李寶玉，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

破茬圓盤(pán)刀點(diǎn)蝕所造成的損失很大，所以點(diǎn)蝕的早期探測(cè)一直是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。利用聲發(fā)射（AE）技術(shù)對(duì)零部件的初期損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種行之有效的方法[1-2]。由于在點(diǎn)蝕發(fā)生的初期，其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)極其微弱，且常常是多信號(hào)混合，并且伴有噪聲。所以，如何利用有效的信號(hào)處理方法來(lái)識(shí)別這些微弱的點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)是聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)[3]。

獨(dú)立分量分析（Independent Component Analysis簡(jiǎn)稱ICA）起源于上世紀(jì)80年代，直到上世紀(jì)末期才逐漸發(fā)展起來(lái)。獨(dú)立分量分析屬于一種新的盲源分離方法，其顯著特點(diǎn)為：信號(hào)是非高斯的，且為相互獨(dú)立。

在聲發(fā)射點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)樣品表面很可能在多處同時(shí)產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，而這些點(diǎn)蝕產(chǎn)生的聲信號(hào)將會(huì)相互疊加，從而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)點(diǎn)蝕AE 信號(hào)進(jìn)行識(shí)別[4]。針對(duì)這種情況，本文利用ICA 來(lái)處理這些用常規(guī)方法難以識(shí)別的復(fù)雜信號(hào)，并且編制了相應(yīng)的ICA軟件。

1 ICA 基本原理

設(shè)聲發(fā)射采集到的信號(hào)為x=［x1，x2，K，xN］T，獨(dú)立分量為s=［s1，s2，K，SN］T，獨(dú)立分量分析算法[5-7]如下：

2 金屬點(diǎn)蝕AE 信號(hào)的獨(dú)立分量分析

在破茬圓盤(pán)刀點(diǎn)蝕試驗(yàn)中，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)蝕AE 信號(hào)互相疊加并染有噪聲，那么就要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波消噪，再對(duì)不含噪聲的AE 信號(hào)進(jìn)行ICA 分析，這樣的信號(hào)分離方法要比僅采用ICA 進(jìn)行信號(hào)分離的效果要好的多。

圖1 獨(dú)立分量分析的算法Fig.1 The arithmetic of ICA

圖2 觀測(cè)信號(hào)Fig.2 The observed signal

例如，圖2 是在10%FeCl3·6H2O 腐蝕溶液中進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)聲發(fā)射儀采集到的聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)[1]，判斷該信號(hào)中定染有噪聲，因此首先采用小波分析對(duì)信號(hào)消噪。圖3 為消噪后的信號(hào)圖。然后利用ICA 對(duì)兩道信號(hào)進(jìn)行分析。圖4 是沒(méi)進(jìn)行小波消噪，僅采用ICA 對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析的結(jié)果圖。圖5 為ICA 分析結(jié)果圖。對(duì)圖4和圖5 進(jìn)行比較，可以明顯看出利用小波分析與ICA相結(jié)合的方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，比單獨(dú)利用ICA 進(jìn)行分析得到的效果要好。

圖3 小波消噪后的混合信號(hào)Fig.3 Mixed signal after wavelet de-noising

圖4 未進(jìn)行小波消噪的ICA 分析結(jié)果Fig.4 The results of ICA without wavelet de-noising

圖5 小波消噪后的ICA 分析結(jié)果Fig.5 The results of ICA after wavelet de-noising

3 ICA 軟件的編制

該軟件是根據(jù)ICA 的算法進(jìn)行編制的，采用的是Matlab 語(yǔ)言，軟件具有友好的界面，可以直觀的觀測(cè)運(yùn)行結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 獨(dú)立分量分析軟件的系統(tǒng)流程圖

該軟件主要包括五個(gè)部分：載入混合信號(hào)、維數(shù)控制、固定點(diǎn)ICA、ICA 分析、結(jié)果的保存。圖6 為該軟件的系統(tǒng)流程圖。

圖6 ICA 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.6 The flow chart of ICA software

3.2 軟件介紹

軟件主界面如圖7 所示。它主要由混合信號(hào)的載入、維數(shù)控制、ICA 分析等幾個(gè)部分構(gòu)成。

圖7 獨(dú)立分量分析主界面Fig.7 The main form of ICA software

在進(jìn)行獨(dú)立分量分析前，首先要將待分析的信號(hào)數(shù)據(jù)載入到Matlab 工作空間，然后左鍵單擊主界面上“載入數(shù)據(jù)”按鈕，即呈現(xiàn)圖8 界面。

圖8 數(shù)據(jù)載入界面Fig.8 The form of load data

數(shù)據(jù)預(yù)處理則要通過(guò)主界面上“維數(shù)簡(jiǎn)化”、“初始維數(shù)”、“白化矩陣”三個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

主界面上靠近下方的選項(xiàng)是有關(guān)獨(dú)立分量分析算法的，在“逼近函數(shù)”中可以對(duì)解相關(guān)函數(shù)進(jìn)行選擇。

圖9、10 分別為“保存結(jié)果”和“高級(jí)選項(xiàng)”界面。

圖9 保存獨(dú)立分量分析結(jié)果界面Fig.9 The form of save results

圖10 獨(dú)立分量分析高級(jí)選項(xiàng)界面Fig.10 The form of advanced options

4 結(jié)論

（1）由于ICA 的特點(diǎn)是所分析信號(hào)是非高斯和相互獨(dú)立的，加之對(duì)其算法的研究，證明其是適合應(yīng)用于破茬圓盤(pán)刀點(diǎn)蝕AE 信號(hào)處理的。

（2）提出了小波分析與ICA 相結(jié)合的信號(hào)分析方法，對(duì)染有噪聲的AE 混合信號(hào)，先消噪后分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠從復(fù)雜的混合信號(hào)中提取出AE 信號(hào)，這將為利用AE 技術(shù)探測(cè)破茬圓盤(pán)刀點(diǎn)腐蝕萌生和擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

（3）ICA 軟件界面友好，通過(guò)該軟件可以對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)地觀察，使獨(dú)立分量分析更加具有直觀性和可靠性。

［1］李偉，戴光，李寶玉.基于獨(dú)立分量分析的金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)處理［J］.化工機(jī)械，2005，32（4）：207-210.

［2］李偉，蔣鵬.基于獨(dú)立分量分析的聲發(fā)射信號(hào)分離方法［J］.壓力容器，2008，25（5）：10-12.

［3］周桂霞，李劍，李玉清，等.梁遠(yuǎn)牧草壓捆機(jī)關(guān)鍵部件的仿真分析［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（3）：16-18.

［4］李寶玉.金屬點(diǎn)蝕聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理研究［D］.大慶 ：大慶 石油學(xué)院，2005.

［5］李偉，方江濤，戴光.基于獨(dú)立分量分析和小波變換的低碳鋼點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)特征提取［J］.化工機(jī)械，2007，34（2）：74-77.

［6］T.W.Lee.Independent Component Analysis：Theory and Applications［M］.Bosten:Kluwer Academic Publisher，1998.

［7］S.Roberts，R.Everson.Independent component analysis:principles and practice ［M］.New York:Cambridge University Press，2001.