一种基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置
技术领域
本发明涉及电缆故障检测领域，特别是涉及一种基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置。
背景技术
随着工业自动化水平的不断提高，各种大型复杂系统和装备，如核电厂、智能楼宇、航空航天飞行器、船舶军舰、火车地铁等内部各种低压动力线、射频线、数据线等构成连接关系复杂的电缆网络，负责输送动力能源、传递控制信号和数据信息。大型复杂系统中的电缆网络长期工作于复杂电气环境中，极易因为潮湿、腐蚀、高低温、振动摩擦、外力、污染和辐射等因素而发生线路短路、断线、绝缘磨损、电缆与连接器接触不良等故障。如果线路故障得不到及时检修和维护，将会导致传输信号丢失、子系统失灵，甚至引发重大事故和灾难。
传统的电缆故障检测方法并不适用于大型复杂系统内部复杂电缆网络线路故障的检测和定位。例如目检法和各种基于射线照相技术的方法必须和待测电缆进行近距离接触，无法深入线束和隔板内部，还可能造成电缆的二次破坏。常规电缆通断、电容和电阻测试方法是逐根对电缆进行点对点检测，可靠性低且工作量极大。
时域反射测量法是一种单端输入检测法，可以在不拆卸隔板、金属构件等障碍物的情况下，向电缆的一端发射一个高频测试信号，在信号输入端检测电缆中的故障反射信号，根据反射信号和发射信号之间的时间差实现对故障点的无损检测和定位。
如果选择合适的测试信号，可以避免和电缆中的在线传输信号干扰，实现电缆故障的在线检测。现有技术中提出利用混沌信号的宽带、类噪声特性结合时域反射测量可以实现电缆故障的高分辨率在线检测，但仍存在以下不足：
1.虽然利用混沌信号的正交性一定程度上可以抑制混沌回波信号中存在的噪声和在线传输信号，但是弱反射信号仍然可能被淹没在相关曲线的噪声基底中，无法识别，需要进一步采取一些复杂耗时的后续处理方法实现弱反射故障的定位；
2.在线检测需要硬件上设计快速相关测量单元实现电缆故障的实时测量，进一步提高相关运算速度。
故社会亟需一种足已解决现有技术中存在的问题的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置，解决利用混沌时域反射测量法进行电缆故障在线检测时，混有噪声干扰导致的混沌回波信号失真变形和测量速度慢的难题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置，包括：
微波混沌信号源电路，用于输出宽带混沌时域测试信号；
功率分配器，用于将所述宽带混沌时域测试信号分成混沌参考信号和混沌测试信号，其中所述混沌参考信号输入快速相关测量单元，所述混沌测试信号输入功率放大器；
所述功率放大器，用于将所述混沌测试信号放大；
连接器，用于将放大的所述混沌测试信号输入待测电缆，并将从所述待测电缆上故障位置反射回来的混沌回波信号传输到低噪放大器；
所述低噪放大器，用于将所述混沌回波信号放大，并输入混沌同步电路；
所述混沌同步电路，用于对放大后的所述混沌回波信号滤波，并输入所述快速相关测量单元；
数据处理与控制单元，用于计算电缆故障点到电缆测试端的距离，定位电缆中的故障点；
所述微波混沌信号源电路和所述功率分配器、所述功率放大器、所述连接器依次相连，所述连接器还与所述低噪放大器连接，所述低噪放大器通过所述混沌同步电路与所述快速相关测量单元连接，所述快速相关测量单元还分别与所述功率分配器、所述数据处理与控制单元连接。
进一步地，所述微波混沌信号源电路采用改进型微波Colpitts混沌电路，基于所述改进型微波Colpitts混沌电路中的三极管的非线性特性产生幅度混沌信号。
进一步地，所述连接器为T型连接器，包括第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第一端口用于接收放大后的所述混沌测试信号，所述第二端口用于将放大后的所述混沌测试信号传输到待测电缆，所述第三端口用于将所述待测电缆上故障位置的混沌回波信号传输到低噪放大器。
进一步地，所述快速相关测量单元用于获取所述滤波后的所述混沌回波信号相对于所述混沌参考信号的延迟时间，所述快速相关测量单元包括第一输入通道、第二输入通道、可变电延迟线、合路器、整流器和积分器模块；
其中所述第一输入通道用于接收所述混沌参考信号，所述第二输入通道用于接收滤波后的所述混沌回波信号，所述混沌参考信号首先经过所述可变电延迟线实现时间延迟，将经过时间延迟的所述混沌参考信号和从所述第二输入通道输入的所述混沌回波信号一起输入所述合路器。
进一步地，从所述合路器输出的信号依次通过所述整流器和所述积分器模块，将输出值和预设的阈值进行比较，如果输出值大于预设阈值，则此时所述混沌参考信号的延迟时间即为所述混沌回波信号从所述待测电缆的测试端到故障点的往返时间。
进一步地，所述可变电延迟线包括ADC转换模块、存储/延迟模块、DAC转换模块、时钟模块和延迟控制电路，所述混沌参考信号的延迟方法为：所述ADC转换模块将输入的所述混沌参考信号转换为数字信号，转换后的所述数字信号进入所述存储/延迟模块，通过数据存储方式实现时间延迟，再经过所述DAC转换模块，将数字信号转换成模拟信号，延迟时间的长短通过所述时钟模块和所述延迟控制电路调整和控制。
