CN112067945A - 铁路信号电缆在线故障定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路信号电缆在线故障定位系统及方法，系统包括MCU模块、FPGA模块以及信号调理及防护模块，所述MCU模块与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的第一输入端与所述MCU模块连接，所述信号调理及防护模块的第二输入端与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的输出端连接所述FPGA模块。本发明通过长度自适应方式解决了铁路信号电缆SSTDR在线故障定位测试应用中“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”尖锐对立的矛盾，实现了长度自适应的远距离定位检测；采用了具有白噪声特性的伪随机序列扩频信号实现了铁路信号电缆的断路、短路等故障在线监测。本发明可广泛应用于电缆检测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及电缆检测技术领域，尤其涉及一种铁路信号电缆在线故障定位系统及方法。
背景技术
铁路是国民经济的大动脉，铁路的技术设备运转犹如一台紧密配合的精密联动机，而铁路信号系统是铁路运行调度指挥、安全防护的重要基础设施，被誉为铁路行车的大脑、神经和耳目。铁路信号系统大量广泛地使用各类专用电缆(即铁路信号电缆)，铁路信号电缆的稳定运用直接涉及铁路行车的安全和效率。由于铁路信号电缆大多敷设在铁路沿线的地下，使用环境大多较恶劣，电缆出现老化损坏等故障无法避免；一旦出现电缆故障造成的影响面和损失往往较大，并且查找处理困难。因此，对铁路信号电缆的工况进行预警性测试及出现故障后的快速测试诊断(定位)和处理至为重要。
迄今已有多种电缆故障检测(定位)技术被提出，其中反射测量法因测量方法快捷、简易而成为首选技术，并广泛使用。反射测量法根据入射信号的不同可以分为：时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、频域反射法(Frequency DomainReflectometry,FDR)、时频域反射法(Time Frequency Domain Reflectometry,TFDR)、序列时域反射法(Sequence Time Domain Reflectometry,STDR)、扩频序列时域反射法(Spread Sequence Time Domain Reflectometry,SSTDR)和噪声域反射法(Noise DomainReflectometry,NDR)。根据入射信号和电缆中正常传输的信号是否会相互干扰，反射测量法又可分为“离线测试”和“在线测试”方法两大类。
要实现铁路信号电缆的故障的预警和快速测试诊断(定位)，必须采用“在线测试”模式，以保证实时监测、发现、诊断(定位)。经对分析铁路信号电缆既有传输的工作信号频谱分析和噪声环境分析，扩频时域反射法(Spread Sequence Time DomainReflectometry,SSTDR)是能满足铁路信号电缆断路/短路故障“在线测试”要求的较好的选择。
根据扩频序列时域反射法(SSTDR)测试原理：
SSTDR的最大测量距离为：
最小测量距离：
测量精度(测距分辨率)为
Δd＝|τ-ti|c＝Δtc
以上三式中：N-伪随机序列的长度；
Ts-一个码片的持续时间，Ts＝1/fs,fs为码片速率；
c-测试信号(已知)在特定传输介质中的传播速度；
τ-相关运算峰值点对应的时间(时延估计值)；
ti-系统延迟估计值。
从以上公式可以看出：根据扩频序列时域反射法(SSTDR)，如果要减小测量盲区，需要减小码片的持续时间Ts，虽然Ts减小(即发射频率变大)，会使Δt减小，从而Δd会减小，提高了测量精度。但是减小码片持续时间会减小可测电缆的最大长度，同时由于信号的发射频率增大，信号在电缆中的衰减也随之增大。这时还要进行远距离测量只能增大伪随机序列的长度N，但增大伪随机序列的长度N又会使测试时间延长(无法及时发现故障，并对瞬态故障无法检测)，并且使测试过程的数据运算量大大增加。可见，测量盲区和测量精度与最大测量距离之间存在矛盾。测量精度取决于延时估计τ，而延时估计又与捕获技术和码片持续时间有关。
铁路信号电缆属于控制类电缆，其特性阻抗会随传输信号频率的增加而下降(传输信号频率为1MHz时仅为155Ω)，其线对衰减会随传输信号频率的增加而大幅增加(传输信号频率为150kHz时达9dB/km)。
