基于STDRSSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究

基于STDRSSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 基于STDRSSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研 究 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谓j-之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得兰趟童通太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名:珠霸怄签字日期:纱,年 ,月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解兰趔童适太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰趔童适太堂可以将学位论文的全部或部分 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名:隶轵旭 导师签名: 签字日期:p抄年4月‘日 签字日期: 日 硕士学位论文 检测系统的研究 Detection of CableFaultOn―line TheResearch Signal Railway theSTDR,SSTDRMethod Basedon System 作者姓名: 学科、专业: 完成日期: 2012(3 兰州交通大学 Lanzhou University Jiaotong 兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 铁路通信电缆是传输铁路信号的主要通道。然而，近年来，信号电缆逐渐老化，再 加上人为地面开挖和 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 等诸多因素，造成信号电缆故障发生的概率增大。因此，电缆 故障的检测日益引起关注。传统的离线检测方法，存在许多弊端:在修复的过程中，会 造成额外的停车和停电的损失，而且效率很低，检测精度也不高。另一方面， 电缆的间 隙性电弧故障，维持的时间就非常短，一般在电缆不工作时无法重现，传统离线检测方 试信号电平和高噪音免疫的测试方法非常适合线缆间隙性故障的在线检测与定位。 本文在分析了传统电缆故障检测方法的基础上，指出了它们各自的优缺点，然后重 通过对STDR,SSTDR方法的理论分析与研究，对系统的主要关键技术做了简要的论述。 然后建立了本检测系统的模型，将从整个系统模型的出发，分析各个模块的实现和 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 对性能的影响。 论文围绕STDR,SSTDR系统的主要结构模块展开。此系统主要有信号发射模块、 信号采集模块、相关模块等基本模块组成。在信号发射模块，用MATLAB仿真比较， 从众多的伪随机序列中找出本系统的最佳发射序列。确定序列后，从信噪比的角度，理 论分析了序列的长度和码片速率等因素对信噪比的影响。然后从带宽的角度比较了 从相关特性角度比较了不同调制频率对相关值的影响。在相关模块采用了软件相关，为 了降低噪声对信号的影响，在一次相关的基础上，采用二次相关算法;由于二次相关在 信噪比较小时，相关峰值会被展宽，又在二次相关的基础上提出基于希尔伯特变换的二 次相关算法;为了满足实时在线检测的需要，相关法采用快速FFT算法来实现，通过运 算量的分析，证实了它在主流数字信号处理器上的可行性。 的MATLAB仿真模型，设置具体的参数进行仿真。仿真结果表明，在信噪比不太低的 关键词:STDR;SSTDR;伪随机序列;相关;在线检测 论文类型:应用研究 ((。一 蕊一 p争, ( 、(J o_一 (一 , 、 (,(( ‘k:-( 。 ?(__，( j‘。‖4、。i‘:一。:( 。i二;一 ‘-I+1 ， 一 (’:，| r ( ，?? 、 彳 F ’ :， , 0一 , E lJ( 与; (， L? ? 。(??一:一 舟(。-叠1、 毒 目1’ ?。|-:?。 ( 兰州交通大学硕士学位论文 Abstract The communicationcableiSthemainchannelof transmission railway railwaysignal( recent cable artificial excavationand However，inyears，signalaging，plus ground constructionandotherfactorsresultinincreased ofoccurrenceof cable probability signal cablefaultdetectionhas fault(Therefore，the attracted traditionaI increashagattention(Using off-linedetection are the cancreate method，theredrawbacks:in many repairprocess，it additionaland is low loss，besides，the very andthedetection parkingpower efficiency iSnot theotherhand， theintermittentarcfaultofthecable(the precisionhigh(On maintenanceoftimeiS itisunableto whenthecabledoesnot veryshort(generally reproduce work(andthetraditionalofflinedetectionmethodsiSdimculttodetect( This usesthe paper STDR,SSTDR’Son― linedetectionmethodsforthecontinUOUSdetection(ThelOWtest signal leveland noise testmethodiS suitablefortheintermittentfaultofthe high immunity very cable onlinedetectionandlocation( Basedonthe ofthetraditionalcablefault detection out analysis method，the paperpoints their and thenfocuses respectiveadvantagesdisadvantages，andon time―domain iS suitableforon(1inefault reflectometry，whichvery STDR,SSTDR theoreticalandresearchOilSTD刚 SSTDR method(First，throughanalysis main isdiscussedinbrief(Thenthe method，thesystem’S keytechnology detection system modelis thewhole will established(Next，fromsystemmodel，the paperspecificallyanalyse the realizationofeachmoduleofthe andthe ontheeffectof system parameters performance( AroundstructuremoduleoftheSTDR,SSTDR authorwillstartto system(the deploy this is ofa paper(Thissystemmainlycomposedsignaltransmittingmodule，signal acquisition modulesandSOonbasicmodules(In module，correlated the transmissionmodule(we signal needtofindoutthebest1aunch froma numberof sequencelarge pseudo―randomsequences simulationand selection(fromthe of through?