基于SSTDR技術的戰機電纜隱性故障檢測仿真分析

許子健，郭 健，程道良

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016；2.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

在飛機誕生的100多年里，因電線、電纜故障造成過各種事故，有的甚至造成機毀人亡的重大事故或極大的財產損失。近年來，國內外因電線故障引發的事故因其危害性大、具有不可預見性等，越來越受到關注。因此飛機電線故障的診斷和定位能力已經是擺在航空公司、軍隊、飛機制造和維修公司面前的重要問題。

飛機電纜在使用周期中，因拉扯、彎折和振動等動作會造成損傷甚至出現斷絲現象，修理檢測中很難被發現，留下一些隱性故障，繼續使用和擴展，會瞬間引發較大事故。

一般提出的電纜隱性故障主要包括線纜局部斷股、刺穿絕緣層、電連接器插裝不緊固或者線芯壓接點松動等在地面靜態時阻抗變化率較小，但在高空由于溫度驟變、機體劇烈振動等原因導致阻抗急劇增大或消失的故障。隱性故障在測試中的一般表現為阻抗的變化，為此，研究電纜隱性故障檢測可行性，可通過檢測電纜的最小阻抗變化來分辨。本報告以擴展頻譜時域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)為基礎，通過軟件仿真研究機上電纜隱性故障檢測定位的可行性，為后續電纜隱性故障檢測提供理論基礎。

美國威廉瑪麗學院Hinders 等[1]基于飛機線纜時域反射方法(Time Domain Reflectometry，TDR)，采用小波分析的方法，建立一種反射波形矢量特征模型，對RG58同軸電纜損傷進行了驗證；美國猶他州立大學的Furse 等[2]使用頻域反射方法(Frequency Domain Reflectometry，FDR)，利用不同材質電磁波傳播速度不同的特性，測量電磁波傳播時間，對飛機線纜故障位置進行了定位；美國南卡羅來納大學的Shin等[3]提出了時頻域反射(Time-Frequency Domain Reflectometry，TFDR)測量方法，對同軸電纜的故障定位進行了研究；美國 Sandia 國家實驗室Schneider 等[4]提出脈沖火花放電(Pulse Arrested Spark Discharge，PASD)的飛機線纜故障測試方法；美國的Naik等[5]基于多載波反射(Multi-carrier Reflectometry，MCR)測量方法提出了優于時域反射方法的測試系統，避免測試信號頻帶寬度與電纜傳輸信號的沖突；北京航空航天大學張俊民等[6]提出基于時域反射法的航空電線絕緣故障檢測與分析的方法研究，在一定程度上有利于檢測出絕緣故障；西安電子科技大學張英杰[7]對擴展頻譜時域反射技術(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry,SSTDR)原理進行了相應的研究，提出了新興的擴展頻譜反射計方式來定位系統故障點，利用檢測信號反射的延遲特性檢測電纜的短路與斷路，并取得了較好的效果。

在故障診斷領域，常用的電纜故障診斷方法是TDR方法，但是戰機線纜多段、多接頭的特性使得接頭之間具有信號的損耗，使得檢測信號會發生衰減和擾動變形，從而檢測信號的反射波形會發生較大失真，對電纜的故障定位帶來誤差[8]。需要針對飛機，特別是軍用飛機電線、電纜故障定位與維修技術需求進行研究優化，還無法直接在國內的飛機維修領域推廣應用。而國內的電線故障測試技術還處于發展階段，較多高校及相關公司均在進行相應研究，但主要針對對象還是集中在通信、電力等領域，因其使用工況特性和技術需求決定其分辨率等要求不能滿足飛機的使用維護工況，其研發的相關產品也不能直接用于航空電線、電纜故障診斷與定位。

合適的檢測方法是保證快速有效測試電纜故障的關鍵。普通低頻電纜占據了航空電纜的絕大部分，而低頻電纜的主要故障包括斷路故障、高阻故障、短路故障和低阻故障，由于航空電纜的特殊性，斷路故障和短路故障是航空電纜中最為常見的故障類型，本文針對這兩種故障提出了SSTDR，并通過仿真建模驗證分析SSTDR的可靠性。