由上可见，将SSTDR应用于铁路信号电缆断路/短路故障在线测试时，“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”是尖锐对立的，如何同时满足(平衡)两项要求是该技术应用面临的最大问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种铁路信号电缆在线故障定位系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种铁路信号电缆在线故障定位系统，包括MCU模块、FPGA模块以及信号调理及防护模块，其中，
所述MCU模块，用于产生控制信号，从所述FPGA模块获取被测电缆的第一长度；根据所述第一长度采用长度自适应方式动态调整所述控制信号，根据动态调整后的所述控制信号进行在线故障定位分析与计算，得到所述被测电缆的第二长度，其中，所述第一长度为开始测试时的初始电缆长度；
所述FPGA模块，用于根据所述控制信号产生伪随机序列信号，根据所述控制信号调制所述伪随机序列信号得到伪随机序列扩频信号，从接收到的返回信号中分离获取回波信号，对所述回波信号进行相关运算处理并将相关运算的结果发送给所述MCU模块；
所述信号调理及防护模块，用于根据所述控制信号对所述伪随机序列扩频信号进行放大、数模转换和滤波处理，得到在线测试信号作为所述被测电缆的入射信号；
所述MCU模块与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的第一输入端与所述MCU模块连接，所述信号调理及防护模块的第二输入端与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的输出端连接所述FPGA模块。
进一步，所述控制信号为波形控制信号，所述MCU模块包括：
波形控制模块，用于产生所述波形控制信号，根据所述第一长度采用长度自适应方式动态调整所述波形控制信号；
背景噪声数据库及数据统计分析模块，用于建立背景噪声库，将实时的相关计算结果与背景噪声数据库中的数据进行对比分析，从所述FPGA模块获取所述第一长度；获取所述FPGA模块根据动态调整后的所述波形控制信号计算出的所述第二长度，并结合所述第二长度确定所述被测电缆故障的状态和故障的类型；
所述波形控制模块的输出端连接所述FPGA模块，所述波形控制模块的输出端还连接所述信号调理及防护模块；所述背景噪声数据库及数据统计分析模块连接所述FPGA模块。
进一步，所述波形控制信号包括序列控制字信号和频率控制字信号，所述伪随机序列信号为M序列或混沌序列信号，所述FPGA模块包括：
M/混沌序列产生模块，与所述波形控制模块的输出端连接，用于根据所述序列控制字信号生成M序列或混沌序列信号；
信号调制模块，用于根据频率控制字信号调制所述M序列或混沌序列信号，得到伪随机序列扩频信号；
自适应噪声对消模块，用于根据所述背景噪声数据库的数据采用自适应滤波算法对所述返回信号进行对消处理，从而得到所述回波信号；
信号处理模块，用于通过相关算法计算所述入射信号与所述回波信号的时延，以及计算所述第二长度；
所述M/混沌序列产生模块的输入端与所述波形控制模块的输出端连接，所述信号调制模块的第一输入端与所述波形控制模块的输出端连接，所述信号调制模块的第二输入端与M/混沌序列产生模块的输出端连接，所述信号调制模块的输出端连接所述信号调理及防护模块的输入端，所述自适应噪声对消模块的第一输入端连接所述信号调理及防护模块的输出端，所述自适应噪声对消模块的第二输入端连接所述背景噪声数据库及数据统计分析模块的输出端，所述自适应噪声对消模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述背景噪声数据库及数据统计分析模块连接。
进一步，所述MCU模块还包括：
传播速率选择模块，与所述信号处理模块连接，用于根据所述被测电缆的型号选择匹配的传播速率。
进一步，所述在线故障定位系统还包括：
选线模块，用于按照预先设定的测试对象与测试顺序，对多个所述被测电缆进行轮询选通；
所述选线模块的输入端连接所述信号调理及防护模块，所述选线模块的输出端连接所述FPGA模块。
进一步，所述在线故障定位系统还包括：
上位机，用于提供交互显示界面和测试的支撑数据，接收MCU模块发送的测试结果数据并进行数据分析与分享；
所述MCU模块还包括：
通讯模块，与所述上位机连接，用于进行MCU模块与所述上位机之间数据的通讯。
第二方面，本发明实施例提供了一种铁路信号电缆在线故障定位方法，包括以下步骤：
获取开始测试时的控制信号作为第一控制信号；
确定所述第一控制信号为当前控制信号；
根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号，其中，所述在线测试信号为发射给被测电缆的入射信号；
接收返回信号，并从返回信号中分离获取回波信号；
根据所述回波信号进行相关运算与在线故障定位分析，得到所述被测电缆的被测长度；
调整所述当前控制信号，得到第二控制信号；
