CN105510767A - 多段不同型号互联电缆的故障点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对多段不同型号互联电缆进行故障定位的方法及装置。本方法为向被测电缆发射一频率变化速率为Δf/Δt的扫频信号，将反射信号与扫频信号进行混频、滤波得到差频信号，将差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的FFT变换计算处理得到差频信号频率f和功率A；通过差频信号频率f及频率变化速率Δf/Δt计算出扫频信号由测试点到故障点所需的时间t；随后计算出测试点到故障点的距离、故障点的回波损耗RL和驻波比值SWR。本装置包括激励源、功分器、定向耦合器、测试端口、混频器、A/D转化模块、FPGA处理器和CPU。本发明方法完善了当前故障点定位算法对多段不同型号电缆互联定位的不足，且定位精确，效率高。

Description

多段不同型号互联电缆的故障点定位方法

技术领域

本发明涉及电缆故障定位技术领域，具体涉及一种多段不同型号互联电缆的故障点定位方法。

背景技术

电缆是通信系统和电子设备中不可缺少的元件，在通信、电视、雷达、导航、计算机等领域得到了广泛的应用，因此电缆的检测和维护非常重要。

目前在电缆故障定位测试中，主要有时域反射测量技术(TDR)和频域反射测量技术(FDR)两类。无论时域测量还是频域测量，都是测量电缆的反射信号，然后将测试获得的时域数据(时间、回波损耗)数据转换为距离数据(距离、驻波比)，从而计算得到电缆故障点位置。要完成此转换过程，需要知道被测电缆的单位电缆损耗及速率因子数据，因此目前故障点定位算法，针对单一型号的电缆情况，可以准确地对其故障点进行定位，若被测电缆由多段不用型号电缆连接而成，则无法准确对其故障点进行定位计算。

另外，目前在工程现场中的检测设备、连接器及天线等往往都会采用各种不同信号电缆进行互联。采用多段不同型号互联电缆的故障点定位方法可更高效、更准确的对故障点进行定位。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种多段不同型号互联电缆的故障点定位方法。

为解决上述问题，本发明提出一种多段不同型号互联电缆的故障点定位方法，包括以下步骤：

步骤一、向由N段不同型号电缆连接而成的被测电缆发射一频率变化速率为Δf/Δt的扫频信号，随后接收被测电缆返回的反射信号；

步骤二、将反射信号与扫频信号进行混频、滤波得到反射信号与扫频信号之间的差频信号，将该差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的FFT变换计算处理得到差频信号频率f和功率A；

步骤三、通过差频信号频率f及扫频信号频率变化速率Δf/Δt计算出扫频信号从发射信号处传输到故障点所需的时间t；

步骤四、根据连接在一起的N段电缆的长度及相对应的速度因子，计算出信号在每段电缆中的传输时间(1≤n≤N)t_n，并将扫频信号从发射扫频信号处传输到故障点所需的时间t和扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若m满足则故障点位于第m段电缆，并计算故障点到发射扫频信号处的距离；

步骤五、根据故障点到发射扫频信号处的距离及各段电缆的电缆损耗计算出故障点的回波损耗RL和驻波比值SWR。

上述技术方案中，所述步骤三中，通过下述公式(1)：

$t=\frac{f}{\mathrm{\Δ}f}\mathrm{\Δ}t---\left(1\right)$

计算出扫频信号从发射扫频信号处传输到故障点所需的时间t。

上述技术方案中，所述步骤四中，通过下述公式(2)计算得到扫频信号在每段电缆中的传输时间t_n：

$t_n=\frac{L_n}{{\mathrm{cV}}_n}---\left(2\right)$

其中，L_n为第n段电缆的长度，V_n为第n段电缆的速度因子，其中1≤n≤N；所述速度因子为扫频信号在电缆中的传输速度与光速的比值，c为光速；

将扫频信号从发射扫频信号处传输到故障点所需的时间t和扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若满足公式(3)，则故障点位于第m段电缆。

$\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k<t<\underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{t}_k---\left(3\right)$

其中，第m段电缆为故障点所在电缆，t_k为扫频信号在第k段电缆中传输所需的时间，1≤k≤m；

并通过公式(4)计算测试点到故障点的距离L：

$L=\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k+{\mathrm{cV}}_m(t-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k)---\left(4\right)$