1 SSTDR檢測法的基本原理

電信號在電纜中傳播，如果電纜的特征阻抗發生變化，則電磁波會在特征阻抗變化的地方發生反射與透射，通常只有電纜的故障點處才會有特征阻抗的變化。當電纜是均勻無故障時，電信號在其中傳播就不會發生反射與透射現象，但由于傳輸介質的原因，電信號會存在衰減與相位變化。

基于SSTDR的電纜故障信息提取是一種單端測試方法，將SSTDR檢測信號Sin(t)從待測機上電纜的一端輸入，如果待測電纜存在故障，由于故障位置的阻抗發生突變，會導致在該位置發生反射，電纜故障圖如圖1所示。

圖1 電纜故障圖

同時在輸入端位置接收到的反射信號Sref(t)如式(1)所示[9]。

Sref(t)=Γδ2Sin(t-ti)

(1)

式中：δ為輸入端到故障位置的電壓幅值衰減率，由于檢測信號輸入至故障位置再反射回來，經歷了2次衰減過程，因此取電壓幅值衰減率的二次方；ti為反射信號相對于檢測信號的延遲時間；Γ為故障位置的反射系數。

(2)

硬件采集到的波形數據屬于離散序列，因此，在利用相關函數運算進行故障識別時應使用離散序列的互相關函數。將Sin(t)延遲時間τ得到參考信號Sin(t-τ)，與反射信號Sref(t)利用式(1)進行相關函數運算，如式(3)所示。

(3)

SSTDR測試信號的相關運算有一定的周期性，當超過一個周期時會出現2個或者更多自相關峰值，就會和故障相關峰值混淆，產生誤判，因此檢測系統要在一個周期內完成全相關運算[10]。在這一個周期T之內，通過改變延遲時間τ的值，使得相關系數|R|取得最大尖峰值，此時，τ=ti，即為檢測信號在輸入端和故障位置之間往返傳播的時間。如果已知檢測信號在待測機上電纜中的傳播速度v，則可以計算故障位置X[11]為

(4)

通過判斷最大尖峰值的符號可以確定故障類型。斷路故障的最大尖峰值符號為正，短路故障的最大尖峰值符號為負。

對于待測量電線面積為S，有N根導體組成的電線，有n根導體斷裂，斷裂長度為ΔL，剩余長度為L，損失面積為S0，可設斷線處損失電阻為R01，剩余電阻為R02，沒有發生變化部分電阻為R。則有：

(5)

(6)

(7)

斷線時，總電阻R總1為R02與R串聯：

(8)

未斷線時，總電阻R總0為R01∥R02與R串聯:

(9)

斷線前后，電阻變化率r：

(10)

單根導體的平均截面積Sav為

(11)

損失截面積為

(12)

電阻變化率r為

(13)

令電線總長度L0=L+ΔL，則有：

(14)

式中：負號表示斷線后，電線電阻比原電阻大。

綜上分析，對于相同固定長度的電纜，斷絲長度不變情況下，電纜斷絲數量n將會引起電阻變化率發生r變化，r變化引起電線阻抗ZL的變化。

2 故障定位仿真測試

本文針對戰機上電纜局部斷股和刺穿絕緣層等故障阻抗變化率較小、故障特征信號微弱難以檢測的問題，基于SSTDR技術，探討電纜阻抗變化率對故障檢出率的影響，通過MATLAB仿真，給出機上電纜隱性故障可檢出的阻抗變化率范圍。對于電線故障點的反射信號參數，經多次仿真檢測故障點相對于正常線纜阻抗變化率為22.2%時，故障點回波反射系數為0.1，回波延時為0.04 μs，電磁場在線纜中的傳播速度為2.4×108m/s，“故障點1”的距離為4.8 m，發送檢測信號峰峰值電壓2 V，信噪比20 dB，噪聲功率0.01 W，同時以0.12 m作為預期定位分辨率，設置“故障點2”的距離為4.92 m。圖2為線纜故障整體處理流程圖。