【ATLAB comparison(After sequence point view will ofSNR(the the and rateandSOon papertheoreticallyanalysesequencelengthchip factorsfortheinfluenceontheSNR(Then the andconsofthetest of comparepros signal SSTDRandSTDRfromthe ofbandwidth(Becauseoftheneedforsinewavefor perspective modulationofSSTDR the ofrelated signal，finally，from angle differentmodulation onthecorrelation’Seffect(Correlated frequency moduleuses ordertoreducethe ofnoiseonthe thebasisofa software―related，in impact signal，on correlation usesthetwocorrelation algorithm，，the SNR paperpreliminarily algorithm; when is ofthetwo lOW，the correlationwillbe thebasisofthetwo peak broadened(Again，on correlation transform is ordertomeettheneedsof algorithm，Hilbertalgorithmproposed;In thereal(timeonline correlationmethod fast detection，the FFT toachieve( adopts algorithm Bycomputation’S ofthe analysis，the feasibility confirmedinmainstream algorithmgets digitalsignal processor( withthe theoreticalresearch Fmally，combining and simulation， basedonthe practical above’mentioned establishesMATLAB study，thispaper simulationmodelof STDR, SSTDR havebeensetfora system??Specificparameters simulation(Thesimulation specific results show theSNR that，when isnottoo andSSTDRcan low，STDR locate the accurately position of inthecaseof fault;but low of SNR，the STDR。correlation peak is weak(aJld very SSTDRcan stillbeforfault hasmore detection，SSTDR thanSTDR( advantages KeyWords:STDR;SSTDR;Pseudo―RandomDetection 兰州交通大学硕士学位论文 目 录 摘 要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(I Abstract„„„„„„„„(„„„„(„„„„„„(„„„„(„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„II 1绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1 1(1本课题的研究背景和意 义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1 1(2国内外电缆检测现状及发展趋 势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2 1(2(1离线检测现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一2 1(2(2国内外在线检测现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一4 1(2(3STDR,SSTDR方法的引入„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((5 1(3课题的研究内 容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6 1(4论文的结构安 排„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(7 2通信电缆故障检测的基本知 识„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2(1信号电缆的结 构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(8 2。2电缆故障的类 型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(9 2(3电缆故障的原 因„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2(4故障检测的一般步 骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2(5电缆线路中的波过 程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2(5(1电缆的等效电路模型和波过程„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2(5(2电缆的特性阻抗和等效阻抗„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2(5(3行波在电缆故障点的反射和透射特性„„„„„„„„„„„„„„14 2(5(4行波在电缆中传输的波速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2(5(5噪声与线路衰耗对行波传输的影响„„„„„„„„„„„„„„„17 2(6本章总 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3STDR,SSTDR技术的理论分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((18 3(1 8 STDR,SSTDR技术原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 3(2测距原理与主要技术指 标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3(2(1测距原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3(2(2测距的技术指标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3(3STDR,SSTDR方法的关键技 术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3(3(1二进制相移键控调 制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3(3(2信号隔离„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3(3(3相关接收„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 兰州交通大学硕士学位论文 3(4 