扩展频谱时域反射技术定位电缆故障

1、扩展频谱时域反射技术定位电缆故障摘要飞机在飞行中传输重要信号的电缆会出现间隙性故障，而扩展频谱时域反射技术（SSTDR）和序列时域反射技术已被证明是定位此类故障的有效技术。本文探讨了使用这些方法来控制精度，延迟和信噪比所需要的参数，两种测试方法对于携带交流电信号的电缆都有效，并显示SSTDR对于携带数字信号（如MIL - STD1553数据）的电缆故障定位更为有效，结果是在对控制和非控制阻抗电缆测试得到的。测试信号低电平幅度和高的抗噪能力是这两种测试方法非常适合定位电缆间隙性故障，如开路，短路，飞机在飞行中的电弧故障。关键词：老化电缆检测 电弧检测 序列时域反射技术（STDR） 扩展频谱时域反

2、射技术（SSTDR） 时域反射计（TDR） 电线故障检测介绍多年来，飞机线缆系统被认为在飞机的整个工作期间可以从安装一直正常工作，随着飞机的使用年限大大超过它的期望年限，这种观点很快就得到改变。飞机线缆问题最近被认为是导致很多灾难事故和长时间停止工作的主要原因。现代商用飞机一般都有超过100KM的电线，其中大部分的线缆分布在飞机内部，或者缠绕在一个被保护的盒子里，这些线缆即便在飞机大部分部件被移除进行大修的时候也是不能触摸到的。对于飞机维护者的最困难的问题之一就是无法定位间隙性故障。震动使线缆中绝缘损坏的部分接触或与飞机壳接触，引脚、熔接点的接触等，腐蚀导致连接的松散，或者湿电弧故障:当一滴水

3、滴到绝缘层损坏的地方导致的间隙性电弧故障。当飞机在地面时这些间隙性故障一般是不可重现的。系统在断电时测量表现出无故障的。就在电弧故障几微秒的活动时间内，会产生一个很重要的阻抗不匹配可以被我们检测到，而当电弧故障不活动时，那很小的不匹配很难被检测到。一种测试方法可以对线缆进行持续的测试，即便飞机在飞行的时候。因此它相对于传统的静态测试有很大的优点。另外一种使用在线测试线缆的重要原因是电弧故障割断技术已经被发展被应用来降低由间隙性短路故障导致的短路故障。与传统的热电路割断器不同，这种新的电路割断器可以捕捉到由电弧故障而产生的噪音信号，而不需要很大的电流。问题是在割断器触发割断电路后，定位线缆中的微

4、小故障非常的困难，也许是不可能。因此在割断器触发割断之前定位故障点才可以保障完成维修操作。本文描述并分析了一种基于扩展频谱通信技术的测量方法，可以解决以上问题。这种方法对于飞机上携带400Hz信号的电缆测量可以精确到几厘米之内，如MIL - STD1553数据总线。这个结果是从长达23m的控制和非控制阻抗电缆测试得到的。早期对扩展频谱时域反射计(SSTDR)的研究考虑的是在高电压线缆上定位故障点。序列时域反射计已经被学习应用的双绞线的通信系统中。近年来它被显示出可以定位飞机线缆中的间隙性故障。这种方法被认为是部分的智能布线系统，它可以在飞机飞行时提供持续的测试，并且可以自动的记录故障的位置，为

5、线缆的维修提供了方便。这些可以通过集成电路到电路割断器中或者平行针连接器中贯穿系统。为了可行性，这里描述的原型系统被重新设计成定制的大规模集成电路，散装的每个会花费10到20美元。本文主要关注分析SSTDR和STDR，以及一些参数，这些参数可以使这些方法变为潜在测试携带400Hz交流或者告诉数据信号电线（如Mil-Std 1553）的方法。这些分析对于决定系统的速度，精度，代码长度和系统复杂度之间的对换，理想的分析为期望的精度提供了信息，并且通过接近理想无损耗控制阻抗同轴缆的测试证实。对实际的非控制阻抗电缆的效果进行了评估，同时也讨论了实际系统中的误差来源。目前的电缆测试技术线缆故障定位方法有

