基于獨立分量分析的多源沖擊定位方法

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1、振動與沖擊第28卷第8期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.28No.82009基于獨立分量分析的多源沖擊定位方法蘇永振,袁慎芳(南京航空航天大學智能材料與結構航空科技重點實驗室,南京210016)摘要:結構健康監(jiān)測中常用聲發(fā)射信號進行聲發(fā)射源的定位及特征描述。多個沖擊事件發(fā)生時,聲發(fā)射信號是多個信號的混疊,而且混合方式未知,這使利用聲發(fā)射信號對沖擊源進行定位變得非常困難。而近年來興起的基于獨立分量分析的盲源分離技術為解決這一難題提供了可能。采用基于信息極大化原理的反饋網(wǎng)絡結構對同時作用在鋁梁上的兩個沖擊事件產(chǎn)生的聲

2、發(fā)射混合信號進行分離,估計出各個源信號到達傳感器的時延后,運用兩點直線定位公式對兩個沖擊源進行定位?；旌戏抡鎸嶒烌炞C了基于信息極大化原理的獨立分量分析方法估計時延的有效性,鋁梁上的兩源沖擊實驗,進一步表明運用獨立分量分析方法能較好的解決多沖擊源定位問題。關鍵詞:盲源分離;獨立分量分析;時延;沖擊定位中圖分類號:TB52;TG115.28文獻標識碼:A航空材料結構在服役過程中不可避免的要承受具M維的觀測信號向量,s為t時刻的N維源信號向量,A有不同能量的各種物體的沖擊,由沖擊所誘導的損傷,為M×N維的FIR混合濾波器矩陣。解混目標是尋找使結構

3、承載能力大大降低、結構強度及穩(wěn)定性嚴重退一逆FIR濾波器矩陣W使得解卷積后的輸出y=W3s[1][2]化。因此,很有必要利用結構健康監(jiān)測技術對沖是源信號s的估計。擊事件進行實時監(jiān)測。目前對沖擊定位的研究多是以本文以同時作用在鋁梁上的兩個沖擊源的定位問單個沖擊源為研究對象,常通過求解由沖擊產(chǎn)生的聲題為例,研究基于BSS技術的多源沖擊定位問題。根發(fā)射信號到達不同傳感器的時延進行定位。在對多個據(jù)BSS的卷積混合模型,采用基于信息最大化原理的[3]沖擊源進行定位時,一些常規(guī)的求解時延方法如互反饋分離網(wǎng)絡結構,對兩個沖擊源的混疊信號進行分相關函數(shù)法,

4、能量法、閾值法等不再有效。因為在多個離,求出各個沖擊源到達傳感器的時延,再根據(jù)波速,沖擊源的情況下,聲發(fā)射信號是多個源信號的混疊,上利用兩點直線法實現(xiàn)兩個沖擊源的定位。述方法只能求解出一個時延,因此無法實現(xiàn)多個沖擊1Infomax方法源的定位。近年來興起的基于獨立分量分析(ICA)的[`4]盲源分離(BSS)技術為這一問題的解決提供了有效途1988年Linskers提出了可用非線性單元來處理徑。盲源信號分離是指在不知道源信號和混合參數(shù)的任意分布的輸入信號的信息最大化(Infomax)原理,它情況下,僅根據(jù)源信號的一些統(tǒng)計特性和有限的觀測可描

5、述為:網(wǎng)絡的輸入端和輸出端的互信息達到最大數(shù)據(jù)恢復出源信號。盲源信號分離技術在通信、生物時,等價于輸出端各分量間的相關性最小。1995年,醫(yī)學信號處理、語音信號處理、陣列信號處理等獲得了[5]A.J.Bell和T.J.Sejnowski提出了基于信息最大化廣泛的應用。(Infomax)原理的盲源分離算法。Infomax算法的獨立BSS根據(jù)混合方式可分為瞬時混合和卷積混合,性判據(jù)為信息極大傳輸準則,即通過對分離矩陣的調(diào)瞬時混合模型常假定信號源是同時混合的,不能容忍整,使非線性輸出y和網(wǎng)絡輸入x之間的互信息I(y,時延,而實際上混合源中有到達時

6、間的區(qū)別。傳感器x)極大。由信息論可知:測得的由沖擊產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是結構的脈沖響應函I(y,x)=H(y)-H(y

7、x)(1)數(shù)與源信號的卷積,而且由于傳播介質(zhì)的影響(時延和由于H(y

8、x)不依賴于分離矩陣W,可以看出,通反射等),信號是多路徑到達的,因此本文采用卷積混過最大化輸出信號的聯(lián)合熵,就可實現(xiàn)輸入輸出之間合模型模擬兩個沖擊源信號的混合過程。BSS的卷積的互信息最大。輸出信號的聯(lián)合熵為:混合模型為:x=A3s,其中“3”代表卷積,x為t時刻H(y)=-E[log(fy(y))](2)fy(y)為非線性輸出y的概率密度函數(shù),設輸入經(jīng)

9、基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2007AA03Z117);國家自然科學基金項目(60772072)過非線性函數(shù)g(x)得到y(tǒng),當g(x)為單調(diào)上升或下降收稿日期:2008-07-28修改稿收到日期:2008-08-06時,輸出輸入概率密度函數(shù)之間的關系則可以寫為:第一作者蘇永振男,博士生,1980年生fy(y)=fx(x)/det(J)(3)通訊作者袁慎芳女,博士,博士,1968年生det(J)為網(wǎng)絡的雅克比行列式,f(x)為輸入信號的概x第8期蘇永振等:基于獨立分量分析的多源沖擊定位方法135率密度函數(shù)。將式(3)帶入式

10、(2)可得:H(y)=E[lndet(J)]-E[lnfx(x)](4)由上式可知權值僅影響上式右邊的第一項。因此,最大化輸出信息熵就等價于最大化E[lndet(J)]。采用1S