3(5系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的改 进„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 3(6本章小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4伪随机序列的选取和参数对系统性能的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„一26 4(1PN码的特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一26 4(1(1 PN序列的伪随机 性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4(1(2PN序列的相关性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4(2 4(2(1伪随机序列的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 4(2(2主要线性伪随机码的相关性比较„„„„„„„„„„„„„„„„28 4(3ML码的生成原理和功率谱密 度„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(34 4(3(1 ML码的生成原 理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((34 4(3(2 4(4 ML码参数的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(36 4(4(1相关信号作为测试信号时的信噪比„„„„„„„„„„„„„„„36 4(4(2 ML码频率改变对信噪比的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„((38 4(4(3 ML码周期改变对信噪比的影 响„„„„„„„„„„„„„„„„一39 4(5SSTDR方法调制频率的选 取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一41 4(6本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 5时延估计算法的研 究„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„一42 5(1二次相关运算理论分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 5(1(1一次互相关运算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 5(1(2一次自相关运算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43 5(1(3二次互相关运 算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(43 5(1(4改进的二次互相关算 法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„44 5(2频域相关算 法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 5(2(1频域相关算法理 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 5(2(2频域相关算法的运算 量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„48 5(2(3频域相关运算量在主流数字信号处理器上的实时性分析„„„„„„48 5(3算法仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 5(3(1一次相关算法与二次相关算法的比较„„„„„„„„„„„„„„49 5(3(2二次相关与改进的二次相关算法的比较„„„„„„„„„„„„„52 一V一 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 5(4本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53 6STDR,SSTDR技术建模仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((54 6(1MATLAB仿真模型的建 立„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((54 6(2铁路信号电缆的具体仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„55 6(2(1铁路信号电缆中的信号类 型„„„„„„„„„„„„„„„„„„55 6(2(2系统参数设置与分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„56 6(2(3开路故障下仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„56 6(2(4短路故障下的仿 真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61 6(3本章小 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62 结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((63 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„((64 参考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„65 攻读学位期间的研究成 果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((68 兰州交通大学硕士学位论文 1绪论 1。1本课题的研究背景和意义 铁路运输业是我国的基础产业，它的安全问题关系到国民经济发展的命脉。然而， 随着铁路产业高速发展的同时，列车运行速度和密度也不断提高，铁路事故发生的概率 也随之增大。近几年，信号电缆逐渐老化，由它引发的故障也目益引起关注。铁路通信 电缆是传输铁路信号的主要通道，与铁路沿线的设备和电路配套使用，比如它常与继电 器、色灯信号机、轨道电路、计算机连锁设备等连接在一起。使用通信电缆可以把电能、 控制信号及监控信号传输到相应的控制设备和信号设备上，从而实现机车信号、调度集 中与行车指挥的自动化。可见，铁路通信电缆是铁路正常运输的“神经通道”。 通信电缆【l】常用的是低频对称的专用电缆，是套内层充气维护型电缆，它容易折断 和漏气。再加上人为地面开挖和施工等诸多因素，造成信号电缆故障发生的概率增大。 另一方面，通信电缆多埋在地下，而且它的绝缘层也比较厚。如果通信电缆发生了故障， 就需要花费巨大的物力和人力去寻找故障点的位置。而且，电缆故障类型也 越来越多， 加大了排查故障的难度。可见，电缆线路事故对社会造成的影响将越来越大，因此保障 电缆线路的安全和铁路的运输安全尤为重要。 在电缆故障发生概率高和故障种类多的情况下，为保证铁路安全运输，对供电的安 全性要求将变得更高，因此，对信号电缆故障的测试水平要求也随着提高。然而，传统 的检测方法，比如脉冲电压法、脉冲电流法和电桥法等，都是离线检测。这种测量方法 存在许多弊端，面临着许多问题。它相当于故障发生的事后补丁，在修复的过程中，也 会造成额外的停车和停电的损失。因此，效率很低，费时又费力，测距时问过长，检测 精度也不高。还有某些故障，比如电缆某点的绝缘层损坏，一滴水刚好滴到这个地方， 就会产生间隙性电弧故障，它的维持的时间就非常短，一般就几毫秒，一般在电缆不工 作时无法重现，所以需要采用在线检测方法对它们进行持续检测。铁路信号电缆在运行 过程中出现的这种间歇性故障，采用离线检测，便会无法预这类故障的发生。 