6、：时域反射计(TDR)、驻波反射计(SWR)、频率反射计(FDR)、阻抗谱、高电压、惰性气体、电阻测量、电容测量等。目前，这些测试方法，在非控制阻抗电缆上不用高电压的情况下不能检测到像间隙性故障等小的故障。另外，相当一部分的信号等级将加入到传输线缆中，在飞机运行时这将干扰飞机的操作。因此需要一种在飞机线缆噪音环境下的测试方法。这种方法可以定位出像短暂的断路、短路、电弧故障等间隙性故障。扩展频谱电缆测试在STDR和SSTDR中的扩展频谱信号是通过互相关器被检测到的，即便是它们淹没于噪声中，这个信号也可以通过放大处理筛选出来的，对于直接序列频谱，它的放大系数可以表示为：其中Wss是扩展频谱信号的带

7、宽，Ts是整个STDR/SSTDR序列的时间，Tc是一个PN码片时间，Rc是每秒的码片速度，Rs是STDR/SSTDR序列速度，在这里即是每秒的全部序列的个数。通过这个放大处理，使得用扩展频谱测试方式系统在线缆中传输400Hz. 115V交流电或数字信号的噪音环境中的测量成为可能。测试系统这样设计使得系统不会被损坏或受到线缆中已经存在的信号的干扰。在接下来的讨论中，线缆中的数字信号在符合MIL-STD1553标准的线缆中，它的传输速率是1M/S，信号幅度为2. 25V-20V，通常在低损(3dB/100m) 70 的屏蔽双绞线中传输，它允许的误差率为17. 5dB。图5.1显示了S/SSTDR

8、的测试模块图，一个余弦信号发生器(30100MHz)作为主系统的时钟，主时钟驱动方波产生器发出相应频率的方波，这个方波信号再经过伪噪声序列(PN码)相位调制产生二进制相移控键信号。当使用SSTDR时，PN发生器的输出经余弦信号调制成余弦形式后作为测试信号；当使用的是STDR时，PN发生器的输出将不再经过余弦信号的调制，PN码发生器的输出直接作为测试信号在电缆中传输。测试信号在电缆中若遇到故障将产生一个反射的信号，在接收端将反射回的信号与参考信号(即输入信号的一个延时信号)一起送入相关器，通过分析参考信号各个延时所得到的相关输出即可定位电缆中的故障点。从电缆上获取的总的信号（包括任何数字数据信号

9、或电缆上的交流信号，以及在接收端观察到得反射信号）和一个参考信号一起被送入一个相关器电路。接收到的信号和参考信号相乘，并将结果反馈到积分器。对该积分器输出进行ADC采样。通过反复调节两个信号分支的相位偏移和采样相关器输出获取一个完整的相关性。通过反复调整分支机构之间的twosignal的相位偏移和采样相关器输出选中。在整个相关性中各种峰值位置指出了如开路，短路和电弧（间歇短路）等阻抗不连续故障的位置。测试数据表明这种测试方法可以在噪声的环境中解决PN码片长度的十分之一到百分之一以内的故障，具体需要根据噪音水平，电缆长度和电缆类型最终确定。STDR和SSTDR分析STDR/SSTDR的测量方式是

10、依靠从电缆中阻抗不匹配点发射回来的电信号进行测量的。一个扩展频谱信号如图2所示在线缆中传输，就像TDR方式一样，如果是因为短路的反射信号将是反向的，如果是断路引起的一个延迟的同相反射。检测到的信号将于输入信号的一个延迟进行自相关。在图3中显示测试信号的自相关输出。信号在进行自相关时有最大的相关峰值，且峰值在中心点。在这张图中，调制频率与码片速率是相同的。值得注意的是互相关的峰值的旁瓣和ML码自相关的旁瓣有相同的正弦增幅。这跟信号的调制频率和同步时相关的。如果用一个不同的调制频率或不同的同步器，将可能产生很高的旁瓣，不同PN序列也会产生不同的峰形，ML码Gold码如图4所示。传播速度评估结合相关

