态条件下进行阻抗谱的测定(如在循环伏安扫描或者在电极表面发生吸附反应的同时记录其阻抗谱)可以获取更丰富的电化学过程信息，因此动态阻抗谱测定的是一种电化学过程。deis方法利用单位脉冲函数作为电位激励源，通过高速采集和微分电流响应，可以在很短的时间内得到电化学系统的阻抗谱，而不需要像传统方法那样逐频扫描。deis方法可以在动态条件下进行快速高效的阻抗谱获取，如在循环伏安扫描或者在电极表面发生吸附反应的同时记录其阻抗谱，可以获取更丰富的电化学过程信息，而不受稳态条件的限制。
47、2.本发明创新的使用多项式拟合方法，即给定一组阻抗谱数据，找到一个多项式函数，使得它的值与数据点的值尽可能接近，或者使得它与数据点的误差平方和最小。这种方法的优点是简单易行，并且可以减少对电化学专业知识的依赖，并且可以用泰勒级数展开来求解多项式的系数；可以用于去除基线干扰，提取阻抗特征参数，或者分析阻抗数据的变化趋势。
1.一种基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，步骤2所述获得不同梯度rc电路阻抗谱数据z1(ω)和z2(ω)的具体过程为：
3.根据权利要求1所述的基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，步骤3所述预处理的具体过程为：
4.根据权利要求3所述的基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，步骤4所述数据筛选的具体过程为：
5.根据权利要求4所述的基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，步骤5中所述等效电路模型选取和特征提取的具体过程为：根据有效阻抗谱数据的奈奎斯特图，确定并联电阻器r和电容器c的数量。
6.根据权利要求5所述的基于时频阻抗分析的优化方法，其特征在于，步骤6中所述得到等效电路模型传递函数的具体过程为：