实际中，电缆故障【2】的测试也成为信号电缆中最麻烦的问题之一，从整个电缆故障 的测试技术【3】来看，主要存在几个方面的技术问题: 1 电缆故障的粗侧在实际应用中已不存在技术方面的问题，存在的问题是故障点 的精确定位 2m范围 ，目前用声测法定位，精确度还不是太高，这成为电缆故障定位 的最大瓶颈; 2 当电缆发生故障时，测试过程一般都是切断电源，使信号电缆处于停 电状态，这也就是进行离线检测，离线检测实际应用中已比较成熟，但是会造成铁路运 基于STDR,SSlDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 输业的额外损失; 3 电缆故障的类型多样化，传统的检测方法已经无法检测出某些故 障，这给检修人员带来了的极大的不便。 面对电缆故障检测中存在的问题，急需一套高效率、高精度的实时检测系统，不但 可以实现信号电缆的实时在线监测，而且又能高精度确定电缆故障的所在位置。这样就 可以把故障消除在萌芽状态，及时准确的定位电缆故障，为安全供电提供了保障。另外， 又可将故障造成的损失降到了最低程度。就针对目前的状况，本课题依托兰州铁路局项 目“信号电缆绝缘与屏蔽状态在线检测技术研究”，以“基于STDR,SSTDR的铁路信 号电缆故障在线检测系统的研究”为题，研究了用扩展频谱时域反射法 SSTDR 来实现 电缆故障的在线检测，它在故障发生时就能定位出故障点，供电部门就能及时、准确的 发现和排除故障，极大的方便了维修人员，确保了安全、可靠供电。 1(2国内外电缆检测现状及发展趋势 铁路信号电缆运行的可靠性，是保证铁路安全运输的关键，是全世界铁路部门都要 重视的问题之一。随着研究的深入和科技的进步，涌现了不少通信电缆的故障诊断方法 pJ:电缆发生故障后，切断电源，再派专门的维修人员排除故障，这是离线检测;电缆 在运行过程中就对电缆实时检测，这是在线检测。离线检测技术比较成熟，现阶段应用 最多的还是离线测距。在线检测存在一些不确定因素，国内还处在理论研究阶段。 1(2(1离线检测现状 离线检测的方法比较多，按照检测原理来分，总的来说主要分为两大类:阻抗法和 行波法。经典的电桥法就是阻抗法的一种，时域反射法 TDR 是行波法的一种，这两种 检测方法各有自身的优缺点。 1 阻抗法。电桥法就是阻抗法的经典测试方法，它是通过求解测量端到故障端的 线路电阻值，然后利用一些参数推导出定位方程进行故障定位。适用于低阻故障的测量， 故障点的阻值不宜太高，最高不得超过500kQ，实测图和等效电路图如图1(1所示: a 测试电路 图1(1电桥法实测电路及等效电路 兰州交通大学硕士学位论文 此方法的原理是调节可变电阻R2，使电桥达到平衡，这时CD之间的电压为零，流 过检流计的电流也为零，由电桥平衡原理可得出此时各桥臂电阻之间的关系为: R,,R2 R3,兄 1(1 设电缆的总长度为S，电缆故障点到电缆末端的距离为&，到测量端的 距离为最， 如果电缆的单位长度电阻为，(，则有: R3 r S+So ，R4 蝇 1(2 因此可得如下公式: R3,R4 r S+So ,rS， 1(3 即可推导出: 墨 2SR2, 墨+R2 1(4 从式 1(4 可以看出:通过测量电缆总长度和桥臂墨和R:的阻值，便 可求得故障点的 位置。电桥法虽然有方便、简单、测量精度高等优点，但也存在不少缺点: 第一:对于高阻和闪络性故障，由于电阻值比较大，流过检流计的电流相当微弱， 一般难以检测到，因此此类故障不适合用电桥法进行故障定位。 第二:电桥法在实际检测中要求引线必须很好的接触，因为测量误差都是由较大的 接触电阻引入。由于对引线连接的高要求，也不适合在线检测。 第三:电桥法检测时还必须知道电缆的原始数据参数，这给检测人员带来了许多不 便，参数的累加还会影响测量精度。因为它存在的这些缺点，电桥法用的越来越少，已 逐渐被淘汰。 2 行波法 行波法[4】也称雷达法，它应用的范围比较广，多数的故障都能用行波 法进行检测。 其中有些测距方法已经很成熟，现在市面上的许多检测设备都是依据行波测距理论进行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的。这种设备的特点是对电缆本身无损伤，而且检测速度也比较快，已成为目前常 用的电缆故障检测方法。 行波法采用的是间接测距，它的基本理论是把电缆看作是分布参数模型，向电缆中 发射入射信号，入射信号遇到故障点后会产生反射，通过确定入射信号与反射信号的时 间差和行波在电缆中的传播速度来进行故障定位。 时域反射法 TDR 就是利用行波法进行故障测距的一种。它的基本方法是向电缆中 发射高速脉冲信号，信号遇到故障反射回来，然后分析反射信号，确定入射 脉冲与反射 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 脉冲的时间差f，再根据脉冲信号在电缆中的传输速度v，来求出故障点到测量端的距 离d，测距公式为d vf,2。这种方法还可以通过脉冲的极性来判断故障类型。 虽然时域反射法的应用较广泛，但本身的一些固有特性会使电缆在检测时遇到不少 的问题。首要问题就是对反射信号的识别，入射信号除了在故障点存在反射外，遇到其 它阻抗不匹配点时入射信号同样会出现反射和透射现象，另一方面，电缆中还存在这各 种噪声，这样接收的反射信号是各种信号的叠加，这为提取反射信号带来了难度。另外， 信号在电缆中传播时，随着传播距离的增大，信号也逐渐的衰减，而且发射信号频率越 大，衰减也越明显，这样导致信号到达测量端时，扭曲变形，脉冲信号难以识别，信号 到达的准确时间也难以确定，会给测量造成很大的误差。第二个问题是不能进行在线检 测，由于发射的高速脉冲信号对电缆中的信号有干扰，所以用这种方法检测时，电缆的 检测需要在不通信的状况下进行，势必会造成额外的损失。第三个问题是存在测量盲区。 当故障发生在测量端附近时，入射信号与反射信号会重叠，这样无法识别出反射波，所 以电缆近端无法检测到。 1(2(2国内外在线检测现状 进行故障的实时在线检测【5J，一方面要求不影响信号电缆的正常工作，另一方面能 够检测到难以排查的间歇性故障。通过检测电缆运行状态，可实时将电缆的工作情况传 输到控制中心，将各个电缆做出记录备案，为及时排除可能出现的故障做出准备，将故 障损失降低到最小程度。在线检测是未来电缆故障检测方法的发展趋势，然而，在线监 测技术还不够成熟，正是现阶段研究的热点问题，正向高精度和实时性方面发展。 世界上主要国家都把行车安全和旅客生命放在首位。为防范于未然，把电缆故障的 在线检测作为核心技术加以研究。现已在实时准确性方面做出了不少的成就: 在线检测方面起步比较早是美国，他们通过在信号电缆的末端设置开路点的，并在 开路点附近设置传感器来检测的。发生故障时，浪涌电压或电流将会产生，于是在开路 点就会发生正或负的全反射脉冲信号，再通过传感器来检测反射信号，最后测出其信号 的间隔时间来实现电缆故障的在线定位。这种方法的缺点是需设置开路点和外加传感 器，对电缆会造成一定的损害。 英国学者提出用实时专家系统来实现电缆故障在线检测。专家系统的核心是借助计 算机模仿专家思维来处理遇到的难题，专家系统的基本理论是依据专家知识来建立基本 数据库，并设置和维护知识库的规则，知识库的建立依据以往的电缆故障，并在实际应 用中加以更新。专家系统的缺点是通用性较差。 兰州交通大学硕士学位论文 近年来，我国在电缆故障在线检测【6】方面也正在努力，其中著名学者张晓虹通过光 纤传感器采集故障点附近温度变化，再把温度信息转换为电信号，最后送到处理器进行 分析来实现电缆故障的在线测距。 应用小波理论进行故障测距也是目前的一个研究方向，它依据的是小波的多尺度变 换，将信号分解到较大的频率范围，信号的具体细节便可以清晰的展现出来。信号的奇 异点可根据小波变换模极值理论精确的找到，方便了我们确定入射信号与反射信号时间 差。此方法也有存在较大的缺陷，主要是去噪能力差，如果信号中存在脉冲噪声干扰时， 测距误差显著上升，干扰强时甚至无法测距。 1(2(3STDR,SSTDR方法的引入 通过对小波理论、专家系统等故障在线测距方法的分析，可以看出它们的实时l生不 强，技术发展还存在瓶颈，另外发射的脉冲信号都会对线缆中的工作信号造成一定的干 零的特性，对正常的工作信号无干扰，可以作为行波的发射信号。这种低测试信号电平 和高噪音免疫的测试方法非常适合线缆间隙性故障的检测与定位。可见，扩展频谱时域 反射法不仅能够实现在线检测，而对电缆中工作信号无影响。此法还可以检测出大多的 故障类型，准确定位故障位置。另外，还可通过合适的相关算法来提高信噪比和抗干扰 能力。随着电缆故障在线检测的深入研究，STDR,SSTDR方法的优越性将会在电缆故障 检测中发挥了举足轻重的作用，将成为研究的主要趋势。 