其中，L_k为第k段电缆的长度，V_m为第m段电缆的速度因子。

上述技术方案中，所述步骤五中，通过公式(5)计算故障点的回波损耗：

$RL=R-A+\&lsqb;\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k{\mathrm{Ls}}_k+(L-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k){\mathrm{Ls}}_m\&rsqb;---\left(5\right)$

其中，RL表示故障点的回波损耗；R表示扫频信号的发射功率，A为所得中频信号功率，ls_k为第k段电缆的电缆损耗，1≤k≤m；

通过公式(6)计算故障点的驻波比值：

$SWR=\frac{1+r}{1-r}=\frac{1+{10}^{\frac{RL}{20}}}{1-{10}^{\frac{RL}{20}}}---\left(6\right)$

其中，SWR表示故障点的驻波比值；r表示反射系数。

本发明还公开了一种多段不同型号互联电缆的故障点定位方法的装置，包括激励源、功分器、定向耦合器、测试端口、混频器、A/D转化模块、FPGA处理器和CPU，其中：

激励源，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器；

功分器，用于将接收的线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器和混频器；

定向耦合器，用于接收功分器送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测试端口；同时接收测试端口传来的反射信号并定向耦合至混频器；

测试端口，用于将从定向耦合器接收的线性扫频信号输出到被测电缆；同时接收被测电缆传输的反射信号并传输至定向耦合器；

混频器，用于将功分器传输的线性扫频信号和定向耦合器传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到A/D转化模块；

A/D转化模块，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器；

FPGA处理器，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU；

CPU，对接收的数字信号进行FFT变换和处理计算。

本发明根据多种不同型号电缆参数，对其互联过程中出现的故障点进行准确定位计算，实现了一种互联电缆故障定位的新方法，完善了当前故障点定位算法对多段不同型号电缆互联定位的不足，增强了电缆故障定位测试仪的实用性，且定位精确，效率高。

附图说明

图1为本方法中装置的结构示意图；

图中：1、激励源；2、功分器；3、定向耦合器；

4、测试端口；5、混频器；6、A/D转化模块；

7、FPGA处理器；8、CPU；9、被测电缆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明中多段不同型号互联电缆的故障点定位方法方法，包括以下步骤：

步骤一、向由N段不同型号电缆连接而成的被测电缆发射一频率变化速率为Δf/Δt的扫频信号，随后接收被测电缆返回的反射信号；

步骤二、将反射信号与扫频信号进行混频、滤波得到反射信号与扫频信号之间的差频信号，将该差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的FFT变换计算处理得到差频信号频率f和功率A；

步骤三、通过差频信号频率f及扫频信号频率变化速率Δf/Δt计算出扫频信号从发射信号处传输到故障点所需的时间t，如下述公式(1)：

$t=\frac{f}{\mathrm{\&Delta;}f}\mathrm{\&Delta;}t---\left(1\right)$

步骤四、根据连接在一起的N段电缆的长度及相对应的速度因子，通过下述公式(2)计算出信号在每段电缆中的传输时间t_n(1≤n≤N)：

$t_n=\frac{L_n}{{\mathrm{cV}}_n}---\left(2\right)$

其中，L_n为第n段电缆的长度，V_n为第n段电缆的速度因子，其中1≤n≤N；所述速度因子为扫频信号在电缆中的传输速度与光速的比值，c为光速；

扫频信号从发射信号处传输到故障点所需的时间t与扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若满足公式(3)，则故障点位于第m段电缆。并通过公式(4)计算得到测试点到故障点的距离；

$\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k<t<\underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{t}_k---\left(3\right)$

$L=\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k+{\mathrm{cV}}_m(t-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k)---\left(4\right)$

其中，第m段电缆为故障点所在电缆，t_k为扫频信号在第k段电缆中传输所需的时间，L_k为第k段电缆的长度，V_m为第m段电缆的速度因子；

步骤五、通过公式(5)和(6)分别计算出故障点的回波损耗RL和驻波比值SWR。

$RL=R-A+\&lsqb;\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k{\mathrm{Ls}}_k+(L-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k){\mathrm{Ls}}_m\&rsqb;---\left(5\right)$

$SWR=\frac{1+r}{1-r}=\frac{1+{10}^{\frac{RL}{20}}}{1-{10}^{\frac{RL}{20}}}---\left(6\right)$