11、器输出的峰值位置表明了阻抗不连续的距离。图5显示了标准化样本测试来自于75同轴电缆收集的数据。23米后的相关峰是由于在23米电缆中的多次反射。因为阻抗变化和子序列反射信号过小，以及沿电缆长度上传播速度轻微变动，非控制阻抗电缆响应并不那么清楚。图6（a）和（b）显示STDR和SSTDR相关响应在22 AWG的导线的测量结果，导线呈一个松散捆绑22根9.9米长导线束状态。电线呈蛇形捆绑成一束，尽管它们始终大致平行，且在导线束内导线之间绝对没有距离。响应曲线不如图5那么平滑，因为多次小的反射发生在非控制阻抗的导线束内。这些多次反射以及随线传输速度的改变降低了这种方法在测量非控制阻抗电缆时的精度，如随

12、后将会看到的。Fig. 6(a) STDR and (b) SSTDR correlation response for an open circuit measured on two 22 AWG wires in a loosely bundled set of 22 wires that is 9.9 m long当一个峰值检测算法（确定位置的近似开路）与曲线拟合方式相结合（以确定其确切位置），可以非常精确地计算该线的长度，如图4（a）和（b）所示分别为控制和非控制阻抗线。控制阻抗的最大误差是3cm非控制阻抗的误差是6cm 由图表可见两个系统最小的可测长度大约3.5m，这是因为第一个和最

13、后一个峰值叠加在一起。更先进的曲线拟合方法可以用来区分重叠的峰值。对于下面的讨论中，理想的情况假设电缆为无损媒质。另外一个假设是频率散射在电缆中可以忽略不计，也就是说，所有频率的在电缆中以同样的速度传输。A 一般噪声环境中相关器期望输出相关器输出的分析可以通过线缆的输入信号、各种反射信号，和相关器输入的一些不想要的噪音信号进行分析。定义Sn是线性递归信号，作用时间-1s1s。因为s(t)是线性递归信号(RLS)它的作用时间Ts=KTc包含1s和-1s。这里Tc是-1 1s间的最小时间间隔，或者叫做码片时间。值得注意的是：测试系统将在线缆中发送的信号为st，它将在线缆中的任何阻抗不匹配点反射回来

14、，发射信号在经过一个延迟后传输到发送端。与反射信号一起将是一些噪音信号，这些噪音信号因具体的应用不同，它们可能是白噪音可能包括像MIL-STD1553信号。把反射回来的信号x(t)定义为：其中是反射信号的倍数，与s(t)相关，是收到反射信号的延迟，n(t)是噪音信号，它的作用时间Tn>>Ts，因此它和s(t)不相关。相关器的输出为：从式(5)中可以看出相关器的输出与反射信号和噪音信号有关，因此，它跟确定性信号和不确定性信号都有关。相关器输出信号的期望为：从式(6)中的最后一步s(t)为0且n(t)和s(t)是同步的。在没有噪音时，相关器的输出是输入s(t)和输入信号的一个缩放和时移

15、后的信号的互相关。有噪音和无噪音的期望是一样的，一些额外的伪随机噪音被认为是零。B 白噪音情况下的相关输出当互相关在有噪音参数的时候，可以假定这个参数是自然噪音信号。当n(t)为白高斯噪音时，互相关可以清楚的描述，从式(6)中可以看出s(t)和n(t)的互相关表示为：其方差为：其中是在输入时的噪音能量，Es是参考信号s(t)的能量。因此系统中的白噪音将会对信号s(t)的能量检测产生影响，但不会对常量DC产生偏移影响。C 线缆中传输MIL-STD1553信号时的相关输出和白噪音信号一样，MIL-STD1553作为噪音信号时，对于相关器来说也是为0如式(6)中所示。但是，当传输MIL-STD 15

16、53信号时，它的方差比白噪音情况下要高。对相关器的输入信号s(t)在一段时间内积分，因此s(t)将被认为是能量信号，它的能量谱密度为：其中S(f)是s(t)的傅里叶变换，因为s(t)是有限时间有效，所以只有在有限时间Ts考虑时，它的能量谱密度(PSD)才不为0，在这种情况下它的功率谱密度为：s(t)的全部能量可通过各种方式得到如通过瑞利定理得到：MIL-STD 1553信号作为噪音信号n(t)在线缆中传输。n(t)的傅氏变换为： 由瑞利定理给出的n(t)的能量为：在Tn时间内的功率谱密度：由于n(t)不是周期信号，对n(t)的互相关将是与互相关成线性的关系。如果s(t)和n(t)或其他的衍生信