信号电缆通信系统中，如飞机信号电缆中。美国在军用飞机电缆故障的在线检测方面就 Smith，Jacob 的对飞机电缆中的难以排查的间隙性故障进行在线检测。通常飞机电缆中的正常工作信 号分别为Mil―stdl553信号 低频数字信号 和400Hz，110V的交流信号，他们采用了 SSTDR方法来检测电缆中的间隙性故障，做了这样一个试验:首先设置被检测的电缆 长度为200m，信噪比为(17(5dB，第一步检测特征阻抗不变的电缆，通过试验证明，其 测距误差仅为3cm，检测、定位精度很理想。第二步检测特征阻抗变化的电缆，其测距 误差仅为6cm，测距精度也很高。可见，对这两种特性的电缆进行检测时，其检测、定 Smith等人还指出在飞机正常飞行时也可 位效果都很理想，定位误差仅有几厘米。Paul 以使用SSTDR技术来进行不问断的检测，同时自动把故障的位置记录下来，极大的方 便线缆的维护和检修，这将成为电缆故障在线检测的较为理想的方法。 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 最近国内也开始用SSTDR技术来实现电缆的间隙性故障检测与定位。从研究的情 况来看，进展并不顺利，还有如下问题需要进一步的研究和解决: 1 测量盲区和最大 测量距离之间的矛盾，测量盲区与发射的频率有关，如果发射频率越大，盲区就越小， 但是信号在电缆中衰减就大，严重影响了行波在电缆中的传播距离，同时也影响了测量 的精度，如何对二者折衷需要考虑; 2 伪随机序列长度的确定，如果被测电缆总长度 不知道，选择多长的伪随机序列就不能确定; 3 最大可测长度和实时检测存在矛盾， 电缆的测量长度取决于伪随机序列周期的长短，周期越长，测量范围就越大。但电缆检 测实时性要求检测定位时间尽量的短，因为间隙性故障发生的时间非常短， 通常只有几 毫秒，在这么短的时间内要完成对伪随机序列在一个周期内的相关运算、采集足够的点 进行定位，需要采样时间间隔就要尽量短，周期要尽可能小，频率要足够高，这两者之 间如何折衷需要考虑; 4 信号在电缆中传输存在各种噪声，反射信号能量可能很弱。 如何挺高信噪比，提高反射信号的识别能力也是主要考虑的问题; 5 电缆测量精度决 定了电缆故障检测的成败，如何提高是首要解决的问题之一; 6 SSTDR在线检测要求 在较短的时间内处理完采集的数据，能否对实时更新的数据进行处理，需要有更优的算 法来解决。 通过阅读文献可知:现阶段，SSTDR方法是最适合电缆间隙性故障检测与定位的 方法，不论从发射信号的自身属性来看还是从定位效果上来说，该方法都是最优的。 1(3课题的研究内容 随着铁路信号电缆的广泛使用和运行时间的增加，发生故障的概率会越来越大，采 用STDR,SSTDR对电缆故障进行在线检测，一方面可以精确定位出电缆的故障，给排 除故障提供极大的方便;另一方面对难以排除的间歇性故障有很好的诊断作用，提高了 诊断电缆故障的能力。 针对电缆故障在线检测系统的最终目的和当前我国的研究现状，课题采用了扩展频 展开，通过对STDR,SSTDR相关理论进行分析，找出这一技术方面存在的问题，然后 针对系统中的问题提出了相应的解决办法。研究的内容主要从以下几个方面来体现: 测试系统的模型; 2 用MATLAB仿真，分析几种常用伪随机序列码型，找出系统最佳的发射码型; 3 确定PN序列的码型后，用MATLAB分析不同长度的伪随机序列对系统的影响; 兰州交通大学硕士学位论文 5 研究相关算法，确定相关波形在峰值处对应时间的精确确定，同时满足在高采 样速率条件下，达到实时检测的目的，从而实现故障的在线测距; 障检测中的可行性，并比较STDR与SSTDR方法的优劣。 1(4论文的结构安排 本文的研究内容如下: 第1章为绪论部分，探讨了铁路信号电缆故障在线检测的背景和意义，阐述了课题 的国内外研究现状和未来的发展趋势。 第2章为通信电缆故障检测的基本知识，主要介绍了电缆的故障类型和造成故障的 原因以及电缆的波过程，为电缆故障的在线检测提供研究的依据。另外，根据电缆的故 障类型，探讨了一下电缆故障的检测步骤和检测方法。 第3章为STDR,SSTDR技术的理论分析，详细讲述了通信电缆检测的系统原理， 分析了伪随机序列的测距原理并论述了该方法的主要关键技术，最后建立了 本系统的检 测模型。 第4章为伪随机序列的选取和参数的影响，介绍了伪随机序列的基础知识，研究了 二进制伪随机序列的相关特性，找出最佳的发射序列。确定序列后，分析了不同长度和 不同频率的PN序列的对系统性能的影响。 第5章为时延估计算法的研究，阐述了时延估计方法和相关理论。为了能够从电缆 中提取出微弱信号，采用二次相关算法用于电缆故障的在线检测，针对低信噪比情况下， 二次相关的峰值被展宽的问题，选用基于希尔伯特变换的二次相关算法进行锐化处理。 为了能够满足实时在线检测，相关算法采用快速傅里叶变换 FFT 来实现， 最后对运算 量和实时性进行分析，证明二次相关在电缆故障在线检测中的可行性。 本文结论部分对所做的研究工作进行简单的总结，并指出其中的不足之处和有待进 一步解决的问题。 基于S1DR,sSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 2通信电缆故障检测的基本知识 对于不同的电缆类型和不同的故障类型，电缆故障检测的整套设备合理配置非常重 要。因此，对信号电缆进行故障检测时，需要充分考虑以下几个因素【lUJ: 1 信号电缆 的类型，比如电缆的结构特点、电缆的耐压特性，在选择测试设备时都将有所区别，不 能一概而论，以防所选择的测试方法，会给电缆造成某种损害; 2 信号电缆的故障类 型和性质。了解了电缆的故障类型，为选择合适的检测方法提供了参考依据; 3 信号 电缆的故障原因。找出故障原因，统计故障类型，为下次排查故障积累经验。 2(1信号电缆的结构 根据电缆的典型构造，归纳起来主要有几部分组成:导体芯线、金属屏蔽层、金属 或者非金属护套、主绝缘层。其截面示意图如图2(1所示: 铝护套铁路内屏蔽数字信号电缆 SPTYWP啪 缆芯 屏 A型 B型 图2(1铁路信号电缆截面示意图 铁路数字信号电缆可用于信号系统及设备之间，同缆传输同数量级电平的同频信息 DMIS 铁路运输调度指挥系统 底层系统数字信息和业务电话的传输通道。当用作 号电缆 PT缆 用于其它铁路信号系统中。 传统的铁路信号电缆内部是三芯的，正常的工作电压为额定电压交流500V或直流 1000V及以下，所采用的护套大都为固定敷设的塑料护套、铝护套、综合护套这几类。 在材料科学的发展的同时，也带动了信号电缆的进一步提高，逐渐朝多芯、细线径 兰州交通大学硕士学位论文 方向发展。近年来开发了用于铁路的数字信号电缆，有的电缆内层还设置了防鼠害、虫 害的措施。与普通铁路信号电缆相比，数字信号电缆的结构设计和工艺改进都有了很大 的调整，工作电容由50nF,km降低到28nF,km，电容耦合K1平均值由100 pF,km降低 到81 高了电缆近端串音衰减，有效解决了在同根电缆内传输相同频率的铁路信号信息时，各 传输线组之间的干扰防卫问题，从而实现了信号的高安全性、高可靠性和高速性传输。 2(2电缆故障的类型 分析电缆的故障类型是选择合适的测量方法的依据，合适的检测方法是保证快速有 效测试电缆故障的关键。电缆故障的分类方法各种各样，可归纳一下几种情况: 1 按照电缆的组成材料分类 物理特性 根据电缆的结构组成，可知电缆主要有两大部分组成:绝缘体 如主绝缘层、非金 属外护层 和金属导体 如导体芯线、金属屏蔽层、金属外护套等 。哪一部分出现故 障都可能造成电缆不能正常工作。但在实际情况中，在一些特定条件下，只考虑或只分 析信号电缆中主要材料的故障，因此，电缆故障主要分为两大类: ?导体故障:电缆中的金属导体所出现的故障，主要指导体芯线和金属屏蔽层的 故障。以导体芯线为例，如图2(2所示: A B C 图2(2电缆故障示意图 电缆的正常电阻值为: go pL,s n 2(1 式 2(1 00，L为电缆长度，P为导体电阻率，S为芯线截面面积。 当电缆成型后，其正常电阻值R是一个定值，在实际中有两种类型故障。 一、 断 路故障:R。 测试电阻 为无穷大，电缆的芯线或者金属屏蔽层在某,处或 多处断开。 如电缆被人挖断，烧断。或在接头处，电缆芯线或者电缆两端的屏蔽层根本就没有接上。 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 二、似断非断故障:即R。 风，如接头部分芯线或屏蔽线处理不好、电缆的芯线或金 属屏蔽层某处似连非连等，它在电缆不工作时，难以重现。