CN115902529A - 基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置，所述方法包括：获得在高频下电缆的特性阻抗；建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，所述参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到所述电缆的缺陷类型。本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置，可以进行电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

Description

基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电缆缺陷检测技术领域，特别是涉及一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置。

背景技术

海底电缆的敷设环境是复杂多变的，因此海底电缆易受海底结构、自然灾害、海洋生物、船锚等因素的影响而造成故障；并且，海底电缆处于高水压、高湿度、高盐度的海洋环境，随着运行年限的增长，海底电缆局部会发生缺陷，例如，形变、外部破损、水树或接头受潮等，从而导致海底电缆整体绝缘性下降，如果不能够及时发现并处理，缺陷会逐渐发展为故障，严重时甚至会造成击穿事故。

目前，电缆缺陷的检测大多基于时域反射法或频域反射法实现，但基于时域反射法或频域反射法实现的电缆缺陷检测基本只能进行缺陷处的定位检测，而无法进行缺陷类型的检测或识别，此为电缆缺陷的排查带来了极大的不便，并且也为电缆缺陷的处理增加了困难。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置，可以进行电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，包括：

获得在高频下电缆的特性阻抗；

建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，所述参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；

基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到所述电缆的缺陷类型。

在本发明较佳的实施方式中，所述获得在高频下电缆的特性阻抗，包括：

根据电缆等效分布参数电路模型，计算得到在高频下电缆的特性阻抗。

在本发明较佳的实施方式中，所述建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数，包括：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，分别计算得到所述电缆传输模型中多个反射位置的传递函数；

根据多个所述反射位置的传递函数，计算得到电缆传递函数。

在本发明较佳的实施方式中，所述建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数，包括：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

利用行波法对所述电缆传输模型中的缺陷进行定位，得到缺陷定位结果；

基于所述缺陷定位结果、所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数。

在本发明较佳的实施方式中，在所述基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置之前，所述方法还包括：

选取高斯包络线性可调频信号作为参考信号，根据所述电缆的参数信息对所述参考信号中相应参数进行调整。

在本发明较佳的实施方式中，所述基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，包括：

基于参考信号及所述电缆传递函数，获得对应的包络线；

从时域上利用所述包络线，检测得到所述电缆的缺陷位置。

在本发明较佳的实施方式中，所述基于参考信号及所述电缆传递函数，获得对应的包络线，包括：

以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号；

根据所述入反射叠加信号，求取获得对应的包络线。

在本发明较佳的实施方式中，所述以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号，包括：

以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到反射信号；

以所述入射信号及所述反射信号之和，计算得到入反射叠加信号。

在本发明较佳的实施方式中，所述根据所述入反射叠加信号，求取获得对应的包络线，包括：

对所述入反射叠加信号求取希尔伯特变换，并求取对应的模值，获得对应的包络线。

第二方面，本发明提供了一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置，包括：

获取模块，用于获得在高频下电缆的特性阻抗；

模型处理模块，用于建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

缺陷位置检测模块，用于基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，所述参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；

缺陷类型检测模块，用于基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到所述电缆的缺陷类型。

本发明实施例一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置，通过建立的含缺陷段的电缆传输模型及获取的电缆的特性阻抗，计算了电缆传递函数，并以预设的高斯包络线性可调频信号作为参考信号，基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置，以及基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型，较好地实现了电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例提供的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的电缆等效分布参数电路模型的示意图；