以所述第二控制信号为当前控制信号，返回根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号这一步骤，直至满足预设的调整停止条件；
输出满足预设的调整停止条件时的所述被测长度作为第二长度。
进一步，所述第一控制信号或所述当前控制信号包括序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号，所述根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号，包括：
根据所述序列控制字信号控制序列的码片速率和码片长度，进而根据所述码片速率和所述码片长度生成伪随机序列信号；
根据所述频率控制字信号控制调制的频率，进而根据所述频率调制所述伪随机序列信号，得到伪随机序列扩频信号；
根据所述增益控制字信号控制输出信号电平和ADC转换采样速率，进而根据所述输出信号电平和所述ADC转换采样速率对所述伪随机序列扩频信号进行信号调理，得到所述在线测试信号。
进一步，所述调整所述当前控制信号，得到第二控制信号，包括：
将所述被测电缆的测试范围进行分段；
从分段后的最小所述测试范围开始，按照所述测试范围自小到大的顺序选择一个测试范围作为当前测试范围，进而确定所述当前测试范围的序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号作为第二控制信号，所述当前测试范围为所述被测长度在预设的长度数值范围内时的所述测试范围或为分段后的最大所述测试范围。
进一步，所述预设的调整停止条件包括：
所述被测长度在所述预设的长度数值范围内；
或者，所述被测长度不在所述预设的长度数值范围内且所述测试范围为分段后的最大所述测试范围；
其中，所述根据所述回波信号进行相关运算与在线故障定位分析，得到所述被测电缆的被测长度，包括：
将所述回波信号与所述入射信号进行相关运算；
确定相关运算的结果大于等于背景噪声库的数据，根据所述相关运算的结果结合大数据统计分析方式确定所述被测长度，所述被测长度根据所述被测电缆的传输速度和所述被测电缆的信号时延得到，所述信号时延根据所述相关运算的结果得到。
本发明实施例一种铁路信号电缆在线故障定位系统的技术方案的有益效果是：MCU模块从FPGA模块获取被测电缆的第一长度后，采用长度自适应方式动态调整控制信号，再根据动态调整后的控制信号进行在线故障定位分析与计算，得到被测电缆的第二长度这一实际的被测长度，通过长度自适应方式解决了铁路信号电缆SSTDR在线故障定位测试应用中“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”尖锐对立的矛盾，实现了长度自适应的远距离定位检测；通过FPGA模块配合信号调理及防护模块来得到被测电缆的在线测试信号，采用了具有白噪声特性的伪随机序列扩频信号实现了铁路信号电缆的断路、短路等故障在线监测。
本发明实施例一种铁路信号电缆在线故障定位方法的技术方案的有益效果是：在根据当前控制信号对应的回波信号获取到被测电缆的被测长度后，通过调整当前控制信号的方式来动态调整控制信号，重新进行循环在线测试得到动态调整后的被测长度，最终得到满足预设的调整停止条件时的被测长度作为第二长度进行输出，通过长度自适应方式解决了铁路信号电缆SSTDR在线故障定位测试应用中“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”尖锐对立的矛盾，实现了长度自适应的远距离定位检测；根据当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据伪随机序列信号得到在线测试信号，采用了具有白噪声特性的伪随机序列扩频信号实现了铁路信号电缆的断路、短路等故障在线监测。
附图说明
图1是本发明实施例一种铁路信号电缆在线故障定位系统的结构框图；
图2是本发明实施例一种铁路信号电缆故障定位方法的步骤流程图；
图3是LMS自适应滤波算法的原理框图；
图4是本发明实施例的长度自适应实现流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步解释和说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
针对现有铁路信号故障在线测试的SSTDR方法“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”是尖锐对立的问题，如图1所示，本发明实施例提出了一种铁路信号电缆在线故障定位系统，主要包括MCU模块、FPGA模块、信号调理及防护模块、上位机、选线模块等模块，具体说明如下：
(1)MCU模块：用于通过485总线等方式与上位机通讯，产生控制信号对信号调理及防护模块以及FPGA模块进行波形控制，建立背景噪声库，并将实时相关计算的结果与背景噪声数据库中的数据进行对比以及大数据统计分析。
