CN115600097A - 基于全相位fft的海底电缆缺陷定位方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置及系统。通过对待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱中选取的采样点进行全相位快速傅里叶变换，该海底电缆缺陷定位方法、装置及系统抑制了频域泄露现象，提升了缺陷识别定位的准确率和分辨率；进一步地，本发明提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置及系统还通过对首端反射系数取对数，从而显化局部缺陷的反射峰，进一步提升缺陷的可识别性。
Description
技术领域
本发明涉及基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位技术领域，尤其涉及一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质及系统。
背景技术
电缆故障引发的电力事故危害极大。电缆是埋设于地下的特殊输电线路，敷设环境复杂，传统手段不便于直接观察、检测并发现缺陷。因此在电缆交接或停电检修时，通过快捷、无损的方式及时发现电缆敷设或运行产生的缺陷，变得尤为重要。
在现有技术中，通常对电缆的首端反射系数谱实部进行加窗FFT处理，通过窗函数可以在一定程度上抑制“频域泄漏”，提高缺陷的识别能力。
但是，现有技术仍存在如下缺陷：窗函数会使反射主峰变宽，降低定位分辨率，同时当海缆较长或者接头个数较多时，由于高频信号衰减原因，电缆接头的识别能力较弱。
因此，当前需要一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而克服现有技术中存在的上述缺陷。
发明内容
本发明实施例提供一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而提升大长度海底电缆缺陷的定位精确性。
本发明一实施例提供一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，所述海底电缆缺陷定位方法包括：采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱；根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度；根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
作为上述方案的改进，根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：获取所述首端频域反射系数谱的中心采样点；根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数。
作为上述方案的改进，根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：以所述中心采样点为采样中心，采用二阶Blackman自卷积窗，从所述首端频域反射系数谱中采取预设数量的采样点；根据预设的全相预处理方法对所述采样点进行预处理，获取采样点序列；对所述采样点序列进行快速傅里叶变换，获取频率分量以及对应的首端反射系数。
作为上述方案的改进，所述频率长度转换公式为：
式中，f为频率分量，ν为所述待缺陷定位海底电缆中电磁波波速。
作为上述方案的改进，所述二阶Blackman自卷积窗的表达式为：
式中，N为采样点的个数。
作为上述方案的改进，所述海底电缆缺陷定位方法还包括：根据预设的缺陷显化公式，对所述首端反射系数进行取对数处理。
作为上述方案的改进，所述缺陷显化公式为：S'＝20*log(abs(S))；式中，S为所述首端反射系数，S‘为取对数处理后的首端反射系数。
本发明另一实施例对应提供了一种所述海底电缆缺陷定位装置，所述海底电缆缺陷定位装置包括采集获取单元、缺陷计算单元、绘制定位单元，其中，所述采集获取单元用于采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱；所述缺陷计算单元用于根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度；所述绘制定位单元用于根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
作为上述方案的改进，所述缺陷计算单元还用于：获取所述首端频域反射系数谱的中心采样点；根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数。
作为上述方案的改进，所述缺陷计算单元还用于：以所述中心采样点为采样中心，采用二阶Blackman自卷积窗，从所述首端频域反射系数谱中采取预设数量的采样点；根据预设的全相预处理方法对所述采样点进行预处理，获取采样点序列；对所述采样点序列进行快速傅里叶变换，获取频率分量以及对应的首端反射系数。
本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
本发明另一实施例提供了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位系统，所述海底电缆缺陷定位系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
与现有技术相比，本技术方案存在如下有益效果：
本发明提供了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，通过对待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱中选取的采样点进行全相位快速傅里叶变换，该海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质以及系统抑制了频域泄露现象，提升了缺陷识别定位的准确率和分辨率。
进一步地，本发明提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法、装置、计算机可读存储介质以及系统还通过对首端反射系数取对数，从而显化局部缺陷的反射峰，进一步提升缺陷的可识别性。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置的结构示意图。
具体实施方式
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作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。