进一步地，所述基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置还包括与所述数据处理与控制单元连接的数据显示单元，用于显示数据处理与控制单元得到的电缆故障位置信息。
进一步地，所述基于混沌同步的电缆故障快速无损定位装置还包括电源单元，用于向所述微波混沌信号源电路、所述快速相关测量单元、所述数据处理与控制单元和所述数据显示单元供电。
本发明公开了以下技术效果：
1.使用了微波混沌信号电路作为测试信号源，基于混沌信号的宽带特性和正交特性，可以实现电缆故障的高分辨率在线检测；
2.对混沌回波信号进行了混沌同步的处理，可以抑制接收到的回波混沌信号中的噪声，大大提高混沌回波信号和混沌参考信号之间的相关性，减少后端数据处理工作量复杂度，提高数据处理速度，提高整体性能；
3.采用特殊设计的快速相关测量单元，提高混沌回波信号的延迟时间测量速度，可实时定位电缆故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电缆故障定位装置的结构组成框图；
图2为本发明实施例中的改进型Colpitts混沌信号源电路原理图；
图3为本发明实施例中的Colpitts混沌信号波形、功率谱和自相关函数波形图；
图4为本发明实施例中的混沌同步电路原理图；
图5为本发明实施例中的快速相关测量单元组成结构图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示为本发明电缆故障定位装置组成结构框图，该装置的内部组成结构包括：微波混沌信号源电路，功率分配器，功率放大器，T型连接器，低噪放大器，混沌同步电路，快速相关测量单元，信号处理与控制单元,结果显示单元和电源单元。
微波混沌信号源电路，发射宽频带混沌信号，通过功率分配器被分为两路信号：一路作为参考信号直接输入快速相关测量单元的第一输入通道；另一路作为测试信号经过功率放大器放大后，输入到T型连接器，经由T型连接器的一个输出端口输入到待测电缆；
T型连接器发射的混沌测试信号在待测电缆线中传输，遇到故障点后，由于故障位置处阻抗不匹配，部分信号能量反射。T型连接器控制混沌回波信号的传输方向，使回波反射混沌信号经由T型连接器的另一端口传输到低噪放大器；
低噪放大器将放大后的回波信号接入混沌同步电路。混沌同步电路具有滤除混沌信号中的噪声的能力，含有噪声的混沌回波信号经过混沌同步电路处理后可以很大程度上滤除噪声信号，提取出有效的混沌测试信号。混沌同步电路的输出信号接入快速相关测量单元的第二输入通道。
快速相关测量单元将输入的参考信号和回波信号进行相关处理，确定回波信号相对于参考信号的延迟时间Δt，其输出接入信号处理与控制单元；
信号处理与控制单元，根据测试电缆类型，确定电磁波在电缆线中的传输速度v,根据R＝v·Δt/2，测量故障点到测试端的距离，实现电缆故障定位，并将结果输入到结果显示单元。
电源单元用于向所述微波混沌信号源、混沌同步电路、双通道快速相关测量单元、数据处理与控制单元和数据显示单元等供电。
图2为本实施例所选用的微波混沌信号源电路实现方式，使用改进型微波Colpitts混沌电路，利用三极管的非线性特性来产生幅度混沌。电感L0和电容C0构成振荡电路，产生的振荡信号通过耦合电容C3与由三极管Q2等元件组成的射级跟随器相连，最后经电容C4输出。电路中Q1和Q2采用截止频率为9GHz的BFG520XR型三极管，电阻R、电感L、电容C1和C2的取值决定输出混沌信号的基频频率，电压源V1和V2的取值决定电路的工作状态。图3为基频频率为1.5GHz时，产生的混沌信号的波形、功率谱和自相关特性。
功率分配器采用单路输入双路输出的功分器，市场上可选产品很多。功分器的工作频率范围需要大于混沌信号电路的带宽。放大器的工作频率范围也需要和混沌信号的带宽匹配。
混沌同步电路的实现方式，仍然是一个和微波混沌信号源电路具有同样参数的改进型Colpitts混沌电路，如图4所示。信号从Vin接入，经过电容Cc耦合到混沌电路中，经过同步处理后从Vout处输出。输出的同步混沌信号接入快速相关测量单元。
快速相关测量单元的具体实现方式如图5所示。从相关测量单元第一输入端口输入的参考信号首先经过可变电延迟线结构实现时间延迟。经过时间延迟的参考信号和从第二输入端口输入的回波信号一起输入合路器。这里参考信号的延迟时间可以根据需要调节。
所述可变电延迟线结构如图5中虚线框所示。首先ADC转换模块将输入的模拟参考信号转换为数字信号，转换后的数字信号进入存储/延迟模块，通过数据存储方式实现时间延迟，再经过模拟数字转换模块，转换成模拟信号。延迟时间长短通过时钟模块和延迟控制电路调整和控制。
从合路器输出的信号依次通过整流器和积分器模块，将输出值和预设的阈值进行比较，如果输出值大于预设阈值，则此时参考信号的延迟时间即为回波信号从测试端到故障点的往返时间。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