这类故障也叫间歇性故障， 实际中确实存在，一般不容易被发现。以上两种情况的导体故障统称开路故障。 ?绝缘故障:电缆中的绝缘层相比导体材料脆弱的多，因此电缆中的绝大多数故 障都是由绝缘层不好引起的。一般会出现两种类型故障:一、泄漏性故障，指随外加电 压变大时，电介质的电导特性变坏的故障。这类故障与电介质的物理特性有密切关系， 而且在降压时电介质特性不可恢复。这类故障包括泄露性高阻故障和泄露性低阻故障。 二、闪络性故障，指给信号电缆外加电压时 小于额定电压的情况下 ，电缆绝缘被击 穿，表明存在故障，但当电压下降时，绝缘性又自行恢复。实际中欧姆表判断不出故障 的存在，只能通过外加电压才能发现电缆故障的存在。这类故障用传统的离线方法一般 难以检测到。 2 按行波发射理论分类，可把电缆故障分为以下几种类型: ?开路故障。包括金属外护套和导体芯线以及金属屏蔽层等断线和似断非断故障， 可用低压脉冲法测试。这类故障是指相间电压或者相对地的绝缘电阻达到要求的值，但 电压不能传输到另一端，或者另一端有微弱电压但带负载有限。例如，当尺。为无穷大 时，就可以看作是开路故障。如图2(3所示:若电缆在B点存在开路故障，行波传输到 B点时，将产生全反射，不再向前继续传输。 A_?E三王 c a 开路故障电缆 b 开路故障的反射与透射波 图2(3电缆开路故障及反射波 ?低阻故障。若电缆的相间或相对地出现泄露性故障，当绝缘电阻小于某一特定 数值时，可以用低压脉冲法检测的一类故障。一般过渡电阻小于2K都可认为是低阻故 障。如图2(4 a 所示:髟为接地电阻，当对地电阻吩为零时，可视为短路故障，这是低 阻故障的特例。若电缆在B点存在低阻故障，由于等效阻抗乙 zo zo为电缆的波阻抗 ， 兰州交通大学硕士学位论文 因此，反射系数在B点的为负，行波传输到B点时，产生负反射，并有部分透射波继 续向前传输，如图2(4 b 所示: a 低阻故障电缆 A b 低阻故障的反射与透射波 图2(4电缆低阻故障及反射波 ?高阻故障。电缆的一芯或多芯对地绝缘电阻或相间电阻低于正常值但高于lOzo。 由于这类故障的绝缘电阻很大，不能用低压脉冲法进行测试。此类故障用高压脉冲反射 法，即闪络法进行故障点测试，它包括泄露性故障和闪络性高阻故障两种类型。这两种 故障的发生概率大，而且难以排查。 ?闪络故障。电缆的一芯或多芯对地绝缘电阻非常高。对电缆进行直流耐压测试 时，电压加到某一数值时，突然出现绝缘暂时被击穿。这类故障是称闪络性故障。 从上面的分析可以看出:电缆的故障类型跟绝缘电阻的大小有关，归纳起来见表2(1 所示: 表2(1电缆故障性质分类 电缆高阻故障发生的概率比较大，高达80,以上，开路故障和闪络性故障发生的概 率都很小，而闪络性故障又称为间歇性故障，它排查起来比较困难。虽然故障发生的概 率小、排查困难，但为了保证对铁路运输业的高可靠性、安全性，仍需要更先进的检测 基于sTDR,ssTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 方法，要做到万无一失。低阻故障发生的情况也比较多，这类故障点容易查找。为了尽 快确定电缆的故障位置并排除故障，了解电缆的特性和故障类型非常有必要。这为下面 介绍的电缆故障测试方法 STDR,SSTDR 提供了参考。 2(3电缆故障的原因 由电缆故障的多样性可知，电缆故障产生的原因是多方面的。造成故障的原因可总 结以下几个方面: 1 电缆本身存在质量问题。主要有电缆的制造工艺、电缆接头的制作、电缆的绝 缘老化等原因引起的。 2 外部原因导致电缆故障。电缆受到施工破坏、重物冲击和挤压及恶劣环境等造 成各种故障和形成故障隐患。 3 试验过程导致电缆故障。不合理的试验方法 如直流耐压试验 或过长过高给 电缆施加高压等。 4 电缆管理不善导致电缆故障。如电缆路径和热力管道的交叉，长期负荷运行， 长期工作在有腐蚀的环境中等都会造成故障的发生。 2(4故障检测的一般步骤 一旦电缆发生故障，造成信号中断后，测试人员需要选择合适的测试方法，按照一 定的步骤，来寻找故障的位置。电缆故障查找一般分为三个步骤【11】: 1 故障诊断。就是对电缆的故障情况作初步的了解和分析。然后根据绝缘电阻的 大小对故障电缆的性质进行分类，最后根据不同的故障性质选择不同的测距方法。 2 电缆故障测距。对故障电缆施加测试信号，分析反射信号，获得测 试信息，初 步确定故障的粗略位置，为下一步的定点提供足够精确的信息。这是故障检测过程中最 重要的环节，也是本课题重点研究的内容。 3 电缆故障精确定位。因为电缆端部有预留，测量过程有误差，所以通过电缆故 障测距得出的是故障的大致距离。因此，需要再通过精确的定位方法，找出故障的准确 位置。电缆故障精确定位方法较多，常见的有声测法、音频法，声磁同步法等。 2(5电缆线路中的波过程 2(5(1电缆的等效电路模型和波过程 电缆发生故障时，会产生带有高频分量的故障暂态信号，相对电压行波而言，这种 高频分量的脉宽很小，它的波长也远远短于传输线的长度。根据长线的定义i12】，电缆又 兰州交通大学硕士学位论文 是传输线的一种，因此，可以把电缆当作长线对待。而长线就需要用分布参数电路模型 来分析，不可选用集中参数电路来表示。这样电缆就可以看作是有许多元件组成的，其 中电阻和漏电导会导致波形衰减，电缆传输就是一个有损耗的均匀传输过程，因此，电 缆等效的分布参数电路模型如图2(5所示: 竺出 盟一一(( 。出 甜+孚出 m ; 图2(5电缆的分布参数模型 图2(5中电路元件?、Lo、Co、Go分别为长线单位长度的电阻、电感、电容和漏电 导，这些元件构成电缆的分布参数。因为电缆是均匀传输线，再根据电缆的等效电路， 由基尔霍夫定律可得传输线的基本方程式为: 卜 (Z 刊0 厶 即 亿 + 江? G GD 锄一缸西一缸 西一所抛一西 将式 2(2 的两个方程分别对时间求偏导数和对坐标求偏导数，得 2(3 所示方程组: “ ，二，球G皤 球印 (斗 “一2 R岛 q 戊黼0 如一掰竹一酽 铲一所铲一西 西,钟抛一拼 由此方程式 2(3 ，就可以写出其通解为: “ x，f :石O一-x +L t+-x “+O一三 +“一p+兰 ，“+ r一兰 “一 r+兰 x- 4??2 如，f :f+ 卜 +i一 f+三 :』一』 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 V 甜+O一兰 代表向 +x 方向以速度v传播的入射波。 V 这样只要知道初始和边界条件，就能求出具体波形。从通解的形式看出:分布参数 上任何点和任何时刻的电压、电流值都可能由一个正向行波电压和反向行波电压叠加而 成，而且还以一定的波速度向前传播。 2(5(2电缆的特性阻抗和等效阻抗 特性阻抗zn是指行波电压和电流的比值，即入射波电压烈+与入射波电流f+之比，或 者反射波电压“一和反射波电流i一之比。如公式 2(5 所示: 2(5 由公式看出:特性阻抗Z0与R、三、G、C和工作频率?有关。其中，电容C和电 感三与电缆的介电常数、材料芯线的截面积等因素有关，所以会根据电缆规格的不同有 所变化，这说明了每种不同种类的电缆其波阻抗是不同的。例如某电力电缆的波阻抗一 般在10Q到40Q之间变化。 某些类型的电缆衰耗比较小，此时三 R，coC G，其特征阻抗乙便可简化为: zo 4L,C 2(6 等效阻抗是指线路上任一点的总电压和总电流的比值。设等效阻抗为z。，特征阻抗 为磊，接地阻抗为乙，据有关资料知等效阻抗为: Ze Zn,,zo 2(7 2(5(3行波在电缆故障点的反射和透射特性 根据行波的传输特性可知:电缆发生故障时，故障点两端的等效阻抗与特征阻抗不 相等，故障点出现了阻抗不匹配的现象【l引，行波在电缆中传输遇到不匹 配点 故障点 时将发生行波回送现象，即发生了反射。由于短路故障终端阻抗很小，部分行波能够透 过故障点继续往前传播，即发生了透射。电缆正常运行时，电波始端与终端的电缆波阻 抗相等，阻抗相匹配，行波正常传输，没有反射和透射现象。可见，电缆线路产生故障 时，由于复杂的反射、透射因素，使采集到的信号波形将变得十分复杂，这为滤除噪声 信号，识别有用信号带来了不少难度。行波的反射和透射现象如图2(6所示: 兰州交通大学硕士学位论文 图2(6电缆遇到故障时的反射与透射现象 行波的反射系数就是长线上某点的反射波的电压或电流与入射波电压 或电流之比， 而透射系数可用透射电压电流波与入射电压电流波的比值表示。