基于独立分量分析的多源冲击定位方法
苏永振，袁慎芳
(南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室，南京210016)
摘 要：结构健康监测中常用声发射信号进行声发射源的定位及特征描述。多个冲击事件发生时，声发射信号是多个信号的混叠，而且混合方式未知，这使利用声发射信号对冲击源进行定位变得非常困难。而近年来兴起的基于独立分量分析的盲源分离技术为解决这一难题提供了可能。采用基于信息极大化原理的反馈网络结构对同时作用在铝梁上的两个冲击事件产生的声发射混合信号进行分离，估计出各个源信号到达传感器的时延后，运用两点直线定位公式对两个冲击源进行定位。混合仿真实验验证了基于信息极大化原理的独立分鼍分析方法估计时延的有效性，铝梁上的两源冲击实验，进一步表明运用独立分量分析方法能较好的解决多冲击源定位问题。
关键词：盲源分离；独立分量分析；时延；冲击定位
中图分类号：TB52；TG115.28 文献标识码：A
航空材料结构在服役过程中不可避免的要承受具有不同能量的各种物体的冲击，由冲击所诱导的损伤，使结构承载能力大大降低、结构强度及稳定性严重退化[1]。因此，很有必要利用声发射结构健康监测技术[2]对冲击事件进行实时监测。目前对冲击定位的研究多是以单个冲击源为研究对象，常通过求解南冲击产生的声发射信号到达不同声发射传感器的时延进行定位。在对多个冲击源进行定位时，一些常规的求解时延方法[3]如互相关函数法，能量法、阈值法等不再有效。因为在多个冲击源的情况下，声发射信号是多个源信号的混叠，上述方法只能求解出一个时延，因此无法实现多个冲击源的定位。近年来兴起的基于独立分量分析(ICA)的盲源分离(BSS)技术为这一问题的解决提供了有效途径。盲源信号分离是指在不知道源信号和混合参数的情况下，仅根据源信号的一些统计特性和有限的观测数据恢复出源信号。盲源信号分离技术在通信、生物医学信号处理、语音信号处理、阵列信号处理等获得了广泛的应用。
BSS根据混合方式可分为瞬时混合和卷积混合，瞬时混合模型常假定信号源是同时混合的，不能容忍时延，而实际上混合源中有到达时间的区别。传感器测得的由冲击产生的声发射信号是结构的脉冲响应函数与源信号的卷积，而且由于传播介质的影响(时延和反射等)，信号是多路径到达的，因此本文采用卷积混合模型模拟两个冲击源信号的混合过程。BSS的卷积混合模型为：X=A*s，其中“*”代表卷积，x为t时刻M维的观测信号向量，s为t时刻的Ⅳ维源信号向量，A为M×N维的FIR混合滤波器矩阵。解混日标是寻找一逆FIR滤波器矩阵形使得解卷积后的输出Y=W*s是源信号s的估计。
本文以同时作朋在铝梁上的两个冲击源的定位问题为例，研究基于BSS技术的多源冲击定位问题。根据BSS的卷积混合模型，采用基于信息最大化原理的反馈分离网络结构，对两个冲击源的混叠信号进行分离，求出各个冲击源到达传感器的时延，再根据波速，利用两点直线法实现两个冲击源的定位。