圖2 線纜故障整體處理流程圖

2.1 檢測信號生成

檢測信號使用正弦信號對PN碼進行擴頻調制產生，PN碼碼片寬度為0.02 μs，PN碼碼片數為15，正弦信號頻率為50 MHz，電壓峰峰值為2 V。圖3為PN碼片序列，圖4為正弦序列，圖5為生成的檢測信號。

圖3 PN碼片序列

圖4 正弦序列

圖5 檢測信號

所生成的擴頻調制檢測信號可實現對超過36 m的線纜進行測試，用于故障點反射信號仿真及ADC量化仿真的輸入檢測信號。

2.2 故障信息提取

檢測信號發射到待測電纜上，在故障位置反射回來，然后對反射信號與檢測信號進行數模轉換，原始檢測信號經過延遲器后與反射信號進行相關運算，提取故障信息位置。

經過量化后的反射信號ADC采樣量化圖如圖6所示。

圖6 反射信號ADC采樣量化圖

對隱性故障點1和隱性故障點2回波分別進行相關運算，生成的距離幅度譜如圖7所示。

圖7 故障點回波相關運算結果：距離幅度譜

22.2%阻抗變化率的隱性故障點在相對于Vpp 2 V信號-20 dB的線纜噪聲環境中的反射信號，在經過相關運算后的距離幅度譜上其對應距離的坐標點出現了峰值，驗證了SSTDR原理的有效性，其生成的距離幅度譜可以作為故障點判斷的依據。隱性故障點距離由4.8 m變為4.92 m，距離幅度譜的峰值位置仍能夠準確與其實際距離對應。

2.3 10%阻抗變化仿真

為確定SSTDR技術可檢出的阻抗變化率范圍，繼續降低電線損傷量進行仿真分析，當阻抗變化更小，僅為10%時，使用集合經驗模態分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)濾波后的距離幅度譜，進行進一步增強處理，得到峰值旁瓣比更優的距離幅度譜，最后進行峰值提取，得到故障點位置。

對EEMD濾波后的距離幅度譜進行廣義S變換，再對不同時刻的廣義S變換結果進行Fourier逆變換，得到雙時域平面歸一化幅度譜，幅度譜聚集在雙距離坐標平面的對角線上，如圖8所示。

圖8 雙距離域歸一化幅度譜平面投影

對歸一化雙距離幅度譜數據進行提取，得到歸一化的距離幅度譜，如圖9所示。由于干擾峰值較多，難以準確得到故障點位置。

圖9 信息增強前后歸一化距離幅度譜對比

稍增大阻抗變化量，基于廣義S變換+Fourier逆變換的信息增強技術進行15%阻抗變化的信息提取，仍然無法準確定位故障位置。因此，確定電線故障造成阻抗變化超過20%以上，使用SSTDR技術才可以準確定位故障點位置。

3 結束語

針對航空電纜中最為常見的斷路和短路這兩種故障類型提出了SSTDR方法進行故障點定位檢測，該方法利用檢測信號反射的延遲特性來定位系統中短路和斷路的故障點，從而有效避免測試信號衰變對故障定位的影響。

通過實例的仿真分析表明，對于一個隱性故障點阻抗變化率22.2%，相對于Vpp 2V信號-20 dB的線纜噪聲環境，SSTDR技術仿真結果顯示能檢測出故障點位置，且距離分辨率可達到0.12 m。但當對于一個隱性故障點阻抗變化率更小的15%～10%時，再通過上述方法進行仿真，考慮到實際系統的信號環境、溫度等的惡化，通過EEMD濾波和信息增強技術提升測試的穩定性，仍無法準確定位故障信息。因此基于SSTDR技術可用于特性阻抗大于20%的電線隱性故障的檢測和故障定位。