17、号将用在互相关中，它们将在一个周期内(0tTn)进行操作，除非有具体的说明如果只是s(t)信号进行互相关或自相关，则它的互相关或自相关将是周期性的，在0tTs将是非0的。因为Tn>>Ts，Tn+TsTn并且他们将被认为是：Tn+Ts=Tns(t)和n(t)的互相关的傅里叶变换可表示为：其中(f)是N(f)的复共扼。互相关的能量为：在时间0tTs互相关的期望能量为：其中从是n(t)在时间间隔0tTs内的傅氏变换。值得注意的是，在这个式子中N(f)因为互相关是n(t)也许只有一部分bit数。然而所期望的是=N(f)。从所期望的噪音能量是：这对任何噪音信号n(t)都是适用的，包括MIL-

18、STD1553信号。由(19)式显示由于相关器输出中不可避免的噪音，噪音信号和STDR/SSTDR信号重叠。D SSTDR调节一个影响测试的现实因素是电缆的传播速度，标准的电缆传播速度为光速的0.66-0.76倍，如果电缆的类型确定了，正确的传播速度将会被用于可能的电缆长度计算中，如果电缆类型不知道，将会是用电缆传输速率的平均值，这将会额外的附加10%的误差，随着电缆长度的增加，相关器的峰值显示将会更加分散，这个问题可以用改变曲线拟合算法来改变波形。对于飞机线缆中的各种信号在控制和非控制阻抗下都进行了测试。在进行码捕获之后，运用曲线拟合算法进行码跟踪，实验显示，S/SSTDR两种方式对线缆中传

19、输60Hz的信号时对断路或短路的测量误差都是控制阻抗电缆为3cm，非控制阻抗电缆为6cm。但是，在MIL-STD1553信号作为传输信号的非控制阻抗线缆中，SSTDR比STDR要好的多。对于信噪比为-24dB时，STDR的误差是24cm, SSTDR的误差是3cm。SSTDR在信噪比为-53dB时误差还能在6cm内，这两种方法都是有效的，因为MIL-STD1553信号要求的信噪比是-17dB。然而SSTDR在高频噪音环境中的表现要更好些。信噪比信噪比(SNR)定义为:信号的能量除以平均的噪音能量。对于一个数字信号，如MIL-STD1553它可以表示为：在STDR/SSTDR方式进行测量时，ST

20、DR和SSTDR信号是所期望的信号，而其它的信号就是噪音信号。因此STDR/SSTDR方式测量线缆中传输信号为MIL-STD1553时的信噪比可定义为：其中XCorr(.)是互相关后的能量。反射参数代表着不同电缆中不同位置的反射。为了监测到这个信号相关器的偏移时间定为t=其它所以的反射参量被视为噪音参量。接收的信号在互相关之后为：由式(22)到(19)，信噪比可表示为：式(23)中的积分将对每个信号都产生影响，这可能会成为一个噪音源。对于谱非常窄的噪音如115v 400Hz的飞机信号，式(23)可以简化为：从这个式子可以看出S(f)在400Hz处的信号越小，则信噪比越大。因为噪音信号各个频谱段

21、都存在，因此式(23)中肯定也包含了因此最好的处理方式应该是一个一个的处理。A S/SSTDR信号长度的改变为了估计一个信号时原始的码片信号s(t)的多少倍，我们定义一个新的信号Sm(t)，|Sm(f)|与|S(f)|是成比例的。并定义的时间长度为mTs=，最后信号与s(t)的幅值是相等的。在频域：这个式子表式了信号s(t)的作用时间加长，即序列的长度变为原来的m倍时情况。让我们定义： 得到：上式就是s(t)和n(t)在时间0tTn相关后输出的噪音能量。所期望的噪音功率在0tTs时间间隔内与在0tTn时间间隔内的能量相同。这是因为自相关的中间的峰值是通过下式得到的：这个信号的能量是：从式(29