其中，RL表示故障点的回波损耗；R表示扫频信号在测试端口的发射功率，A为所得中频信号功率，ls_k为第k段电缆的电缆信号损耗，1≤k≤m；SWR表示故障点的驻波比值；r表示反射系数。

本发明中多段不同型号互联电缆的故障点定位方法的装置，包括激励源1、功分器2、定向耦合器3、测试端口4、混频器5、A/D转化模块6、FPGA处理器7和CPU8，其中：

激励源1，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器2；

功分器2，用于将接收的线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器3和混频器5；

定向耦合器3，用于接收功分器2送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测试端口4；同时接收测试端口4传来的反射信号并定向耦合至混频器5；

测试端口4，用于将从定向耦合器3接收的线性扫频信号输出到被测电缆9；同时接收被测电缆9传输的反射信号并传输至定向耦合器3；

混频器5，用于将功分器2传输的线性扫频信号和定向耦合器3传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到A/D转化模块6；

A/D转化模块6，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器7；

FPGA处理器7，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU8；

CPU8，对接收的数字信号进行FFT变换和处理计算。

本发明方法的原理是：被测电缆由N段不同型号电缆组成，从测试端口至电缆终点定义为电缆(1)、电缆(2)…电缆(N)；其各段电缆长度用L₁、L₂、…、L_n-1表示；电缆的速度因子用V₁、V₂、…、V_n-1表示；电缆损耗用ls₁、1s₂、…、ls_n-1。其中速度因子指信号在电缆中传输速度与光速的比值。

测试时，测试仪器由测试端口4向被测电缆9发射一频率变化速率为Δf/Δt的扫频信号，扫频信号沿被测电缆9传输；当信号遇到故障点时，有部分信号被反射回测试端口4，测试端口4将接收的反射信号后，将反射信号返回到定向耦合器3，定向耦合器3将测试端口4传来的反射信号定向耦合至混频器5，混频器5将发射信号与反射信号进行混频得到差频信号，然后将差频信号通过A/D转化模块6模数转换，完成差频信号的数字化，数字化差频信号被送至FPGA处理器7完成相应运算、存储；最后由CPU8对数字差频信号进行FFT变换和计算，得到中频信号频率为f、功率A。

由差频信号频率f及频率变化速率Δf/Δ，便可计算得到信号由测试点到故障点所需时间t；扫频信号传输时间由公式(1)计算得到：

$t=\frac{f}{\mathrm{\&Delta;}f}\mathrm{\&Delta;}t---\left(1\right)$

根据各段电缆的长度及速度因子，可计算得到信号在每段电缆中的传输时间t_n；各段传输时间可由公式(2)计算得到。

$t_n=\frac{L_n}{{\mathrm{cV}}_n}---\left(2\right)$

将扫频信号传输到故障点所需时间t与扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若满足公式(3)，则故障点位于第m段电缆。

$\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k<t<\underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{t}_k---\left(3\right)$

故，可通过公式(4)计算得到故障点到测试端的距离。

$L=\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k+{\mathrm{cV}}_m(t-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k)---\left(4\right)$

通过公式(4)得到故障点的距离后，便可根据公式(5)计算得到故障点的回波损耗。

$RL=R-A+\&lsqb;\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k{\mathrm{Ls}}_k+(L-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k){\mathrm{Ls}}_m\&rsqb;---\left(5\right)$

式中，RL表示故障点的回波损耗；R表示扫频信号在测试端口的发射功率，A为所得中频信号功率，ls_k为第k段电缆的电缆损耗，1≤k≤m。

根据故障点的回波损耗，可计算得到其反射系数，进而可由公式(6)计算得到故障点的驻波比值。

$SWR=\frac{1+r}{1-r}=\frac{1+{10}^{\frac{RL}{20}}}{1-{10}^{\frac{RL}{20}}}---\left(6\right)$

式中，SWR表示故障点的驻波比值；r表示反射系数。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种多段不同型号互联电缆的故障点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、向由N段不同型号电缆连接而成的被测电缆发射一频率变化速率为Δf/Δt的扫频信号，随后接收被测电缆返回的反射信号；