根据传输线理论，当电磁波的波长远小于网络的物理尺寸时，需要用分布参数对网络进行表示。因此当电缆长度较长或信号频率较高时，可设计电缆等效电路，其中R、L、G、C分别为电缆单位长度的电阻、电感、电容和电导。
在长度为l的电缆中，任意位置处的反射系数(公式一)定义为：
式中：ZL为负载阻抗。当电缆末端开路时(ZL＝∞)，反射系数(公式二、公式三)可以表示为：
Γ＝e-2γ(l-z)＝e-2α(l-z)e-2β(l-z)；
其中：γ为传播常数；ν为电缆中电磁波波速；α为衰减常数；β为相位常数。结合欧拉公式对公式二变换得公式四：
Γ＝e2α(z-l)[cos(2β(z-l))+j sin(2β(z-l))]；
仅考虑公式4中实部的三角函数部分(公式五)：
当电磁波频率f较高时，电缆中电磁波波速ν可以用常数近似表示，由于公式五是以频率f为自变量的函数，考虑时频的等效性，可以将f作为时间变量，则公式五可视为等效频率为2(l-z)/v的三角函数。对于电缆首端(z＝0)的反射系数，等效频率2l/v恰为电缆终端反射所需的时间，可将其等效为电缆末端l。当电缆存在缺陷时，缺陷处也会产生反射信号，从而在反射系数谱中出现其他等效频率分量。
基于上述思路和技术原理，为了进一步描述本发明的技术方案，将通过以下三个实施例进行示例性但不限定性地说明。
具体实施例一
本发明实施例首先描述了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。图1是本发明一实施例提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法的流程示意图。
如图1所示，所述海底电缆缺陷定位方法包括：
S1:采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱。
直接利用矢量网络分析仪在海底电缆首端测试，得到频域下的首端反射系数谱Γ(n)。
S2:根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度。
在获取频域下的首端反射系数谱后，即可确认中心采样点以及采样点的个数。采样点数的多少仅仅只是对应了采集得到的反射系数谱的精细程度，采样点数越多，得到的反射系数谱中细节信息越多，采样时间越长；采样点数越少，细节信息越少，采样时间越短。此外，为了便于数据进行卷积，需要将采样点数设置为奇数。
在一个实施例中，根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：获取所述首端频域反射系数谱的中心采样点；根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数。
在对比分析Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、2阶Blackman自卷积窗的幅频特性后，本发明实施例选用最佳的2阶Blackman自卷积窗wblackman·2(n)作为APFFT所需的窗函数，采样点数为N。
为了获取各个采样点对应的纵坐标，以根据该纵坐标以及后续转换计算得到的横坐标确定各个采样点是否存在缺陷反射峰，在一个实施例中，根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：以所述中心采样点为采样中心，采用二阶Blackman自卷积窗，从所述首端频域反射系数谱中采取预设数量的采样点；根据预设的全相预处理方法对所述采样点进行预处理，获取采样点序列；对所述采样点序列进行快速傅里叶变换，获取频率分量以及对应的首端反射系数。其中，频率分量所对应的数值包括虚部和实部，在本发明实施例中仅将实部描述为首端反射系数。
在一个实施例中，全相预处理方法具体为：将采样点序列中的第1项和N+1项，第2项和N+2项…第N-1项和第2N-1项相加；其中，采样点为以中心采样点为中心所采取的前后N个点。
在一个实施例中，所述二阶Blackman自卷积窗的表达式为：
式中，N为采样点的个数。
在一个实施例中，所述频率长度转换公式为：
式中，f为频率分量，ν为所述待缺陷定位海底电缆中电磁波波速。首端反射系数谱实部S中等效频率为2l/v的位置即为电缆末端。
S3:根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
为了使得微弱缺陷处的反射峰幅值更大，便于观察和识别，在一个实施例中，所述海底电缆缺陷定位方法还包括：根据预设的缺陷显化公式，对所述首端反射系数进行取对数处理。
在一个实施例中，所述缺陷显化公式为：
S'＝20*log(abs(S))；
式中，S为所述首端反射系数，S‘为取对数处理后的首端反射系数。
本发明实施例描述了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，通过对待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱中选取的采样点进行全相位快速傅里叶变换，该海底电缆缺陷定位方法抑制了频域泄露现象，提升了缺陷识别定位的准确率和分辨率；进一步地，本发明实施例描述的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法还通过对首端反射系数取对数，从而显化局部缺陷的反射峰，进一步提升缺陷的可识别性。
具体实施例二
除上述方法外，本发明实施例还公开了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置。图2是本发明一实施例提供的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置的结构示意图。
如图2所示，所述海底电缆缺陷定位装置包括采集获取单元11、缺陷计算单元12、绘制定位单元13。
采集获取单元11用于采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱。
缺陷计算单元12用于根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度。
在一个实施例中，缺陷计算单元还用于：获取所述首端频域反射系数谱的中心采样点；根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数。
在一个实施例中，缺陷计算单元还用于：以所述中心采样点为采样中心，采用二阶Blackman自卷积窗，从所述首端频域反射系数谱中采取预设数量的采样点；根据预设的全相预处理方法对所述采样点进行预处理，获取采样点序列；对所述采样点序列进行快速傅里叶变换，获取频率分量以及对应的首端反射系数。