图3是本发明实施例提供的含缺陷段的电缆传输模型的行波反射示意图；

图4是本发明实施例提供的高斯包络线性可调频信号的示意图；

图5是本发明实施例提供的不同中心频率对时域波形影响的示意图；

图6是本发明实施例提供的不同脉宽对时域波形影响的示意图；

图7是本发明实施例提供的不同频带宽度对时域波形影响的示意图；

图8a是本发明实施例提供的在仿真验证中与电缆局部特性阻抗增加对应的仿真定位及识别结果图；

图8b是本发明实施例提供的在仿真验证中与电缆局部特性阻抗减小对应的仿真定位及识别结果图；

图8c是本发明实施例提供的在仿真验证中与电缆过度电阻接地对应的仿真定位及识别结果图；

图8d是本发明实施例提供的在仿真验证中与电缆短路对应的仿真定位及识别结果图；

图8e是本发明实施例提供的在仿真验证中与电缆开路对应的仿真定位及识别结果图；

图9是本发明实施例提供的在实验验证中32000m海底电缆未去噪时的时域测试波形图；

图10是本发明实施例提供的在实验验证中32000m海底电缆经小波去噪后的时域测试波形图；

图11是本发明实施例提供的在实验验证中32000m海底电缆的时域包络结果的示意图；

图12是本发明实施例提供的在实验验证中32000m海底电缆的包络线定位结果的示意图；

图13是本发明实施例提供的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

目前，电缆缺陷的检测大多基于时域反射法或频域反射法实现，但基于时域反射法或频域反射法实现的电缆缺陷检测基本只能进行缺陷处的定位检测，而无法进行缺陷类型的检测或识别，此为电缆缺陷的排查带来了极大的不便，并且也为电缆缺陷的处理增加了困难。

针对上述现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法及装置，可以进行电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

参见图1，图1是本发明实施例提供的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法的流程示意图。

本发明实施例中下述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法适用于常规电缆的缺陷检测，也适用于且尤其适用于海底电缆的缺陷检测，其可应用于计算机设备。

可以理解地，在进行电缆缺陷检测时，若电缆中存在某处缺陷已经发展为故障，那么对应于该处的电缆缺陷检测也可视为电缆故障检测，相应地，该处的电缆缺陷位置即为电缆故障位置，该处的电缆缺陷类型即为电缆故障类型。

在一个实施例中，本发明提供一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，包括如下步骤：

步骤S110，获得在高频下电缆的特性阻抗。

在一个实施例中，计算机设备在获得在高频下电缆的特性阻抗时，可根据工作人员输入的在高频下电缆的特性阻抗获得。

在一个实施例中，计算机设备在获得在高频下电缆的特性阻抗时，可根据如图2所示的电缆等效分布参数电路模型，计算得到在高频下电缆的特性阻抗；

具体地，电缆是一种典型的传输线，基于传输线理论，信号在电力电缆上进行传输时，可通过传输线理论对信号在电缆中的传输特性进行说明；当电缆长度远大于信号波长时，则将电缆用如图2所示的分布参数电路模型表示；因趋肤效应和邻近效应的影响，电缆单位长度Δl的电阻R(Ω/m)和电感L(H/m)可近似表示为：

电缆单位长度Δl的电导G(S/m)和电容C(F/m)可表示为：

其中，ω为角频率，r_c、r_s分别为电缆的缆芯半径和屏蔽层内半径，ρ_c、ρ_s分别为电缆的缆芯电阻率和屏蔽层电阻率，μ₀为真空磁导率，σ、ε分别为电介质的电导率和介电常数；

根据基尔霍夫定律对图2所示的分布参数电路模型进行分析可得：

通过对上式微分方程进行求解，可得电缆在距离首端l处的电压U和电流I的表达式为：

其中，U⁺e^-γl、U^-e^γl分别表示电压波的正方向及负方向传播，γ为电缆本身的传播常数，Z₀为电缆的特征阻抗，也称为特性阻抗；其中，

在高频情况下，电缆的特性阻抗可视为电感L与电容C的比值，且为一个恒定值，即：

对于上述电缆本身的传播常数γ，其可通过电缆的衰减常数α、相位常数β以及电磁波在电缆中传播的固定波速度v进一步表示为：

其中，在高频条件下的均匀传输线中，电缆的波速度v的表达式为：

其中，c₀＝3×10⁸m/s，为真空中电磁波的传播速度，μ_r、ε_r分别为绝缘材料的相对磁导率和相对介电常数，可见在高频条件下电缆波速度几乎唯一恒定值，主要由电缆本身的材料特性所决定。

步骤S120，建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数。

在一个实施例中，在计算机设备基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数时，基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，通过分析行波传播过程，计算得到电缆传递函数。

可以理解地，当电缆中不含缺陷段时，行波仅在电缆末端发生一次反射，记末端反射系数为ρ，则有：

其中，Z_L为电缆的负载阻抗；

当电缆末端开路时(即Z_L＝∞)，此时ρ＝1，会发生全反射；对应地，电缆首端反射系数Γ(ω)或电缆传递函数H(ω)为：

当电缆发生局部缺陷时会形成阻抗不连续点，根据行波理论，行波在电缆中传输时会发生一系列的折反射，电缆首端反射系数也会发生相应的改变。

在一个实施例中，建立的含缺陷段的电缆传输模型如图3所示，如图3所示的含缺陷段的电缆传输模型为长度为l的单缺陷电缆传输模型；

在基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数时，可利用行波法对电缆传输模型中的缺陷进行定位，得到缺陷定位结果；基于缺陷定位结果、电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