设两段线路的波阻抗分 别为z1，z:时，以电压行波为例，则反射系数为: 2(8 “f 成2等2羞Z2+Zl 透射系数为: 儿:兰:旦 2(9 “l Z2+zI 由电流行波与电压行波的关系不难求得电流行波的反射系数: p:_tf:垡王 r2(10 ‘ z2+zI 透射系数为: 乃:拿:旦 2(11 lI Z2十Zl 公式中，,表示入射侧的电压，甜，表示反射侧的电压，“，表示透射 侧的电压，ff、 ff和f，分别表示入射侧、透射侧和反射侧的电流，z。和乞表示入射侧和 透射侧的波阻抗。 不难发现，反射系数和透射系数存在这样的关系: y 1+p 2(12 当电缆无故障时，终端和始端波阻抗相等，即:z。 z2，此时反射系数 为: 7―7 尼 成 业 0 2(13 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的 研究 因为阻抗相匹配，反射系数为零，不存在反射信号。 当电缆发生短路故障时，可以把终端波阻抗z，看作零，即z， 0，此 时的电压、电 流反射系数为: 乙+Z1 Z(j 旷磊一1 2(14 4 肛 1 此时入射波形与反射波形极性相反。当电缆发生开路故障时，电缆终端 波阻抗远远 大于始端波阻抗，即:z， Z1，此时的电压、电流反射系数为: Z，+Z， Z(1 l 舻i一 2(15 岛 一1 由反射系数为1可知，在阻抗不匹配点入射电磁波将发生全反射，且反 射波形与入 射波形极性相同。反射电压在短路点急剧增大，而电流将变为零。 当发生低阻故障时，即z2 互，反射系数小于零，入射波形与反射波形极性相反， 但入射波的幅值大于反射波的幅值。 2(5(4行波在电缆中传输的波速 行波在电缆中传输的波速是指入射行波或者反射行波朝一个方向传播的速度，根据 推导得出波速的表达式如下: V 一 ―F ―― IZ(10 、 2(16 。 V』T 击 亳qLC犁 公式中S是光速，为一常数，‖为芯线周围介质的相对介电系数，不同型号的电缆， 这一系数都是不同的，占为芯线周围介质的相对导磁系数，不同规格电缆，这一系数也 不同。可见，电缆传输行波的波速与电缆的材料、电缆的横截面、几何形状等无关，只 与电缆芯线周围的绝缘介质有关系。因此，针对不同型号的电缆在进行故障测距时，都 要对行波在其的传输速度进行试验，确定出行波传播的精确波速度，以免测量时存在较 大的测距误差。 实际上，同种规格中传输的行波其波速也不是恒定的，它受行波发射频率的影响。 通过试验分析证明:发射行波的频率从低到高变化时，行波波速开始逐渐增大，信号幅 度的衰耗也随之增大。但随着发射频率增加到某一值后，波速基本趋于恒定。在对系统 进行仿真研究时，选择行波信号多高的频率就成为一个主要问题。如果我们选择频率很 兰州交通大学硕士学位论文 高的高频信号作为系统的发射信号，虽然保证了行波波速的恒定，但高频率的信号幅度 衰减很大，会影响电缆的最大测量距离。同时实际应用中，数据采集卡的采集频率一般 不是太高，这又限制了我们采用高频信号去实现。可见，行波的频率选取不是随意的。 考虑这几方面的因素后，信号频率选取采用折衷的方案，既要保证采样容易实现、波速 大致恒定，又要使信号的衰减不太严重。 2(5(5噪声与线路衰耗对行波传输的影晌 在无损传输系统中，波信号保持固定的波形传输，然而行波在电缆中传输是有损的 传输系统，不是理想的系统，所以随着电磁波在电缆的传播，信号逐渐衰耗，能量也随 之减弱，波的幅度也将变小，而且在衰减的同时，波形也会分解和变形，实际波形和理 想波形存在着很大差距，甚至畸变，严重时在测量端观察不到波形。另一方面，信号在 电缆中传输时，还存在各种噪声的干扰，如白噪声、脉冲噪声等。因此，传输的波形可 能会出现畸变，如果周围存在强磁场，干扰比较严重时，信号完全被淹没到噪声中。这 给测试带来了许多不便，因此，熟悉波的传播特性，研究相关的算法来过滤干扰波将成 为一个主要问题。实际应用中，现场测量的电磁环境十分恶劣，采集到的信号往往是噪 声信号和行波信号的叠加，因此，这就需要借助信号处理工具来滤除噪声，提高信噪比， 找出隐含在电磁波中的有用信号，提高在线检测的精度，实现信号电缆的在线检测。 2(6本章总结 本章开始主要讲述了电缆的结构、故障类型、故障产生的原因和故障检测的一般步 骤。这为电缆故障的在线检测系统设计，提供了参考和指导。最后一部分详细讲述了行 波在电缆中的传输特性，首先提出电缆的分布参数电路模型，在此基础上， 推导出行波 的波动方程、波阻抗、波速度以及反射系数与透射系数等参量。利用行波法来实现故障 在线检测与这些参数有密切关系，因此，对这些参量进行研究分析是实现在线故障测距 的基础性工作，它为系统建模仿真提供了理论依据。通过本章的介绍，对电缆故障测距 有了一个清晰的认识。接下来系统的仿真就建立在这章分析的基础一L，本着减I,lll量盲 区、降低噪声、提高测距精度和实现在线检测的原则进行。 基于STDR,SsTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 3STDR,SSTDR技术的理论分析 在综述了电缆故障检测的基础知识后，将在此基础上引入本文所要研究 的通信电缆 反射回来的反射信号，所不同的是发射的信号不一样，前者发射的是伪随机序列，后者 发射的脉冲信号，另外对反射信号的处理方式也不同。这将在后续章节详细介绍。TDR 所发射的脉冲信号，会干扰正常的工作信号，不能用作在线检测。而STDR,SSTDR方 法所发射的伪随机序列具有白噪声均值为零的特性，不会干扰电缆中传输的工作信号， 而且对噪音还具有很高的免疫能力。这不仅适合电缆间隙性故障的检测与定位，而且在 不干扰正常工作信号的情况下对电缆进行持续检测。因此，STDR,SSTDR可以进行在线 检测。本章通过分析这种检测方法的基本原理，阐述主要的关键技术，提出本系统的构 成模块。 3(1 STDR,SSTDR技术原理 的信号电缆中，根据行波的反射和透射特性，在发生故障时，造成阻抗不匹配，便引起 PN序列的反射。设PN序列为x f ，测量端检测到的信号为: y f ?:akx t―r 4-，z f 3(1 ‘F 其中f为信号在电缆中的传输延迟，刀 f 为加性噪声信号。 此方法的具体检测框图【l6j由图3(1所示: 出 图3(1电缆的相关检测模型 兰州交通大学硕士学位论文 相关运算，然后改变入射信号的延迟时间ff，使相关运算达到最大值。此时峰值点处对 应的时间就为入射信号与反射信号的时间差。相关运算公式推导如下: R砂 r Jcny f x 卜t, dt r倭州?m?卜舭 @2， 知训莩州hm知刊砸妙 加性噪声的作用时间Z Z，所以与发射信号x f 并不相关，因此它的积分为零。由伪 随机序列的知识可知:接受到的信号与发射信号相关时，只会出现一个峰值，即在反射 信号与发射信号的相位一致时出现。此时信号在电缆中的传输延迟为:f ta。 7|。把调制后的BPSK 信号的调制信号。在PN序列发射之前，需要正余弦波进行调制【l 信号注入电缆，可以把此发射信号的幅度设置的很小，对电缆中的工作信号基本无干扰。 调制PN码[18】的目的是提高相关时的信噪比，系统更容识别出有用信号，使信号对干扰 免疫，信号相关的峰值变得更加显著，可提高抗干扰和滤除噪声的能力。SSTDR方法 在抗干扰和测量精度上都优于STDR，后续章节将具体的分析这两种方法的优劣。 STDR,SSTDR方法的基本原理图如图3(2所示: STDR测试信号 测试信 图3(2STDR,SSTDR方法的基本原理图 基于STDR,SSl’DR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 生相应频率的PN码。当使用SSTDR方法时，PN发生器的输出经乘法器，与余弦信号 经乘法器，即不需要余弦信号的调制，将PN码发生器的输出直接作为测试信号注入到 电缆中。这两种方法的选择通过一个电磁开关进行控制。测试信号在电缆中传输若遇到 故障将产生反射信号，由于反射回来的信号由多部分信号叠加而成，需要经过入射信号 分离器和高通滤波器的处理。接收端将反射信号与相位可变的参考信号 即输入信号的 一个延时信号 一起送入相关器 相关器由乘法器和积分器组成 ，通过分析相关器输 出的峰值来确定延迟时间，即可定位电缆的故障点。 在前面论述SSDR,SSTDR检测方法中，发射信号选用了伪随机码【l91，主要是因为 它有以下几方面的优势: 1 自相关特性良好，其自相关函数的尖锐特性容易识别; 2 它的均值为零，相 当于白噪声特性，而且可以把幅度设置足够小，不会干扰电缆中的工作信号; 3 对噪 声具有一定的免疫; 4 具有伪随机特性，在很大的频率范围内，它的功率谱密度都是 比较平坦的; 5 产生起来并不难; 6 有足够的编码数量和尽可能大的复杂度。 