線性調(diào)頻脈沖壓縮在漏纜故障定位中的應(yīng)用研究

郭進(jìn)喜+劉揚(yáng)+何明星+王偉

摘 要： 為了增強(qiáng)通信漏纜故障定位中的信號強(qiáng)度及故障定位精度，研究線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)在通信漏纜故障定位中的應(yīng)用。介紹線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)的基本原理及線性調(diào)頻信號的頻譜特性，以及其匹配濾波器和窗函數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分析脈沖壓縮參數(shù)對回波信號的影響，構(gòu)建通信漏纜故障定位檢測系統(tǒng)，對GSM?R型漏纜進(jìn)行檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于常規(guī)脈沖檢測方式，線性調(diào)頻脈沖壓縮檢測可提高同軸漏纜故障檢測精度，載頻頻率與GSM?R工作頻率相接近時(shí)效果最佳。在高鐵隧道泄漏電纜故障現(xiàn)場檢測中，漏纜故障檢測效果得到了明顯改善。

關(guān)鍵詞： 泄漏同軸電纜； 線性調(diào)頻； GSM?R； 脈沖壓縮； 故障定位

中圖分類號： TN911?34； TD65+5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0075?04

Application of linear frequency modulation pulse compression in

positioning of leaky coaxial cable fault

GUO Jinxi1， LIU Yang1， HE Mingxing2， WANG Wei3

（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China；

2. School of Information and Electrical Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

3. Department of Electronic and Information Engineering， Handan Polytechnic College， Handan 056001， China）

Abstract： In order to enhance the signal intensity and fault location precision in positioning of leaky coaxial cable fault， the linear frequency modulation pulse compression technology applied in positioning of communication leaky coaxial cable fault is proposed in this paper. The basic principle of linear frequency modulation pulse compression technology and the spectrum characteristics of linear frequency modulation signals are introduced， the design and implementation of the matched filter and window function are described， and the effect of pulse compression parameters on echo signals are analyzed to construct the communication leaky coaxial cable fault location detection system for testing GSM?R leaky coaxial cables. The experimental results show that the method of the linear frequency modulation pulse compression can improve the detection accuracy of leaky coaxial cable fault compared to the conventional pulse detection method， the effect reaches best when the carrier frequency is close to the operating frequency of GSM?R， and the leaky coaxial cable fault detection effect is obviously improved at the scene of high?speed railway tunnel leaky coaxial cable fault detection.

Keywords： leaky coaxial cable； linear frequency modulation； GSM?R； pulse compression； fault location

0 引 言

泄漏同軸電纜無線通信作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，在鐵路沿線和隧道得到了廣泛的應(yīng)用。泄漏同軸電纜的性能對高鐵移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行有很重要的影響，泄漏同軸電纜簡稱漏纜，在高鐵隧道內(nèi)成線狀敷設(shè)，每隔1 m就會(huì)用鉚釘鎖死加固，然而由于施工問題或工程安裝問題，部分漏纜的接頭、跳線、隔直器（DC?Block）、天線在一段時(shí)間后會(huì)進(jìn)入故障多發(fā)期[1]。但由于維護(hù)的實(shí)際困難，通過人工逐個(gè)排查很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位故障，因此對泄漏電纜的故障檢測和定位一直沒有完整地解決方案。

針對電纜的斷線故障、接頭松動(dòng)故障問題，低壓脈沖反射法在電力電纜故障定位中的應(yīng)用非常成熟[2]。文獻(xiàn)[3]采用低壓脈沖反射法對電纜故障進(jìn)行定位研究，文中得出在長距離的檢測中需要發(fā)射寬脈沖。文獻(xiàn)[4]提出使用寬脈沖作為探測信號，選擇的脈沖寬度為10 μs，通過雙絞線試驗(yàn)測試結(jié)果表明，寬脈沖發(fā)射法較好地解決了窄脈沖線纜測試中的盲區(qū)問題。