具体地，在采用行波法对如图3所示的含缺陷段的电缆传输模型进行定位时，仅需要信号单次折反射结果，即可得到缺陷定位结果；为了简化计算，本实施例中，仅对单次折反射过程进行推导；

如图3所示，将电缆分三段进行分析，其中l为电缆总长，l-l₂为电缆第一段长度，l₂-l₁为电缆第二段长度，l₁为电缆第三段长度，对应l₁、l₂、l处的反射系数分别为ρ₁、ρ₂、ρ，其中ρ₁、ρ₂的计算公式如下：

其中，Z₁为电缆缺陷处的特征阻抗，由上述计算公式可知ρ₂＝-ρ₁，因此后续计算采用-ρ₁代替ρ₂；

根据ρ₁的计算公式可知，当该位置特性阻抗大于电缆本体特性阻抗时，此时ρ₁大于0，该位置会产生和入射信号极性一致的反射信号，即产生正极性的反射波；同理，当该位置特性阻抗变小时，此时ρ₁小于0，该位置会产生和入射信号极性相反的反射信号，即产生负极性的反射波；

在本实施例中，可选地，在基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数时，可基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，分别计算得到电缆传输模型中多个反射位置的传递函数；根据多个反射位置的传递函数，计算得到电缆传递函数；

进一步地，在本实施例中，电缆在单缺陷情况下，电缆传递函数可表示为：

H(ω)＝H₁(ω)+H₂(ω)+H₃(ω)

其中，H₁(ω)为仅考虑末端反射时的传递函数，H₂(ω)为仅考虑缺陷末端l₂处反射的传递函数，H₃(ω)为仅考虑缺陷首端l₁处反射的传递函数，H(ω)为整体传递函数；

在本实施例中，H₁(ω)、H₂(ω)、H₃(ω)即为电缆传输模型中多个反射位置的传递函数，H(ω)即为电缆传递函数，电缆传递函数通过多个反射位置的传递函数之和计算得到。

在一个实施例中，通过分析行波传播过程，采用行波法对含缺陷段的电缆传输模型的缺陷进行定位，能便于电缆传递函数的计算，并使得计算的电缆传递函数较为准确，进而能有利于电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测；

并且，通过计算电缆传输模型中多个反射位置的传递函数，再根据多个反射位置的传递函数计算得到电缆传递函数的方式，充分地考虑了电缆中多个不同的反射位置，可以使得计算的电缆传递函数更为准确，进而能使得电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测更为精准。

步骤S130，基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置，参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号。

在一个实施例中，在步骤S130之前，本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，还可包括如下步骤：

选取时频域反射法采用的高斯包络线性可调频信号作为参考信号，根据电缆的参数信息对参考信号中相应参数进行调整。

可以理解地，调整后的高斯包络线性可调频信号即为高斯包络线性可调频信号。

在本实施例中，选取高斯包络线性可调频信号作为参考信号，根据电缆的参数信息对参考信号中相应参数进行调整可通过信号发生器及示波器进行。

在本实施例中，选取的高斯包络线性可调频信号可如图4所示，可对其频带范围进行任意调整，其数学表达式为：

其中，α决定参考信号的宽度，α与脉宽呈反比关系，即α越大脉宽越窄；β决定参考信号的频率带宽，β与频带宽度呈线性关系，即β越大频带越宽，可视为时频分布的斜率；ω₀为中心角频率，与中心频率f₀的关系为ω₀＝2πf₀，t₀为可调频参考信号的中心时间，t为时间变量；

参考信号在时域上的时间中心t_s以及脉宽的持续时间T_s的计算公式如下：

参考信号在频域上的频率中心ωs和频带宽度bs的计算公式如下：

其中，S(ω)为时域参考信号s(t)通过求取傅里叶变换得到，其表达式为：

在对参考信号进行设计选取时，依据电缆的长度、材料等特性，对波形的中心频率f₀，信号的脉宽T_s，频带宽度b_s进行调节，对于不同中心频率、不同脉宽、不同频带宽度分别对参考信号的影响，可如图5—7所示；由上述计算公式，可对参考信号s(t)进行的参数α、β进行计算，

以下对参考信号的不同参数选择时，时频域反射法的参考信号的时域波形变化情况，以及针对电缆局部缺陷定位检测时所应该选取的波形参数进行说明，参考信号的参数设定主要与电缆的长度、材料以及衰减因素相关，检测时需要保证对缺陷识别的时频分辨率最佳，进而能够完整地反映局部缺陷的位置信息，避免出现波形混叠现象；同时要让参考信号在电缆中传输的衰减损耗尽可能的小；

当电缆长度较短时，应将参考信号的中心频率f₀设置的较高，避免信号在传播过程中的波形混叠，从而保证此时能够完整的对缺陷进行分辨；同时当电缆长度较长时，由于信号高频分量在电缆中传播时的衰减较大，若选用中心频率较高的参考信号会导致末端反射的能量极低，若此时缺陷距离检测端较远，极有可能因为能量损耗而导致无法探测；因此针对长距离电缆，为减少信号高频损失的影响，需要选择较低的中心频率，以保证能够对整根电缆进行探测；

虽然较高的中心频率在电缆中传播的衰减较大，但高频意味着参考信号的脉宽可以尽可能的小，可避免波形混叠现象，此时波形的空间分辨率更高，可较好识别电缆局部的微弱缺陷；因此在实际检测中可根据电缆具体情况对参考信号的波形参数进行调整，对此可见图5；

中心频率也会对参考信号的脉宽有一定的影响，当选择了一个固定的中心频率时，信号脉宽越大，波形的振荡次数将会越多，当信号脉宽较小时，波形振荡次数随之变少，甚至会造成参考信号波形的畸变，对此可见图6；

而参考信号的频带宽度同时受到信号脉宽和中心频率的影响，频宽越大会使得波形在时域上出现频变，即波形的左右两个半侧频率会发生改变，对此可见图7；

为了更好地对电缆的局部缺陷进行定位检测，参考信号的波形应该尽量保持对称性，由上述不同参数设置下的时域波形可知，中心频率需要满足一定的频率、信号脉宽需要满足一定的时宽，才可以使得参考信号波形满足较好的时域分辨细节；同时频率带宽不应过大，否则会导致波形的畸变。

在一个实施例中，通过对高斯包络线性可调频信号的调整，可以提升检测、测试效果，使得检测、测试效果达到最佳。

在一个实施例中，在计算机设备基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置时，可基于参考信号及电缆传递函数，获得对应的包络线；从时域上利用包络线，检测得到电缆的缺陷位置。

在本实施例中，可选地，在计算机设备基于参考信号及电缆传递函数，获得对应的包络线时，可以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号；根据入反射叠加信号，求取获得对应的包络线；

进一步地，在以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号时，可以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到反射信号；以入射信号及反射信号之和，计算得到入反射叠加信号；在根据入反射叠加信号，求取获得对应的包络线时，可对入反射叠加信号求取希尔伯特变换，并求取对应的模值，获得对应的包络线；

具体地，根据上述的电缆传递函数可得，当入射信号为参考信号s(t)时整段电缆反射信号可以表示为：

r(t)＝IFFT[H(ω)·FFT(s(t))]

即是入射信号s(t)经过傅里叶变换到频域后与电缆传递函数H(ω)相乘，然后整体进行傅里叶反变换，变换到时域得到反射信号r(t)；

入反射叠加信号为y(t)＝s(t)+r(t)，通过对入反射叠加信号y(t)求取希尔伯特变换，并求取对应的模值，可获得入反射叠加信号的包络线，其求取公式如下：

y_up(t)＝abs[Hilbert(y(t))]

y_down(t)＝-abs[Hilbert(y(t))]

其中，abs表示取模，y_up(t)表示上包络线，y_down(t)表示下包络线。

在一个实施例中，在从时域上利用包络线，检测得到电缆的缺陷位置时，包络线峰值处即为电缆的缺陷位置。

在一个实施例中，通过上述的方式可以极为准确地获得对应的包络线，进而可以在从时域上利用包络线，极为准确地检测得到电缆的缺陷位置，大大地提升电缆缺陷处的定位检测效果。

步骤S140，基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型。

在一个实施例中，电缆的缺陷/故障类型包括局部特性阻抗增加、局部特性阻抗减小、过渡电阻接地、短路以及开路，其中，局部特性阻抗增加、局部特性阻抗减小为电缆的缺陷类型；过渡电阻接地、短路以及开路为电缆的故障类型，因为在进行电缆缺陷检测时，电缆中存在缺陷已经发展为故障，因而检测得到的即为电缆的故障类型。

在一个实施例中，包络线包络区域中心对应的极性变化，即为电缆的缺陷/故障类型对应的波形，不同的电缆的缺陷/故障类型对应的波形分别是：当局部特性阻抗增加时，对应波形为“左正右负”；当局部特性阻抗减小时，对应波形为“左负右正”；经过渡电阻接地时，对应波形为单极性负峰；短路对应波形为单极性负峰；开路对应波形为单极性正峰。

在一个实施例中，通过上述包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型的方式，可以较为准确地检测得到电缆的缺陷/故障类型。

本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法进行了仿真验证，以下以一仿真验证实例对本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法进行相关说明。

本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，以500m长单缺陷的500kV充油海底电缆为建模仿真对象，在位置200m处设置不同状态的电缆样本(编号1－5号)，并进行数值仿真，其参数如下表：

需要说明的是，在检测得到电缆的缺陷位置时，即说明电缆的缺陷位置是阻抗不连续点，阻抗不连续点的类型即为电缆的缺陷/故障类型；

根据上述计算公式设置参考信号s(t)的参数，信号脉宽T_s＝8×10^-8s，频带宽度b_s＝1MHz，中心频率f₀＝10MHz，中心时间t₀＝0.5μs，采样频率f_s＝200MHz；

为了得到仿真电缆传输模型中反射信号，利用电缆传递函数即电缆的首端反射系数进行计算，首先通过对输入信号s(t)求取快速傅里叶变换并与电缆传递函数H(ω)进行卷积，再对卷积过后的结果通过快速傅里叶反变换进行计算，以此得到反射信号r(t)的时域波形；对入反射叠加信号y(t)求取希尔伯特变换，并求取其模值，即可获得入反射叠加信号的上、下包络线y_up(t)和y_down(t)，进而求得1-5号电缆模型入反射叠加信号的时域包络结果、包络定位结果，如图8a-图8e所示；

利用时频域反射法与包络线结合，框定局部缺陷反射特征，由于包络线峰值最大点与参考信号的时间中心相对应，因此可以根据包络线轴对称线左右两侧的波峰波谷以及包络线进行判断；

当局部电容减小时，对应区域局部特性阻抗增加，如图8a所示，在包络线轴对称线左侧出现正峰，右侧出现负峰，即“先正后负”；

当局部电容增大时，对应区域局部特性阻抗减小，如图8b所示，在包络线轴对称线左侧出现负峰，右侧出现正峰，即“先负后正”；

当经过渡电阻接地时，如图8c所示，在包络线中心位置即缺陷处反射波时间中心出现负峰；

当发生短路故障时，如图8d所示，在包络线中心位置出现负峰；

当发生开路故障时，如图8e所示，在包络线中心位置出现正峰，与电缆首、末端开路状态反射特征一致。

为实验验证本发明，本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法进行了实验验证，对某500kV充油海底电缆作为检测对象，该海底电缆总长32000m，在实际工程检测中，采集时域波形如图9所示，经自适应小波阈值去噪算法处理后，得到如图10所示时域波形；对应地，应用本发明基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，得到的时域包络结果如图11所示，对应的包络线定位结果如图12所示；

由图11所示时域包络结果可知，由于该海底电缆中间不存在缺陷，因此仅对该海底电缆末端特征进行判断，检测时，该充油海底电缆为断线状态，因此末端处于开路状态，图11中末端正极性与仿真结果相互印证。

上述基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，尤其适用于海底电缆的缺陷检测，其通过建立的含缺陷段的电缆传输模型及获取的电缆的特性阻抗，计算了电缆传递函数，并以预设的高斯包络线性可调频信号作为参考信号，基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置，以及基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型，较好地实现了电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

为了执行上述实施例对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置。

参见图13，图13是本发明实施例提供的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置的结构框图。

在一个实施例中，本发明的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置，包括：

获取模块210，用于获得在高频下电缆的特性阻抗；

模型处理模块220，用于建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

缺陷位置检测模块230，用于基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置，参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；

缺陷类型检测模块240，用于基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型。

上述基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置，尤其适用于海底电缆的缺陷检测，其通过建立的含缺陷段的电缆传输模型及获取的电缆的特性阻抗，计算了电缆传递函数，并以预设的高斯包络线性可调频信号作为参考信号，基于参考信号及电缆传递函数，检测得到电缆的缺陷位置，以及基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到电缆的缺陷类型，较好地实现了电缆缺陷处的定位检测及电缆缺陷类型的检测，进而可以便于电缆缺陷的排查，并且也为电缆缺陷的处理减少了困难。

在一个实施例中，获取模块210，可具体用于：

根据电缆等效分布参数电路模型，计算得到在高频下电缆的特性阻抗。

在一个实施例中，模型处理模块220，可具体用于：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

基于电缆传输模型及电缆的特性阻抗，分别计算得到电缆传输模型中多个反射位置的传递函数；

根据多个反射位置的传递函数，计算得到电缆传递函数。

在一个实施例中，模型处理模块220，可具体用于：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

利用行波法对电缆传输模型中的缺陷进行定位，得到缺陷定位结果；

基于缺陷定位结果、电缆传输模型及电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数。

在一个实施例中，本发明的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置，还可包括：

信号选取模块，用于选取高斯包络线性可调频信号作为参考信号，根据电缆的参数信息对参考信号中相应参数进行调整。

在一个实施例中，缺陷位置检测模块230，可具体用于：

基于参考信号及电缆传递函数，获得对应的包络线；

从时域上利用包络线，检测得到电缆的缺陷位置。

在本实施例中，缺陷位置检测模块230在基于参考信号及电缆传递函数，获得对应的包络线时，可：

以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号；

根据入反射叠加信号，求取获得对应的包络线。

可选地，缺陷位置检测模块230在以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号时，可：

以参考信号为入射信号及电缆传递函数，计算得到反射信号；

以入射信号及反射信号之和，计算得到入反射叠加信号。

可选地，缺陷位置检测模块230在根据入反射叠加信号，求取获得对应的包络线时，可：

对入反射叠加信号求取希尔伯特变换，并求取对应的模值，获得对应的包络线。

上述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置可实施上文中的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法。上述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置实施例的具体限定及其余内容可参见上文中基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法的内容，实施例中不再进行赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read－Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，包括：

获得在高频下电缆的特性阻抗；

建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，所述参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；

基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到所述电缆的缺陷类型。

2.根据权利要求1所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述获得在高频下电缆的特性阻抗，包括：

根据电缆等效分布参数电路模型，计算得到在高频下电缆的特性阻抗。

3.根据权利要求1所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数，包括：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，分别计算得到所述电缆传输模型中多个反射位置的传递函数；

根据多个所述反射位置的传递函数，计算得到电缆传递函数。

4.根据权利要求1所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数，包括：

建立含缺陷段的电缆传输模型；

利用行波法对所述电缆传输模型中的缺陷进行定位，得到缺陷定位结果；

基于所述缺陷定位结果、所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数。

5.根据权利要求1所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，在所述基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置之前，所述方法还包括：

选取高斯包络线性可调频信号作为参考信号，根据所述电缆的参数信息对所述参考信号中相应参数进行调整。

6.根据权利要求1所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，包括：

基于参考信号及所述电缆传递函数，获得对应的包络线；

从时域上利用所述包络线，检测得到所述电缆的缺陷位置。

7.根据权利要求6所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述基于参考信号及所述电缆传递函数，获得对应的包络线，包括：

以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号；

根据所述入反射叠加信号，求取获得对应的包络线。

8.根据权利要求7所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到入反射叠加信号，包括：

以参考信号为入射信号及所述电缆传递函数，计算得到反射信号；

以所述入射信号及所述反射信号之和，计算得到入反射叠加信号。

9.根据权利要求7所述的基于时频域反射法的电缆缺陷检测方法，其特征在于，所述根据所述入反射叠加信号，求取获得对应的包络线，包括：

对所述入反射叠加信号求取希尔伯特变换，并求取对应的模值，获得对应的包络线。

10.一种基于时频域反射法的电缆缺陷检测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获得在高频下电缆的特性阻抗；

模型处理模块，用于建立含缺陷段的电缆传输模型，并基于所述电缆传输模型及所述电缆的特性阻抗，计算得到电缆传递函数；

缺陷位置检测模块，用于基于参考信号及所述电缆传递函数，检测得到所述电缆的缺陷位置，所述参考信号为预设的高斯包络线性可调频信号；

缺陷类型检测模块，用于基于包络线包络区域中心对应的极性变化，检测得到所述电缆的缺陷类型。

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