如图1所示，MCU可以进一步细分为波形控制模块、背景噪声数据库及数据统计分析模块和通讯模块。其中，波形控制模块，用于对信号调理及防护模块以及FPGA模块进行波形控制。波形控制模块在对FPGA模块进行波形控制时主要实现控制M序列或混沌序列信号的产生或调整，包括控制M序列或混沌序列的信号特征(模式)、特定的信号参数(如M序列或混沌序列的码片速率和码片长度)等。波形控制模块的控制意图可以来源于上位机的有关数据，也可以是对源于FPGA模块的数据进行统计分析后产生的。可选地，波形控制模块产生的控制信号可以进一步细分为序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号，分别控制FPGA模块产生的序列的码片速率和码片长度、调制的频率，以及信号调理及防护模块的输出信号电平和ADC转换采样速率。
背景噪声数据库及数据统计分析模块，用于建立背景噪声库，并将FPGA模块实时相关计算的结果与背景噪声数据库中预存的数据进行对比与大数据统计分析，得出故障的状态、故障的性质及故障的距离等信息。可选地，MCU模块通过实时建立电缆背景噪声库的方式，通过高速ADC以距离单元(即采样间隔)为步进将实时采样的电缆噪声数据与系统本身的参考信号进行相关运算得出以距离单元为间隔的背景噪声数据库，其数据库包含电缆本身传输的有效信号、外界等环境造成的噪声等，当实际电缆在某处发生短路、断路故障时，故障所在位置处返回的回波信号与参考信号相关后将得到一个峰值，再将其峰峰值与背景数据库中的数据进行比较，再通过建立系统大数据，采用直方图等统计方式进行处理，即可得知故障的状态、故障的性质及故障的距离，有利于工程人员对故障的分析、定位。可选地，针对被测电缆不同的型号、传输特性、敷设工况、应用环境，可以采集样本，建立被测电缆特性样品库和实时背景噪声库，提供给FPGA模块等模块运用。
通讯模块，用于通过485总线等方式与上位机通讯。通信模式可选用常用工业总线，亦可选用TC/PIP应用通信协议。本申请实例选用的是RS485串行通信协议。
(2)FPGA模块：用于与MCU模块进行通讯，产生M序列或混沌序列信号，对M序列或混沌序列信号进行调制，从接收到的返回信号中分离获取回波信号，实现回波信号的相关运算处理并进行故障点距离计算。
具体地，如图1所示，FPGA模块可以进一步划分为以下模块：
1)M/混沌序列产生模块：用于根据序列控制字信号生成多点的M序列或混沌序列信号。可选地，M/混沌序列的点数最大为1024点。M/混沌序列的码片速率和码片长度(持续时间)受MCU模块的控制可变。M序列或混沌序列信号具有白噪声均值为零的特性，不会干扰电缆中传输的工作信号，而且对噪音还具有很高的免疫能力，因此，可以实现在线持续检测。
2)信号调制模块：主要根据频率控制字信号实现M序列或混沌序列信号的调制。可选地，调制为BPSK调制，调制频率与M序列或混沌序列测试信号码片速率按1:1调制比自适应；并将FPGA产生的扩频检测数字信号(即M/混沌序列测试信号)经过数模转换为模拟信号。
3)自适应噪声对消模块：主要通过LMS自适应滤波等算法滤除入射信号、系统噪声的影响，还原出反射的回波信号。
4)信号处理(相关运算)模块：主要通过广义互相关、改进的二次相关算法(如FFT+Hilbert)、高阶累积量等相关算法，计算发射信号(即入射信号)与回波信号的时延；根据MCU给出特定的传播速率(Velocity of propagation，VOP)参量，从而计算得出故障点的距离数值。
(3)选线模块：用于按照预先设定的测试对象与测试顺序，对多个被测电缆进行轮询选通，实现对多路电缆的分时循环故障检测。具体地，通过MCU模块和选线模块，可依据预先设定的测试对象与顺序，自动实现多对象的电缆芯线对的轮询测试、分析、示警，测试结果形成记录数据库，可供系统后台或其他系统调用。测试对象数量与轮询周期(时间)可根据实际需要灵活调整。选线模块具备铁路信号设备必要的“故障→安全”性能。在一种可能的实施方式中，选线模块可通过电子开关和微型继电器组成的矩阵选线模块选择特定的被测对象，发送在线测试信号和接收返回信号，实现对多路电缆的分时循环故障检测。
(4)信号调理及防护模块：包括增益可控的放大电路单元、速率可控的DA/AD转换电路单元以及高频滤波电路单元，主要实现信号发射的数模转换，信号接收的模数转换功能。
(5)上位机：用于提供交互显示界面(如测试者的I/O界面)和提供测试的支撑数据，接收MCU模块发送的测试结果数据，通过后台应用进行数据分析并分享给其他系统应用。
基于图1的结构，本发明实施例提供了一种基于长度自适应的铁路信号电缆在线故障定位方法，如图2所示，该方法包括以下步骤S201-S208：
S201、获取开始测试时的控制信号作为第一控制信号；