绘制定位单元13用于根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
在一个实施例中，所述海底电缆缺陷定位装置还包括缺陷显化单元，所述缺陷显化单元用于：根据预设的缺陷显化公式，对所述首端反射系数进行取对数处理。
在一个实施例中，所述缺陷显化公式为：
S'＝20*log(abs(S))；
式中，S为所述首端反射系数，S‘为取对数处理后的首端反射系数。
其中，所述海底电缆缺陷定位装置集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。即，本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，单元之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明实施例描述了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置及计算机可读存储介质，通过对待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱中选取的采样点进行全相位快速傅里叶变换，该海底电缆缺陷定位装置及计算机可读存储介质抑制了频域泄露现象，提升了缺陷识别定位的准确率和分辨率；进一步地，本发明实施例描述的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置及计算机可读存储介质还通过对首端反射系数取对数，从而显化局部缺陷的反射峰，进一步提升缺陷的可识别性。
具体实施例三
除上述方法和装置外，本发明实施例还描述了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位系统。
所述海底电缆缺陷定位系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明实施例描述了一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位系统，通过对待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱中选取的采样点进行全相位快速傅里叶变换，该海底电缆缺陷定位系统抑制了频域泄露现象，提升了缺陷识别定位的准确率和分辨率；进一步地，本发明实施例描述的一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位系统还通过对首端反射系数取对数，从而显化局部缺陷的反射峰，进一步提升缺陷的可识别性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，所述海底电缆缺陷定位方法包括：
采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱；
根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度；
根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
2.根据权利要求1所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：
获取所述首端频域反射系数谱的中心采样点；
根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数。
3.根据权利要求2所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，根据预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，以所述中心采样点为采样中心对所述首端频域反射系数谱进行采样和数据处理，获得频率分量以及对应的首端反射系数，具体包括：
以所述中心采样点为采样中心，采用二阶Blackman自卷积窗，从所述首端频域反射系数谱中采取预设数量的采样点；
根据预设的全相预处理方法对所述采样点进行预处理，获取采样点序列；
对所述采样点序列进行快速傅里叶变换，获取频率分量以及对应的首端反射系数。
4.根据权利要求3所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，所述频率长度转换公式为：
式中，f为频率分量，ν为所述待缺陷定位海底电缆中电磁波波速。
5.根据权利要求4所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，所述二阶Blackman自卷积窗的表达式为：
式中，N为采样点的个数。
6.根据权利要求5所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，所述海底电缆缺陷定位方法还包括：
根据预设的缺陷显化公式，对所述首端反射系数进行取对数处理。
7.根据权利要求6所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法，其特征在于，所述缺陷显化公式为：
S'＝20*log(abs(S))；
式中，S为所述首端反射系数，S‘为取对数处理后的首端反射系数。
8.一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位装置，其特征在于，所述海底电缆缺陷定位装置包括采集获取单元、缺陷计算单元、绘制定位单元，其中，
所述采集获取单元用于采集待缺陷定位海底电缆的首端频域反射系数谱；
所述缺陷计算单元用于根据所述首端频域反射系数谱、预设的自卷积窗以及预设的采样处理方法，获得频率分量以及对应的首端反射系数，并根据所述频率分量以及预设的频率长度转换公式，计算获得电缆长度；
所述绘制定位单元用于根据所述电缆长度以及所述首端反射系数，绘制缺陷定位曲线，并根据所述缺陷定位曲线对所述待缺陷定位海底电缆进行缺陷定位。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
10.一种基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位系统，其特征在于，所述海底电缆缺陷定位系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的基于全相位FFT的海底电缆缺陷定位方法。
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| CN115600097B (zh) | 2024-02-13 |
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