由于漏纜的傳輸損耗較電纜中更為嚴(yán)重，借鑒文獻(xiàn)[3?4]的思想，通過發(fā)射寬脈沖的方式對漏纜故障進(jìn)行定位。線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)通過發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)射能量，能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離，脈沖寬度的增加會(huì)造成回波的分辨能力下降，而在接收端采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖來提高距離分辨力。線性調(diào)頻信號作為雷達(dá)一種常用的發(fā)射波形[5]，具有大的時(shí)寬帶寬積，其時(shí)寬越大，傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。回波壓縮后的脈沖寬度越窄，距離分辨力就越高。線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)在其他領(lǐng)域如空氣耦合超聲檢測[6]、電磁超聲檢測[7]等領(lǐng)域均獲得了較好的效果。脈沖壓縮技術(shù)在通信漏纜故障定位中的研究尚未見到。

本文針對通信漏纜作為連續(xù)天線傳輸損耗嚴(yán)重，常規(guī)單脈沖檢測回波信號微弱、檢測困難的問題，對線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)在通信漏纜故障定位中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 線性調(diào)頻脈沖壓縮基本原理

在各種脈沖壓縮技術(shù)中，線性調(diào)頻脈壓信號具有大時(shí)寬帶寬積、高距離分辨力的優(yōu)點(diǎn)，也是目前應(yīng)用最廣泛的。脈沖壓縮技術(shù)通常通過匹配濾波系統(tǒng)把寬脈沖的回波信號變成窄脈沖來提高距離分辨力。

漏纜故障定位中線性調(diào)頻脈沖壓縮的工作原理簡圖（見圖1），包含的兩個(gè)主要部分是線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生和回波信號的采集與壓縮。線性調(diào)頻信號經(jīng)過收發(fā)開關(guān)加載到合成器，并通過漏纜傳輸。在漏纜故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生反射回波，回波信號經(jīng)過收發(fā)開關(guān)接收并進(jìn)行脈沖壓縮處理，脈沖壓縮處理由混頻器、匹配濾波器、加權(quán)網(wǎng)絡(luò)等組成。經(jīng)過脈沖壓縮處理的輸出波形經(jīng)過檢測顯示器顯示。

線性調(diào)頻信號的復(fù)數(shù)形式表達(dá)式為：

[s（t）=recttτej2πfct+k2t2] （1）

式中：[fc]為載波頻率；[k=Bτ]是調(diào)頻斜率，[B]是信號帶寬，[τ]是信號時(shí)寬；[recttτ]是矩形函數(shù)，其表達(dá)式如下：

[recttτ=1，tτ≤120，tτ>12] （2）

假設(shè)泄漏同軸電纜存在一處故障點(diǎn)，且故障點(diǎn)與直放站的距離為[R，]發(fā)射信號[s（t）]經(jīng)過時(shí)間[t]后到達(dá)故障點(diǎn)位置，假設(shè)脈沖在泄漏同軸電纜中的傳播速度為[υ]。則有：

[R=tυ2] （3）

從反射信號壓縮后的窄脈沖回波波形圖中可以計(jì)算出信號的傳輸時(shí)間，從而進(jìn)行故障點(diǎn)的精確定位。

2 漏纜故障定位中脈沖壓縮參數(shù)的選擇

2.1 時(shí)寬帶寬積的選擇

常規(guī)脈沖的時(shí)寬帶寬積趨近于1，線性頻率調(diào)制后，可得到的脈沖信號的時(shí)寬帶寬積[τB>1]。當(dāng)時(shí)寬帶寬積[τB?1]時(shí)，菲涅爾積分性質(zhì)表明菲涅爾波紋很小，而且信號的能量95%集中在[-B230]時(shí)，線性調(diào)頻脈沖信號的振幅頻譜近似矩形，相位頻譜近似為平方律。根據(jù)線性調(diào)頻信號的特性，時(shí)寬帶寬積越大性能越好。鑒于調(diào)制信號發(fā)生器的性能，本文選擇時(shí)寬[τ=10] μs，對不同帶寬[B]的輸出信號進(jìn)行仿真分析，匹配濾波器輸出信號的主瓣寬度取其幅值衰減到-6 dB時(shí)的時(shí)間寬度，結(jié)果如圖2所示。