具体地，如前面系统实施例所述，在MCU模块中，控制信号可以包括序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号，分别控制FPGA模块产生的序列的码片速率和码片长度、调制的频率以及信号调理及防护模块的输出信号电平和ADC转换采样速率等测试参数。在开始进行系统测试时，MCU模块可以根据FPGA模块初始的序列长度/类型(可以预先设定)、FPGA模块初始的调制(发射)频率(可以预先设定)和信号调理及防护模型初始的增益(可以预先设定)来得到对应的控制信号(即第一控制信号)。
S202、确定所述第一控制信号为当前控制信号；
具体地，将第一控制信号赋值给当前控制信号是为了便于后续进行控制信号的动态调整。
S203、根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号，其中，所述在线测试信号为发射给被测电缆的入射信号；
具体地，步骤S203可以进一步细分为以下步骤S2031-S2033：
S2031、根据所述序列控制字信号控制序列的码片速率和码片长度，进而根据所述码片速率和所述码片长度生成伪随机序列信号；
S2032、根据所述频率控制字信号控制调制的频率，进而根据所述频率调制所述伪随机序列信号，得到伪随机序列扩频信号；
本实施例中，采用具有白噪声特性的伪随机序列扩频(SSTDR/M序列)信号进行在线测试，由于该伪随机序列信号(SSTDR/M序列)具有白噪声均值为零的特性，不会干扰电缆中传输的工作信号，而且对噪音还具有很高的免疫能力，因此，可以实现在线持续检测，满足铁路信号电缆故障在线式定位检测的要求。
S2033、根据所述增益控制字信号控制输出信号电平和ADC转换采样速率，进而根据所述输出信号电平和所述ADC转换采样速率对所述伪随机序列扩频信号进行信号调理，得到所述在线测试信号。
S204、接收返回信号，并从所述返回信号中分离获取回波信号；
本实施例中，对SSTDR测试系统的接收端而言，其接收的有效信号应该是相对于入射信号的反射波，即回波信号。由于SSTDR是持续检测的，所以入射信号和电缆中的有效传输(工作)信号及噪声对于整个系统的有效信号(即反射信号)而言亦可视作是系统的噪声，因此需要通过数字滤波技术予以消除或隔离。
本实施例中，返回信号混叠有入射信号以及对应的反射信号、噪声等信号，该返回信号可以由系统的接收端接收并经信号调理与防护模块的模数转换后送入图1的自适应噪声对消模块。自适应噪声对消模块接收到返回信号后，可以结合背景噪声数据库的数据采用自适应滤波算法滤除入射信号、系统噪声的影响，还原出反射的回波信号。本实施例中，可以将与入射信号相同的基准信号作为对消的参考信号，对返回信号进行软件对消操作，可降低对反射信号的损伤，提高测试信号分析辨识度，而且本发明通过软件对消的方式实现了入射信号与反射信号的分离，不需要采用硬件实现，解决了传统时域反射法电缆故障测试的系统和过程中采用硬件定向耦合器体积大、衰耗大、分离度不高及无法在较低测试信号频率场合应用的问题。
自适应滤波算法可以是LMS(LMS，Least Mean Square)自适应滤波算法、归一化最小均方自适应滤波器(NLMS，Normalized Least Mean Square)等自适应滤波算法。
下面以LMS自适应滤波算法为例，介绍本实施例的对消处理原理：
如图3所示，LMS自适应滤波，通过两路信号，一路为参考信号dγ，另一路信号通过滤波器(H)估计出d'γ,d'γ和参考信号dγ之间要w满足均方误差最小的判据，而初始状态下滤波器系数设置为w,得到的结果w不满足误差最小的判据，此时采用自适应优化算法去调节滤波器系数W，在不断的迭代计算后，找到这样的W*使得估计的d'γ和期望得到的dγ误差最小，而采取的最优化算法为随机梯度下降，也即是每进一个新数据x(t)求取它梯度并计算w，在这过程中x(t)和dγ(t)的误差是对应的。
w0w1...wp-1表示滤波器系数，xγxγ-1...xγ-p+1表示输入信号，dγ为参考信号(期望信号)，信号dγ的选择很关键；Yγ表示输入信号在滤波器作用下的输出响应，eγ为参考信号和Yγ的误差，即是eγ＝dγ-Yγ；并依据误差eγ的大小调节滤波器系数w。
本实施例将入射的参考信号(即基准信号)作为xγ，故障电缆的反射信号为参考信号dγ，将误差结果eγ作为最终自适应滤波器的输出，即可起到将已知的入射信号进行隔离的作用。
S205、根据所述回波信号进行相关运算与在线故障定位分析，得到所述被测电缆的被测长度；
具体地，步骤S205可以进一步细分为以下步骤S2051和S2052：
S2051、将所述回波信号与所述入射信号进行相关运算；
在线检测的主要指标是测量精度，这就要求相关器能够精确、快速地估计出信号在电缆中的传输延迟，但是测试信号在电缆中传输会逐渐衰弱，同时又受到各种噪声的干扰，因此要求相关算法能够去除噪声的干扰，检测微弱的反射信号，所以相关算法的性能对于提高整个系统的测试精度、减少误差至关重要。
时延估计的自相关算法的种类比较多，如广义互相关、频域相关、二次相关、高阶累积量等算法，本应用实例采用的是高阶累积量的时延估计算法。
高阶累积量算法：利用高阶统计量处理接收信号，有效抑制高斯和非高斯有色噪声的影响而提高信噪比。本发明的一个应用实例采用的是基于三阶统计量的时延估计算法，其是通过对回波信号和基准信号进行自三阶统计量和互三阶统计量计算，比较两路信号的相似性来进行时间延时的估计，如下式所示：
cxxx(τ,ρ)＝E{x(k)x(k+τ)x(k+ρ)}
其中，x为输入信号(即入射信号)，y为电缆反射的信号；当ρ和τ取不同的值时，得到一组线性方程，即所估计的时延D就等于|α(k)|取最大值时的K。
本实施例通过自相关算法对时延估计进行了优化，提升了测试的精度。
S2052、确定相关运算的结果大于等于背景噪声库的数据，根据所述相关运算的结果结合大数据统计分析方式确定所述被测长度，所述被测长度根据所述被测电缆的传输速度和所述被测电缆的信号时延得到，所述信号时延根据所述相关运算的结果得到。
本实施例中，当回波信号与入射信号相关运算的结果大于等于背景噪声库中的数据时，说明当前控制信号已满足调整要求，此时FPGA模块可以根据MCU模块给出的VOP参量结合相关运算得到的时延的乘积，计算得出被测电缆的被测长度。
S206、调整所述当前控制信号，得到第二控制信号；
本实施例中，步骤S206可以进一步细分为以下步骤：
S2061、将所述被测电缆的测试范围进行分段；
具体地，被测电缆的测试可以包含一个或多个单次测试(步次)的过程。可根据被测电缆的实际应用情况(实际电缆的最大、最小长度、测试精度要求等)，将各单次测试的测试范围进行分段，如可将测试范围分为三段：100-3000m、3000-6000m、6000-10000m。
S2062、从分段后的最小所述测试范围开始，按照所述测试范围自小到大的顺序选择一个测试范围作为当前测试范围，进而确定所述当前测试范围的序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号作为第二控制信号，所述当前测试范围为所述被测长度在预设的长度数值范围内时的所述测试范围或为分段后的最大所述测试范围。
具体地，单次测试(步次)可从最小测试范围开始，按最小测试范围设置MCU模块的控制信号(包括序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号)和FPGA模块相应的测试参数组合，该测试参数组合包括但不限于M序列或混沌序列的码片速率和序列长度(持续时间)、输出信号电平(功率)、ADC转换的采样速率等。
S207、以所述第二控制信号为当前控制信号，返回根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号这一步骤，直至满足预设的调整停止条件；
本实施例中，预设的调整停止条件包括：所述被测长度在所述预设的长度数值范围内；或者，所述被测长度不在所述预设的长度数值范围内且所述测试范围为分段后的最大所述测试范围。
在满足预设的调整停止条件前，可以通过不断地重复步骤S203-S206，通过对测试的控制信号和测试参数组合的不断调整，从而找出最优的控制信号和测试参数组合，进而计算得出最优的控制信号和测试参数组合下的被测电缆的长度，实现了0.1-10km范围的电缆长度自适应的远距离定位检测：在保证(定位距离)最大测试误差小于1％(电缆的总长度)的条件下，最大电缆测试长度不小于10km；最大电缆测试长度为2km范围内时最大测试误差小于1‰(电缆总长)的系统性能指标，基本可满足现场用户急需。
S208、输出满足预设的调整停止条件时的所述被测长度作为第二长度。
本实施例中，在正常工作情况下，第二长度(即被测电缆的实际测试长度)是等于被测电缆的总长度(常量)的，即被测电缆的被测长度是一个常量；在出现故障的情况下，被测电缆的被测长度将小于被测电缆的总长度。因此，MCU模块后续可以根据第二长度与被测电缆的总长度的相对大小来确定被测电缆是否有故障(即故障状态)或故障的类型。
下面结合图4，对本发明的长度自适应方式的具体实现过程进行说明：
首先，根据被测电缆的实际应用情况(实际电缆的最大、最小长度、测试精度要求等)，将每单次测试的测试范围进行分段，如本实施例将测试范围分为三段：100-3000m、3000-6000m、6000-10000m。
每单次测试(步次)从最小测试范围起始，按最小测试范围设置MCU模块的控制信号和FPGA模块相应的测试参数组合。MCU模块的控制信号包括序列控制字信号(如序列长度N/类型)、频率控制字信号(如发射或调制频率fs)和增益控制字信号(如增益控制Gn)，测试参数组合包括但不限于M序列或混沌序列的码片速率和序列长度(持续时间)、输出信号电平(功率)、ADC转换的采样速率等。
若第一步次(即最小测试范围)即能得出准确的测试结果(被测长度的数值)，并落入预设的长度数值范围，则本次测试操作完成，给出测试结果结论，返回初始状态。
若第一步次未能得出准确的测试结果(被测长度的数值)或测试结果未能落入预设的长度数值范围，则按新增步次(即增大测试范围)重新设置MCU模块的控制信号和FPGA模块相应的测试参数组合，重新测试。
周而复始，逐次逼近，直至取得正确的测试结果或所有测试结果未能落入预设的长度数值范围(即被测长度不在预设的长度数值范围内且测试范围为分段后的最大测试范围)。若预设的测试范围段(如本实施例的三段100-3000m、3000-6000m、6000-10000m)均未能得出正确的测试结果，则给出测试无效的结论，进入下一个单次测试(步次)循环。
综上所述，本发明一种铁路信号电缆在线故障定位系统及方法，具有以下优点：
(1)通过具有白噪声特性的伪随机序列扩频信号，实现了铁路信号电缆(断路/短路)故障“在线”定位检测。
(2)通过长度自适应方式，解决了铁路信号电缆SSTDR在线故障定位测试应用中“最大可测电缆长度”与“故障定位精度”尖锐对立的矛盾，使铁路信号电缆SSTDR在线故障定位测试真正实用化。
(3)通过长度自适应方式和优化的时延估计算法，提高了测试的精确度，实现了：在保证(定位距离)最大测试误差小于1％(电缆总长)的条件下，最大电缆测试长度不小于10km；最大电缆测试长度为2km范围内时最大测试误差小于1‰(电缆总长)的系统性能指标，基本可满足现场用户急需。
(4)通过自适应对消模块这一基于纯软件对消的自适应对消入射/反射信号分离模块，解决了较低测试信号频率条件下无可用的“定向耦合”装置实现射/反射信号分离的难题。
(5)基于MCU模块和选线器的系统结构设计，可实现全自动、智能化的在线式自动巡检，无需人工介入。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，包括MCU模块、FPGA模块以及信号调理及防护模块，其中，
所述MCU模块，用于产生控制信号，从所述FPGA模块获取被测电缆的第一长度；根据所述第一长度采用长度自适应方式动态调整所述控制信号，根据动态调整后的所述控制信号进行在线故障定位分析与计算，得到所述被测电缆的第二长度，其中，所述第一长度为开始测试时的初始电缆长度；
所述FPGA模块，用于根据所述控制信号产生伪随机序列信号，根据所述控制信号调制所述伪随机序列信号得到伪随机序列扩频信号，从接收到的返回信号中分离获取回波信号，对所述回波信号进行相关运算处理并将相关运算的结果发送给所述MCU模块；
所述信号调理及防护模块，用于根据所述控制信号对所述伪随机序列扩频信号进行放大、数模转换和滤波处理，得到在线测试信号作为所述被测电缆的入射信号；
所述MCU模块与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的第一输入端与所述MCU模块连接，所述信号调理及防护模块的第二输入端与所述FPGA模块连接，所述信号调理及防护模块的输出端连接所述FPGA模块。
2.根据权利要求1所述的一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，所述控制信号为波形控制信号，所述MCU模块包括：
波形控制模块，用于产生所述波形控制信号，根据所述第一长度采用长度自适应方式动态调整所述波形控制信号；
背景噪声数据库及数据统计分析模块，用于建立背景噪声库，将实时的相关计算结果与背景噪声数据库中的数据进行对比分析，从所述FPGA模块获取所述第一长度；获取所述FPGA模块根据动态调整后的所述波形控制信号计算出的所述第二长度，并结合所述第二长度确定所述被测电缆故障的状态和故障的类型；
所述波形控制模块的输出端连接所述FPGA模块，所述波形控制模块的输出端还连接所述信号调理及防护模块；所述背景噪声数据库及数据统计分析模块连接所述FPGA模块。
3.根据权利要求2所述的一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，所述波形控制信号包括序列控制字信号和频率控制字信号，所述伪随机序列信号为M序列或混沌序列信号，所述FPGA模块包括：
M/混沌序列产生模块，与所述波形控制模块的输出端连接，用于根据所述序列控制字信号生成M序列或混沌序列信号；
信号调制模块，用于根据所述频率控制字信号调制所述M序列或混沌序列信号，得到伪随机序列扩频信号；
自适应噪声对消模块，用于根据所述背景噪声数据库的数据采用自适应滤波算法对所述返回信号进行对消处理，从而得到所述回波信号；
信号处理模块，用于通过相关算法计算所述入射信号与所述回波信号的时延，以及计算所述第二长度；
所述M/混沌序列产生模块的输入端与所述波形控制模块的输出端连接，所述信号调制模块的第一输入端与所述波形控制模块的输出端连接，所述信号调制模块的第二输入端与M/混沌序列产生模块的输出端连接，所述信号调制模块的输出端连接所述信号调理及防护模块的输入端，所述自适应噪声对消模块的第一输入端连接所述信号调理及防护模块的输出端，所述自适应噪声对消模块的第二输入端连接所述背景噪声数据库及数据统计分析模块的输出端，所述自适应噪声对消模块与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述背景噪声数据库及数据统计分析模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，所述MCU模块还包括：
传播速率选择模块，与所述信号处理模块连接，用于根据所述被测电缆的型号选择匹配的传播速率。
5.根据权利要求1所述的一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，所述在线故障定位系统还包括：
选线模块，用于按照预先设定的测试对象与测试顺序，对多个所述被测电缆进行轮询选通；
所述选线模块的输入端连接所述信号调理及防护模块，所述选线模块的输出端连接所述FPGA模块。
6.根据权利要求3所述的一种铁路信号电缆在线故障定位系统，其特征在于，所述在线故障定位系统还包括：
上位机，用于提供交互显示界面和测试的支撑数据，接收MCU模块发送的测试结果数据并进行数据分析与分享；
所述MCU模块还包括：
通讯模块，与所述上位机连接，用于进行MCU模块与所述上位机之间数据的通讯。
7.一种铁路信号电缆在线故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取开始测试时的控制信号作为第一控制信号；
确定所述第一控制信号为当前控制信号；
根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号，其中，所述在线测试信号为发射给被测电缆的入射信号；
接收返回信号，并从所述返回信号中分离获取回波信号；
根据所述回波信号进行相关运算与在线故障定位分析，得到所述被测电缆的被测长度；
调整所述当前控制信号，得到第二控制信号；
以所述第二控制信号为当前控制信号，返回根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号这一步骤，直至满足预设的调整停止条件；
输出满足预设的调整停止条件时的所述被测长度作为第二长度。
8.根据权利要求7所述的一种铁路信号电缆在线故障定位方法，其特征在于，所述第一控制信号或所述当前控制信号包括序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号，所述根据所述当前控制信号生成伪随机序列信号，进而根据所述伪随机序列信号得到在线测试信号，包括：
根据所述序列控制字信号控制序列的码片速率和码片长度，进而根据所述码片速率和所述码片长度生成伪随机序列信号；
根据所述频率控制字信号控制调制的频率，进而根据所述频率调制所述伪随机序列信号，得到伪随机序列扩频信号；
根据所述增益控制字信号控制输出信号电平和ADC转换采样速率，进而根据所述输出信号电平和所述ADC转换采样速率对所述伪随机序列扩频信号进行信号调理，得到所述在线测试信号。
9.根据权利要求8所述的一种铁路信号电缆在线故障定位方法，其特征在于，所述调整所述当前控制信号，得到第二控制信号，包括：
将所述被测电缆的测试范围进行分段；
从分段后的最小所述测试范围开始，按照所述测试范围自小到大的顺序选择一个测试范围作为当前测试范围，进而确定所述当前测试范围的序列控制字信号、频率控制字信号和增益控制字信号作为第二控制信号，所述当前测试范围为所述被测长度在预设的长度数值范围内时的所述测试范围或为分段后的最大所述测试范围。
10.根据权利要求9所述的一种铁路信号电缆在线故障定位方法，其特征在于，所述预设的调整停止条件包括：
所述被测长度在所述预设的长度数值范围内；
或者，所述被测长度不在所述预设的长度数值范围内且所述测试范围为分段后的最大所述测试范围；
其中，所述根据所述回波信号进行相关运算与在线故障定位分析，得到所述被测电缆的被测长度，包括：
将所述回波信号与所述入射信号进行相关运算；
确定相关运算的结果大于等于背景噪声库的数据，根据所述相关运算的结果结合大数据统计分析方式确定所述被测长度，所述被测长度根据所述被测电缆的传输速度和所述被测电缆的信号时延得到，所述信号时延根据所述相关运算的结果得到。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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