22、)到(31)得到信噪比为：上式显示，在其他参数不变只改变PN码长度的时候，PN码的长度与信噪比成正比。这个结论对线缆中传输任何信号时都适用，包括400Hz的交流信号、MIL-STD1553和白噪音。B S/SSTDR频率的缩放定义 ,其中是个常数。在假定1傅氏转换的缩放可表示为：信号相关后的特性是自相关后的峰值，当时，信号的反应能量为：测试相关器的噪音输出，我们有：和当STDR的码片速率远比MIL-STD1553数据的1MHz高时，可以假定S(f)是一个定值，主要的能量是N(f)的存在。并且在时也大概是个常数。通过这些假定式(36)可以简化为：其中平均噪音功率为：式（38）（34）的信噪比可以

23、表示为：从式(39)可以看出运用STDR方式：在其他条件不变的情况下，将PN码的速率提高一倍，在线缆中传输的是MIL-STD1553信号时，信噪比将不会受到影响。现在应该注意改变码片速率和调节频率对SSTDR测试方式的影响。在用SSTDR方式测量时，当码片速率远比MIL-STD1553数据的速率1MHz大时，通过参数少缩放SSTDR码片速率和调制频率将使坡度改变，接近f=0。当MIL-STD1553信号在线缆中传输时，这个信号可表示为：它的相关期望为：平均噪音功率为：从（42）(34)得到信噪比为：式(43)显示在其他参数不变情况下，使PN码的速率加倍或调节频率将使SSTDR方式测量的信噪比增

24、加6dB，当MIL-STD1553是主要的噪音信号时，这一特性将会比STDR方式好的多。C 自感应噪声一定量的噪音来自一个特别的PN码选择。这被认为是平衡的，因为有一个从理想无旁瓣中央峰所有PN码互相的关偏差。图7显示了两个相同的功率PN序列自相关，其中之一是使用ML码，而另一个则是使用其中一个Gold码。注意在两个自相关功率不是相等的，即使在使用的信号功率生成它们是相等的。事实上，在ML码自相关功率为Gold码自相关功率的56。这在Gold码自相关额外的功率是自感应噪声功率，并减少了STDR/ SSTDR测试信噪比。D STDR/SSTDR码的选择最优的PN码根据具体的应用而不同。在PN码中

25、自相关边叶最小的是ML码，但是在一次的测量中我们只能选择一种PN码。自相关属性第二好的是Kasami码。当测试的线缆中有两种不同导体相混合时，这种码是最好的选择，这是由于1Casam i设备中的高度正交性有关。但是当仿真测试数超过Kasami设备所产生的信号数时，我们就用自相关属性好的信号如：gold码。很多PN码都不是STDR/SSTDR的选择，因为它们有很高的自相关边叶，或缺少自相关单峰值。E 用ML码时STDR/SSTDR方式当背景噪音是白噪音时，对于STDR和SSTDR方式的测试，相关器的输出噪音是相同的，因为它们的频谱是平的。在这种情况下，STDR和SSTDR方式没有谁优谁劣。但是，

26、当噪音的频谱不是平的时候，如：MIL-STD1553信号或其他的数字数据信号，在STDR/SSTIIR方式测量时，频谱的重叠将会改变两种方式的相对属性。如图8显示了 1 V RMS的STDR信号附加在10V RMS MIL-STD1553因为MIL-STD1553是10V RMS它比STDR信号高20分贝，PN码的长度为60bit所以得到的放大是36分贝，码片速率为30MHz如果STDR序列越长则处理增益将越高，因此一个低的STDR信号将在实际中被用到，它将不会影响MIL-STD1553信号。图9显示了1V均方值的SSTDR信号附加在10V均方值的MIL-STD1553中，其中PN码的长度是60bit。即便是通过36dB的放大处理，STDR方式的自相关峰值还是不清楚，如图10所示，这是因为在相关之后噪音信号的电平还是很高的，但是，用SSTDR方式进行测量时自相关峰值就非常清楚如图11所示，这是因为背景噪音电平通过相关之后就非常低了。在两种情况下自相关峰值幅度都是一样的，不一样的是背景噪声电平。为了深入分析背景噪音电平的不同，图10和11中显示了STDR和SSTDR方式在线缆中传输MIL-STD1553信号时的频谱分析，三种信号的功率谱仿真在图12中显示。在图12中可以看出，MIL-STD1553信号的能量主要集中在0Hz，STDR信号也是这