匹配濾波器輸出信號的主瓣峰值基本不隨帶寬變化，但實(shí)際應(yīng)用中其對噪聲信號作用后的輸出值將隨帶寬增大而減小[6]。圖2中，當(dāng)帶寬線性增加，主瓣寬度逐漸減小，減小速度會(huì)逐漸變緩。當(dāng)帶寬大于30 MHz時(shí)，主瓣寬度趨于穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器件的性能，本文選擇帶寬[B=40] MHz。

2.2 載頻的選擇

GSM?R型鐵路隧道通信泄漏同軸電纜的工作頻率上行為885～889 MHz，下行為930～934 MHz。為了便于區(qū)分泄漏同軸電纜故障點(diǎn)回波檢測信號和工作信號，在檢測信號載頻選擇時(shí)[8]，要與工作信號頻率隔開一段帶寬距離，選擇調(diào)頻信號的中心頻率為800 MHz。

3 脈沖壓縮信號處理過程

本文對脈沖壓縮技術(shù)的主要處理流程如圖3所示。

在鐵路隧道敷設(shè)遠(yuǎn)端機(jī)的接入口，通過環(huán)形器將探測信號與反射信號隔離，隔離度大于20 dB，反射的射頻信號幅度較小，采用窄頻帶高增益放大器將其功率提高，同時(shí)使用聲表濾波器對邊界信號進(jìn)行切除，得到主信號和探測信號的混頻信號，分離后得到探測信號。

采用高速并行A/D采樣器對探測信號進(jìn)行采樣，長度為8位，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存入FPGA的內(nèi)部動(dòng)態(tài)RAM中，待緩沖區(qū)溢出后，通過特征碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖提取，檢測到完整的探測信號后，進(jìn)行相位頻譜解調(diào)[9]，解調(diào)后的數(shù)據(jù)與匹配濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算即可得到脈沖壓縮后的時(shí)間間隔，從而得到故障點(diǎn)的位置。

漏纜的回波信號通過匹配濾波器進(jìn)行壓縮處理，常用的兩種數(shù)字匹配濾波器是有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）和無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器（IIR），F(xiàn)IR濾波器可以方便實(shí)現(xiàn)線性相位，而且實(shí)現(xiàn)比較簡單。

使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)需要考慮兩個(gè)條件：一是窗譜主瓣盡可能的窄，以獲得比較陡的過渡帶；二是盡量減小窗譜最大旁瓣的相對幅值，以減少帶外帶內(nèi)波動(dòng)的最大振幅，使能量集中在主瓣。兩個(gè)條件一般很難滿足，在實(shí)際采用窗函數(shù)時(shí)往往折中考慮。圖4為矩形窗、三角窗、海明窗和布拉克曼窗針對線性調(diào)頻信號的濾波仿真對比圖。

從圖4中幾種窗函數(shù)仿真圖可以看出，矩形窗函數(shù)的主瓣脈寬最窄，但是其最大旁瓣幅值也最大；三角窗和海明窗的主瓣寬度接近相同，三角窗的最大旁瓣幅值比海明窗的最大旁瓣幅值要大；布拉克曼窗的最大旁瓣幅值相對最小，但其主瓣寬度為最大。綜合考慮窗函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器的兩個(gè)條件，本文做折中考慮，選擇海明窗進(jìn)行數(shù)字匹配濾波器的設(shè)計(jì)。

4 漏纜故障定位實(shí)驗(yàn)

本文采用兩種試驗(yàn)方案進(jìn)行對比：一組采用常規(guī)脈沖法對GSM?R型泄漏同軸電纜進(jìn)行饋線反射試驗(yàn)；另一組采用線性調(diào)頻脈沖壓縮法對同一段GSM?R型泄漏同軸電纜進(jìn)行饋線反射試驗(yàn)。

兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的信號激勵(lì)采用專用的DDS芯片AD9915，該芯片能夠產(chǎn)生高達(dá)1.0 GHz的頻率捷變模擬輸出正弦波[10]。試驗(yàn)選取一段130 m的鐵路專用7/8的860 MHz頻段泄漏同軸電纜，每百米衰減為2.7 dB，在一端通過3 dB橋合路器饋入耦合信號，在另一端出口接50 Ω匹配負(fù)載。并用網(wǎng)絡(luò)分析儀對S端口進(jìn)行校正，消除線間衰減誤差。

4.1 常規(guī)脈沖法故障定位試驗(yàn)

在第一組常規(guī)脈沖法實(shí)驗(yàn)中，為了避免干涉干擾，選擇探測信號與工作信號的頻率相差一定距離，將探測信號的頻率選為800 MHz。用示波器進(jìn)行周期中斷觸發(fā)采樣，觀察的反射效果如圖5所示。

對圖5中的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，通過單脈沖的反射回波可對故障位置進(jìn)行直觀的判斷，但其衰減較為嚴(yán)重，實(shí)用性較差，當(dāng)探測更遠(yuǎn)的距離時(shí)回波信號很難被檢測出來；而且單脈沖信號的調(diào)制和發(fā)射與其功率開關(guān)的性能十分密切，圖5中的開關(guān)時(shí)間為320 ns，而在泄漏同軸電纜故障的實(shí)際探測中，小功率開關(guān)很難達(dá)到如此高的性能。

4.2 線性調(diào)頻脈沖壓縮法故障定位試驗(yàn)

線性調(diào)頻波漏纜故障定位的實(shí)驗(yàn)中，線性調(diào)頻波的調(diào)制帶寬為40 MHz，時(shí)寬10 μs，中心頻率為800 MHz，兩側(cè)對稱。探測信號通過混頻器和電橋進(jìn)入漏纜，反射信號由環(huán)形器分離、解調(diào)后轉(zhuǎn)到中頻帶觀測回波信號。

從圖6的試驗(yàn)結(jié)果可知，線性調(diào)頻對原單脈沖進(jìn)行展寬，因此回波信號穩(wěn)定，容易被檢波器接收，回波信號的衰減較小，探測距離和精度有較大程度的提高，圖6的測試結(jié)果顯示發(fā)射信號與回波信號時(shí)差[τ=ΔT2=]0.625 μs，信號在漏纜中傳輸?shù)乃俣萚υ=]2.10×108 m/s，可以計(jì)算出故障點(diǎn)距離131.5 m，誤差為1.5 m，對誤差定位非常準(zhǔn)確。說明利用線性調(diào)頻脈沖壓縮方法對泄漏同軸電纜故障定位是一種切實(shí)可行的方法。

5 結(jié) 論

通過本文研究，可得出如下結(jié)論：

（1） 線性調(diào)頻脈沖壓縮方法可以對泄漏同軸電纜故障進(jìn)行有效定位，在實(shí)際應(yīng)用中，在湖南某高鐵隧道進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，對隧道出入口每隔2 km的直放站遠(yuǎn)端機(jī)安裝檢測設(shè)備，漏纜定位系統(tǒng)的信息采集在本地處理完成。在系統(tǒng)安裝的半年時(shí)間內(nèi)共發(fā)現(xiàn)故障行為7次，經(jīng)過現(xiàn)場檢查確認(rèn)，故障定位精度為10 m。

（2） 相對于常規(guī)脈沖激勵(lì)方式，線性調(diào)頻脈沖壓縮方法可得到更穩(wěn)定的回波信號，且回波信號衰減較小，從而能有更大的探測距離和探測精度。

（3） 針對測試信號在漏纜中的衰減程度和精確傳輸距離需要做進(jìn)一步的研究實(shí)驗(yàn)。

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