步骤二、将反射信号与扫频信号进行混频、滤波得到反射信号与扫频信号之间的差频信号，将该差频信号依次通过A/D模数转换、FPGA计算处理和CPU的FFT变换计算处理得到差频信号频率f和功率A；

步骤三、通过差频信号频率f及扫频信号频率变化速率Δf/Δt计算出扫频信号从发射信号处传输到故障点所需的时间t；

步骤四、根据连接在一起的N段电缆的长度及相对应的速度因子，计算出信号在每段电缆中的传输时间t_n(1≤n≤N)，并将扫频信号从发射扫频信号处传输到故障点所需的时间t和扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若m满足则故障点位于第m段电缆，并计算故障点到发射扫频信号处的距离；

步骤五、根据故障点到发射扫频信号处的距离及各段电缆的电缆损耗计算出故障点的回波损耗RL和驻波比值SWR。

2.根据权利要求1所述多段不同型号互联电缆的故障点定位方法，其特征在于：所述步骤三中，通过下述公式(1)：

$t=\frac{f}{\mathrm{\&Delta;}f}\mathrm{\&Delta;}t---\left(1\right)$

计算出扫频信号从发射信号处传输到故障点所需的时间t。

3.根据权利要求2所述多段不同型号互联电缆的故障点定位方法，其特征在于：所述步骤四中，通过下述公式(2)计算得到扫频信号在每段电缆中的传输时间t_n：

$t_n=\frac{L_n}{{\mathrm{cV}}_n}---\left(2\right)$

其中，L_n为第n段电缆的长度，V_n为第n段电缆的速度因子，其中1≤n≤N；所述速度因子为扫频信号在电缆中的传输速度与光速的比值，c为光速；

将扫频信号从发射扫频信号处传输到故障点所需的时间t和扫频信号在前m段电缆传输时间之和进行对比，若满足公式(3)，则故障点位于第m段电缆。

$\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k<t<\underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{t}_k---\left(3\right)$

其中，第m段电缆为故障点所在电缆，t_k为扫频信号在第k段电缆中传输所需的时间，1≤k≤m；

并通过公式(4)计算测试点到故障点的距离L：

$L=\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k+{\mathrm{cV}}_m(t-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{t}_k)---\left(4\right)$

其中，L_k为第k段电缆的长度，V_m为第m段电缆的速度因子。

4.根据权利要求3所述多段不同型号互联电缆的故障点定位方法，其特征在于：所述步骤五中，通过公式(5)计算故障点的回波损耗：

$RL=R-A+\&lsqb;\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k{\mathrm{ls}}_k+(L-\underset{k=1}{\overset{m-1}{\&Sigma;}}{L}_k){\mathrm{ls}}_m\&rsqb;---\left(5\right)$

其中，RL表示故障点的回波损耗；R表示扫频信号的发射功率，A为所得中频信号功率，ls_k为第k段电缆的电缆损耗，l≤k≤m；

通过公式(6)计算故障点的驻波比值：

$SWR=\frac{1+r}{1-r}=\frac{1+{10}^{\frac{RL}{20}}}{1-{10}^{\frac{RL}{20}}}---\left(6\right)$

其中，SWR表示故障点的驻波比值；r表示反射系数。

5.用于权利要求1-4中任一项所述多段不同型号互联电缆的故障点定位方法的装置，其特征在于：包括激励源、功分器、定向耦合器、测试端口、混频器、A/D转化模块、FPGA处理器和CPU，其中：

激励源，用于产生线性扫频信号，并将该线性扫频信号传输至功分器；

功分器，用于将接收的线性扫频信号分别传输至所述定向耦合器和混频器；

定向耦合器，用于接收功分器送来的线性扫频信号，并将该信号传输到测试端口；同时接收测试端口传来的反射信号并定向耦合至混频器；

测试端口，用于将从定向耦合器接收的线性扫频信号输出到被测电缆；同时接收被测电缆传输的反射信号并传输至定向耦合器；

混频器，用于将功分器传输的线性扫频信号和定向耦合器传输的反射信号混频得到差频信号，并将该差频信号传输到A/D转化模块；

A/D转化模块，将接收的差频信号转化为数字信号后传输至FPGA处理器；

FPGA处理器，对接收的数字信号进行处理，随后传输至CPU；

CPU，对接收的数字信号进行FFT变换和处理计算。