3(2测距原理与主要技术指标 3(2(1测罡巨腺理 STDR,SSTDR方法的远距离精确测量利用的是伪随机序列结合直接序列扩频的思 想【201，而它内在的测距原理利用的是序列的优良自相关特性来估计时延。测距系统利用 相关运算峰值点对应的时间百 时延估计值 来代替信号在电缆中的传输延迟【2l】。已知 信号在特定传输介质中的传播速度C已定，如果知道PN码传播到故障点处并返回测距 站的延迟时间T，则故障点处到测距站的距离d便可由公式 3(3 求得: cr d:i1 、 3(3 7 2 3(2(2测距的技术指标 设入射信号为伪随机序列或是调制比为1:1的BPSK信号，这两种信号的相关运算 都具有一定的周期性，当超过一个周期时，会出现两个自相关峰值，这就可能会和故障 相关峰值混淆，从而产生误判[221。因而在仿真过程中选择一个周期进行仿真，实现全相 关运算。当故障点距测距站很短时，电磁波传播时间很短，发射信号与反射信号混叠在 一起，致使无法测距。这就为被测电缆的测试距离定下了一个范围。如式 3(4 所示: 兰州交通大学硕士学位论文 丢Ic?d?丢嵋c 3(4 式中e为一个码片持续时间，其中I 1,Z，f为码片速率，?为伪随机序列的 10m?d?1270m。 由测量范围看出，一定长度的电缆不是每个位置都能检测到，因此，此方法存在测 量盲区，也就有了鉴别能力这一技术指标。鉴别能力S用最小测量距离来表示，即: 1 dmin S ?Ic 3(5 从公式 3(4 还可看出:系统的测距能力有限，即有一个最大的测量距离: 1 dm。 去?Ic 3(6 设波速恒定，还有一个测量指标是测量精度?d 测距分辨率 ，如式 3(7 所示: ?d:丢If―Ilc 丢?纪 3(7 测量精度取决于延时估计T，而延时估计又与捕获技术和码片持续时间有关。 综上分析可知系统主要技术指标有:最大测量距离、测量盲区和测量精度等。从上 面的公式可以看出:如果要减小测量盲区，需要减小码片的持续时间，虽然Z减小 发 射频率变大 ，会使出减小，从而?J减小，提高了测量精度。但是减小码片持续时间 会减小可测电缆的最大长度，同时由于信号的发射频率增大，信号在电缆中 的衰减也随 之增大。这时还要进行远距离测量只能增大伪随机序列的长度N。可见，测量盲区和测 量精度与最大测量距离之间存在矛盾，设计系统要根据指标的要求进行折衷的选择。 设要求的设计指标为:最大测量距离2km，测量盲区2m，根据公式计算可得出: 区，就需要降低码片持续时间。假如测量盲区降为lm，此时码片持续时间就需要减到 量盲区，最大测量距离将显著的下降。因此，具体设计时要综合考虑这两方面的因素。 3(3STDR,SSTDR方法的关键技术 3(3(1二进制相移键控调制 基于STDR,SSTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的 研究 PN序列后必须经过二进制相移键控调制 BPSK调制 ，调制后的信号才可作为入射信 号。由于入射信号的反射信号要与参考信号做相关，所以不仅入射信号需要进行调制， 参考信号也同样需要二进制相移键控调制。 BPSK方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式，BPSK信 号形式一般表示为: eo t [?a(g t-nTs ]cosc_oJ 3(8 式中g f 是幅度为1，脉宽为五的单个矩形脉冲，a。是双极性的，它的统计特性为: f+-，出现的概率为P ,2l-i:出现的概率为1一P 3??9 这样，在一个码元持续时间内观察时，eo ， 表示为: @埘 I_ 以f，出现明概率为l一， “归 兰CsO篓S字怒。一P foo，发送符号1 纯2j180。，发送符号o 3??11 BPSK调制可以采用相位选择器，也可采用乘法器来实现。如图33(:示 所 a 相位选择器调制 b 乘法器调制 图3(3 BPSK信号的选择器和乘法器调制 3(3(2信号隔离 兰州交通大学硕士学位论文 反射信号包括多种信号的叠加【24|，对于接收机而言，它接收的信号是入射波的反射 声一样看作是噪声，它们的存在对相关器的输出波形造成影响，严重时甚至无法找到峰 值点。因此，这几部分噪声都要滤除，必须把需要的测试信号提取出来。把信号送入相 关器之前，首先隔离入射信号，把正向传播的信号隔离掉，这里需要设计入射信号隔离 器。可以设计变压器网络，变压器网络起到信号的电气隔离作用，同时提高了系统的抗 干扰能力。其次分离反向传输的信号。反向传回的信号包括需要的测试信号、正常工作 信号和噪声信号。测试信号选取的是低压高频信号，相对于测试信号，工作信号和白噪 声是低频信号。依据这些信号的频率特性，就可设计高通滤波器对频率较低的正常工作 信号和白噪声进行滤波处理。通过这两部分的信号隔离，就可得到所需要的测试信号。 3(3(3相关接收 STDR,SSTDR方法选用的发射信号是低压的弱信号，且在电缆中随传输距离的增加 衰减更为严重，再加上噪声的干扰，甚至无法识别反射波。这样就需要设计出基于弱信 号检测算法的相关器【251，即使扩展频谱信号淹没在噪声中，可通过提高 处理增益的办法 把信号筛选出来。它的处理增益可以用下式表示: PG 五,毛 恐,B ,,2B 3(12 式中不和耳分别为PN序列的周期和一个PN码片时间;耳和R。分别为 码片速度 和STDR,SSTDR序列速度;瞩。为扩展频谱信号带宽。 表示的信号是x0一t 信号的同步信号，相关器的输出信号为: E 丁 rx f―t ?吼x f一丁 衍 3(13 测试信号与发射信号相位一致时，相关器输出最大值，一个序列周期内 最大值唯一。 采用相关器法来完成相关运算常用的方法是使用运算速度达百兆每秒的快速数字 相关器电路。它的基本原理是首先把接收信号 3(1 经过11级量化，其次对接受信号的离 散时间形式?,x f出一f 进行相关运算，相关器的输出为: k L厂n ] ” 3―4 E r ?l??qzu’ f?r―f 2。 f?f―t ?E“’ r 2叫 基于sTDR,ssTDR的铁路信号电缆故障在线检测系统的研究 其中k个相同相关器的计算为: , 3(15 ‖ f ??akX j iAt-r 2,x iAt-t, ，1?,?尼 i 1七 通过相关因子20简单地加权后求和，便可以求出相关器总输出。 基于匹配滤波器技术的相关接收不需要一个与反射信号相位同步的参考信号，它的 基本原理是设计一个传输系统，使它的冲激响应办 f 为: 办 f y T―f 3(16 这样，匹配滤波器的输出为: E f y t 丰五O yO 丰y 丁一f Iy r y T―f―f矽f 3(17 对数字信号而言，需要设计横行滤波器结构来实现这样的匹配滤波器。设横向滤波 器的长度为L，当横向滤波器的相关延迟级接收到整个连续伪随机码后，就用加权因子 c?对每个码元进行加权，再进行累加运算，这样，相关器的抽样值便可以得到。这种 滤波器需要考虑的首要问题是信号的时延，这将影响到匹配滤波器的输出精度。 3(4STDR,SSTDR技术优势和需要解决的问题 从上面的分析看出:使用STDR,SSTDR方法进行在线检测的优势【26】主要在于: 1 对于难以检测的间歇性故障，能够快速定位故障点，有较好的故障检测能力， 很适合在线检测; 2 通常，信号在电缆中传输再反射回来后，信号变得微弱，通过相 检测技术，只需要知道电缆的终端或始端，就能够对结构复杂的电缆网络进行故障检测; 中传输的工作信号，在不干扰正常工作信号的情况下可对电缆故障进行持续检测。 虽然STDR,SSTDR有广阔的发展前景，但研究过程中发现还有一些问题亟待解决 和完善:如何减小盲区和提高测量精度;如何提高可测电缆的最大距离;如何提高对小 信号的识别能力;如何在盲区、最大测量距离、测量精度这些指标之间进行折衷。要利 用STDR,SSTDR方法来诊断电缆故障，这些问题就必须得到很好的解决。 3(5系统方案的改进 随着数字信号处理和集成电路技术的发展，用数字信号处理工具可方便的解决设计 中遇到的难题。图中由乘法器和积分器组成的相关器可以用软件或者算法来实现，现在 兰州交通大学硕士学位论文 用于高速运算的DSP或FPGA能很好的处理这一问题。通过某种相关算法不仅可以进 意波形，可以直接由其产生PN序列或者BPSK信号，不需要再用正弦波进行调制。这 便节省了硬件资源，降低了系统的复杂性，同时使用数字信号处理技术，使系统的功能 变得更为强大。例如可以对各种故障类型进行检测、与上位机进行通信，实现电缆故障 的自动化检测和计算机科学管理等。系统改进后的框图如图3(4所示: