CN112083288A - 一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质 Download PDF

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张学诚
张恩泉
梅建军
裴世雄
鞠杰
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Abstract

本发明公开了一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质，方法包括：对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，基准信号与入射信号相同；根据基准信号对返回信号进行噪声对消处理，得出入射信号经过电缆传输后返回的反射信号。本发明以与入射信号相同的基准信号作为对消的参考信号，对返回信号进行对消操作得到反射信号，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，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，可广泛应用于电缆检测领域。

Description

一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及电缆检测技术领域，尤其涉及一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
随着现代化建设的进程加快，特别是自动化和信息化的深入发展，大量的电缆(铜缆)被广泛普遍地使用。尽管光缆也越来越被广泛采用，电缆(铜缆)依然具有不可替代的作用，在各类自动化和信息化系统中依然具有举足轻重的地位。然而，由于电缆(铜缆)的敷设、使用环境大多较恶劣，电缆(铜缆)的出现老化损坏等故障无法避免，而且电缆(铜缆)故障造成的影响面和损失往往较大。因此，对电缆(铜缆)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，且其中有多种方法可实现在线监测而成为首选技术，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 Domain Reflectometry,FDR)、时频域反射法(Time Frequency DomainReflectometry,TFDR)、序列时域反射法(Sequence Time Domain Reflectometry,STDR)、扩频时域反射法(Spread Sequence Time Domain Reflectometry,SSTDR)和噪声域反射法(Noise Domain Reflectometry,NDR)。各类反射测量法的共同点是：针对反射信号的时间或频率特性进行分析运算，从而得出故障点的位置。各类反射测量法的测试过程都需面对一个共同的问题：入射信号和反射信号的分离。
不仅电缆故障检测(定位)装置，包括各类雷达探(检)测装置、无线电通信天线驻波比测试装置等，目前大多采用“定向耦合器”的方式实现各系统的入射信号和反射信号的分离。
定向耦合器是微波测量和其它微波系统中常见的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。定向耦合器是一种有方向性的微波功率分配器，更是近代扫频反射计中不可缺少的部件，通常有波导、同轴线、带状线及微带等几种类型。由于传统的定向耦合器是一种硬件解决方案，定向耦合器耦合臂的长度与其中心频率有关，因此，决定了对于较低频率的定向耦合器必定体积较大，而且还具有插入损耗、隔离度、方向性的限制以及引入测试误差等问题。
更重要的是，定向耦合器一般应用于微波领域，即其应用频率为300MHz-3000GHz。而由于电缆特别是铁路信号电缆的传输(高频衰耗)特性限制，一般电缆的故障定位系统，特别是要解决长距离的故障定位系统，其测试频率无法选择的较高，一般在几MHz左右，甚至更低。因此，传统的定向耦合器无法满足电缆的故障定位系统的使用需要。
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在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及存储介质。
第一方面，本发明实施例提供了一种在线电缆故障测试信号分离方法，包括以下步骤：
对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，所述基准信号与所述入射信号相同；
根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延；
根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
本发明一实施例中，所述的根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号，具体为：
以所述基准信号作为参考信号，对所述返回信号采用自适应滤波算法隔离所述入射信号和噪声，得出所述入射信号对应的反射信号。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括所述入射信号的生成步骤，所述生成步骤包括：
生成多点的M序列或混沌序列；
对所述M序列或混沌序列依次进行BPSK调制、信号放大、数模转换和高频滤波处理，得到所述入射信号。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
根据所述相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
第二方面，本发明实施例提供了一种在线电缆故障测试信号分离系统，包括：
收发单元，用于对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，所述基准信号与所述入射信号相同；
分离单元，用于根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
时延确定单元，用于根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延；
定位单元，用于根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
匹配单元，用于根据所述相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
第三方面，本发明实施例提供了一种在线电缆故障测试信号分离装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法被执行。
本发明的有益效果是：
本发明一种在线电缆故障测试信号分离方法、系统、装置及其存储介质，以与入射信号相同的基准信号作为对消的参考信号，对返回信号进行噪声对消操作得到反射信号，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。
附图说明
图1为本发明实施例在线电缆故障测试信号分离系统的架构图；
图2是本发明在线电缆故障测试信号分离方法实施例的步骤流程图；
图3是本发明实施例LMS自适应滤波算法的原理框图；
图4为本发明实施例软件对消方法的步骤流程图；
图5是本发明一种在线电缆故障测试信号分离系统的结构框图；
图6是本发明一种在线电缆故障测试信号分离装置的结构框图。
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。
首先对本发明实施例的在线电缆故障测试信号分离系统的架构进行介绍：
如图1所示，该在线电缆故障测试信号分离系统主要包括以下几个部分：
(1)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。
(2)选线模块：用于选择所需的电缆。
(3)FPGA：用于与MCU进行通讯，产生M/混沌序列信号，对M/混沌序列信号进行调制，实现信号的相关运算处理、对电缆故障的距离进行定位。
具体地，如图1所示，FPGA可以进一步划分为以下模块：
1)M/混沌序列产生模块：用于生成多点的M/混沌序列作为测试信号。可选地，M/混沌序列的点数最大为1024点。M/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：主要实现M/混沌序列测试信号的调制。可选地，调制为BPSK调制，调制频率与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(即反射信号)。
4)信号处理模块：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。
(4)MCU：用于通过485总线等方式与上位机通讯，对信号调理及防护模块以及FPGA中的M/混沌序列产生模块和信号调制模块进行波形控制，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中的M/混沌序列产生模块和信号调制模块进行波形控制；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分析；通讯模块，用于通过485总线等方式与上位机通讯。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，提供给自适应对消模块等模块运用。
基于图1的系统架构，提出本发明的在线电缆故障测试信号分离方法实施例。如图2所示，该在线电缆故障测试信号分离方法，包括以下步骤：
S201、对电缆发送入射信号和基准信号，并接收得到返回信号。
具体地，本实施例除了发送一路入射信号(即测试信号)给被测试的电缆之外，还会发射一路与入射信号完全一样的基准信号给自适应噪声对消模块，以便于后续通过软件对消方式实现入射信号和反射信号的分离。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。
S202、根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。由于返回信号混叠有入射信号和噪声(这两个相对于反射信号来说，都可以视为噪声)，所以需要将反射信号从返回信号中分离出来。可选地，本实施例可采用FPGA中的自适应噪声对消模块来执行该步骤S202，从而根据与入射信号相同的基准信号通过LMS自适应滤波等算法的相关对消操作分离出反射信号。
本实施例中，以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，而且本实施例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。
在一实施例中，如图2所示，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
S203、根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延。
在一实施例中，可以采用通过广义互相关、改进的二次相关算法(如希尔伯特变换)及高阶累积量等相关算法，计算传输时延。本实施例可采用高阶累积量的时延估计算法和二次相关快速傅里叶变换(FFT，fast Fourier transform)+Hilbert变换(希尔伯特变换)时延估计算法两种模式进行传输时延的计算，通过两种模式的结合提升结果的精度。
S204、根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
具体地，上述步骤S203和S204可以由FPGA的信号处理模块执行。可以将电缆匹配的传输速度与传输时延的乘积作为故障点的距离数值(即故障点的定位距离)。
在一实施例中，所述的步骤S202根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号，具体为：
以所述基准信号作为参考信号，对所述返回信号采用自适应滤波算法隔离所述入射信号和噪声，得出所述入射信号对应的反射信号。
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，即反射信号。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，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。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括所述入射信号的生成步骤，所述生成步骤包括S401和S402：
S401、生成多点的M序列或混沌序列。
根据前面所述的内容，本实施例中可以通过图1的M/混沌序列产生模块生成多点的M序列或混沌序列，M序列或混沌序列可为最大1024点的M/混沌序列。
S402、对所述M序列或混沌序列依次进行BPSK调制、信号放大、数模转换和高频滤波处理，得到所述入射信号。
根据前面所述的内容，本实施例中可以通过图1的信号调制模块、信号调理及防护模块等进行BPSK调制、信号放大、数模转换和高频滤波处理。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
根据所述相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
本实施例中，由于实际电缆工程施工过程中，其走线的环境、走向及传输的信号强弱等均会导致电缆中噪声会发生一定的变化，为了有效抑制这些随机噪声对SSTDR测试效果的影响，本实施例采用实时建立电缆的背景噪声库的方式，通过高速ADC以距离单元(即延迟时间)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，其背景噪声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反射信号与参考信号(即基准信号)相关后将得到一个峰值，再将其峰峰值与背景噪声库中的数据进行比较并结合大数据存储分析即可得知故障的状态和故障类型以及定位距离(从FPGA获取)。
结合图1以及前面在线电缆故障测试信号分离方法实施例的描述可知，本发明实施例应用了软件对消方式取代传统的硬件装置隔离方案，通过在LMS自适应滤波算法等自适应滤波算法的基础上综合运用电缆背景噪声库的方法，在无需任何类似定向耦合器的硬件装置条件下，实现了时域反射法(如TDR、STDR、SSTDR等)电缆故障测试的系统和过程中入射/反射信号的分离，并可降低对有效反馈目标信号的损伤，提高测试信号分析辨识度。如图4所示，该软件对消方法的步骤如下：
步骤一、M/混沌序列产生模块生成多点的M序列或混沌序列；
步骤二、信号调制模块、信号调理及防护模块对步骤一的M序列或混沌序列依次进行BPSK调制、信号放大、数模转换和高频滤波处理得到入射信号；
步骤三、向电缆发射一路入射信号，并同步发射一路与入射信号完全相同的基准信号给自适应噪声对消模块；
步骤四、自适应噪声对消模块接收返回信号，并结合基准信号通过LMS自适应滤波等算法滤除入射信号、系统噪声的影响，还原出反射信号；
步骤五、信号处理模块通过高阶累积量等相关算法计算入射信号与反射信号的传输时延，并将相关结果发送给背景噪声数据库及数据统计分析模块进行统计并建立背景噪声库；
步骤六、背景噪声数据库及数据统计分析模块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分析，并根据对比分析的结果继续进行监测或预警电缆的故障状态。具体地，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反射信号与参考信号(即基准信号)相关后将得到一个峰值，将该峰值与背景噪声库中的值(即背景库门限)进行比较，若该峰值小于背景库门限，则返回步骤三继续监测；若该峰值大于等于背景库门限，则可以结合步骤五计算出的传输时延以及电缆中的传播速度求出故障点处到测试点的距离(即故障定位距离)，同时还可以根据该峰值的大小、谱宽等结合大数据存储分析得知故障的状态和性质并进行预警。
如图5所示，本发明实施例提供了一种在线电缆故障测试信号分离系统，包括：
收发单元，用于对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，所述基准信号与所述入射信号相同；
分离单元，用于根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
时延确定单元，用于根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延；
定位单元，用于根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
本发明一实施例中，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
匹配单元，用于根据所述相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
如图6所示，本发明实施例提供了一种在线电缆故障测试信号分离装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法。
此外，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法被执行。
从上述内容可知，本发明以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。
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)

1.一种在线电缆故障测试信号分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，所述基准信号与所述入射信号相同；
根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
2.根据权利要求1所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法，其特征在于，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延；
根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
3.根据权利要求1所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法，其特征在于，所述的根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号，具体为：
以所述基准信号作为参考信号，对所述返回信号采用自适应滤波算法隔离所述入射信号和噪声，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
4.根据权利要求1所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法，其特征在于，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括所述入射信号的生成步骤，所述生成步骤包括：
生成多点的M序列或混沌序列；
对所述M序列或混沌序列依次进行BPSK调制、信号放大、数模转换和高频滤波处理，得到所述入射信号。
5.根据权利要求2所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法，其特征在于，所述在线电缆故障测试信号分离方法还包括：
根据相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
6.一种在线电缆故障测试信号分离系统，其特征在于，包括：
收发单元，用于对电缆发送入射信号，同步发送基准信号，并接收得到返回信号，其中，所述基准信号与所述入射信号相同；
分离单元，用于根据所述基准信号对所述返回信号进行噪声对消处理，得出所述入射信号经过所述电缆传输后返回的反射信号。
7.根据权利要求6所述的一种在线电缆故障测试信号分离系统，其特征在于，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
时延确定单元，用于根据所述入射信号和所述反射信号，经过相关运算处理后确定所述电缆中的传输时延；
定位单元，用于根据所述传输时延和所述电缆匹配的传输速度，确定故障点的定位距离。
8.根据权利要求7所述的一种在线电缆故障测试信号分离系统，其特征在于，所述在线电缆故障测试信号分离系统还包括：
匹配单元，用于根据相关运算处理后的数据和预设置的背景噪声库，匹配得出所述反射信号对应的故障类型。
9.一种在线电缆故障测试信号分离装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1～5任一项所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，包括计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得如权利要求1～5任一项所述的一种在线电缆故障测试信号分离方法被执行。
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