CN1666109A - 时－频域反射仪的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的在时域及频域内同时运作的高解析度反射仪的装置和方法。本方法依赖于时－频信号分析，利用了一个被一个高斯时间包络放大的尖鸣信号。该高斯包络提供时间定位，而该尖鸣信号使得被测试系统被一个覆盖一个特定频段的扫频正弦波激发。后述功能为用于测试通信电缆和系统的特殊功能。反射信号的高解析度检测由一个时－频交叉关联函数提供。一条导线/电缆上故障的高精度定位通过由该反射信号的频率偏移得到的时间延迟偏移的测量而取得的。本装置可以通过控制外围设备而对被测试导线/电缆执行一个自动诊断。本发明的时－频域反射仪可被用于广泛的要求高精度测量及测试的工业领域，如：通讯、仪表检测、材料工程、半导体以及航空航天等等。该时－频域反射仪可被直接使用在用于提高性能的商品仪器装置，如电缆检测仪及阻抗分析仪。该时－频域反射仪还可以为要求高解析度及精确度的智能配线系统及信号完整性问题提供一种改进的方案。另外，该时－频域反射仪还可以应用于时域反射仪(TDR)的传统应用领域，如地质/能源勘探、材料表面测试、雷达/声纳装置、通讯网络配线、光缆分析、远程勘探、流体管道泄漏检测、水位表等等。

Description

时-频域反射仪的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种新的设备和方法来检测在需要高可靠性的情况下，电系统或者电子系统中的传输线或者电缆中的故障。特别是涉及一种可以根据时/频域反射技术方法学。检测和高分辨的故障定位设备，其中该时/频域反射仪方法学可以同时考虑时间和频率，然而传统的设备或者方法仅仅只能依靠单独时间或者频率。因此，本发明能够在检测和定位各种类型的电缆或者传输线的故障时保证较高的精确性。

背景技术

一些对飞机坠落事故的研究已经充分强调了电气配线及相关故障的重要性。在导线中一个很小的故障可能引起电弧，这些电弧可能会对整个系统产生非常严重的损害。这个问题不仅仅局限于商用飞机，在由复杂的线路系统组成而且安全要求非常高的系统，比如军用飞机，航天飞机，核能源飞机和非常高的建筑物等等，都可能面临线路的问题。因此为了调查和维护线路系统，高解析度的故障检测是必要的。

对于仪表和测量工程来说，电缆或者传输线中故障的检测和定位，即电缆检测仪和阻抗或者网络分析仪的应用是一件非常重要的技术工作。同时电缆或者导线生产商也需要高解析度的故障检测和定位以保证他们的产品质量。

该反射仪是线路系统中对电缆的检测和定位诊断的基础。反射仪的原理是比较被发送的参考信号和来自导体故障处或者不连续处的反射信号来检测和定位。

对于线路/电缆故障的检测，当今的现有技术大致可以分为时域分析和频域分析。在时域分析中使用时域反射仪(TDR)，而在频域分析中使用频域反射仪(FDR)和驻波反射仪(SWR)。反射仪的应用被扩展到以光谱域反射仪(OFDR)而著称的光学。每一种方法学都是建立在对于参考信号和反射信号仅在时域或者仅在频域的准确分析。一些用来检测线路正常状态的基于商业电子设备的TDR在市场中可以找到。频域反射仪(FDR)和驻波反射仪(SWR)在频域中对参考信号和反射信号进行分析，并且基于SWR的系统正在发展中。

然而这些方法学存在一些技术问题，即在检测和定位故障时，由于时域反射仪和频域反射仪是依靠对反射信号仅仅在时域或者仅仅在频域进行分析，所以他们的解析度和精确度是有限的。

在TDR中，一种阶跃脉冲被应用到待测的传输线/电缆中，随后该阶跃脉冲会被任何故障的存在而被反射。然后该反射信号往返一次的时间可以根据对电波传播速率的了解而被转换为距离。这个方法的缺点是其解析度受限于脉冲波的增加时间。由于脉冲能量是在一个宽频的范围内传播的，因此TDR通常不适合用来研究电缆的射频(RF)特性，然而研究电缆的射频特性很多情况下都是非常重要的，比如当处理那些用于通信时的导线/电缆。

另一方面来说，FDR使用扫频信号来将参考或者探测信号的能量施加于目标RF频带内。FDR通过测量导体的输入波和反射波的不同相位来检测和定位导体的故障点和阻抗特性，其中，参考信号为一个正铉波。当导体中存在不匹配的时候，在两个信号之间中会有一个谐振产生。作为一种仅在频域内分析信号的方法，FDR的解析度的能力是有限的因为它的解析率是通过扫频的宽度来决定的。而且它还有一个缺点：由于噪音的存在，它对故障点的距离估算的精确度比TDR低。

发明内容

考虑到前述的缺点，本发明的目的是提供一种具有时-频域反射技术的装置，该设备可以在时域创建一个适于被测导体频域特性的输入信号。通过使用具有时/频域反射技术的设备同时在时域和在频域来研究反射信号和参考信号，从而来检测和定位故障。本发明介绍的新的方法是一种联合时-频域反射仪(TFDR)的技术，该反射仪具备上述所介绍的TDR和FDR技术中很多的优点。参考信号是一尖鸣信号，该尖鸣信号可以在目标频带上运用RF能源。为了提供时间限制，该尖鸣信号在时域内乘以一个高斯包络。参考信号的设计在时域和频域与其在现有的时域反射仪或者频域反射仪一样具有广义性：通过对时间和频率的限制，时-频域反射仪是时域反射仪和频域反射仪的混合。例如，在没有频扫而且高斯包洛持续时间太大的情况下，时-频域反射仪中的参考信号采用一个脉冲类似TDR中的参考信号的脉冲。类似地，对于高斯包洛持续时间非常小的情况下，时-频域反射仪中的参考信号会类似FDR中的扫频正铉参考信号。因此时-频域反射仪方案可以根据被测导线或者电缆的物理特性来提供灵活的应用。值得注意的是TDR的参考信号仅仅被局限于时域，然而FDR的参考信号仅仅被局限于频域。

为了检测和定位，首先需要计算参考信号和反射信号的时-频域分布。然后这两个信号的时-频分布在时域和频域被交叉关联。根据时-频域交叉关联函数的峰值可以计算出一个精确的往返传播时间，因此可以像传统的TDR技术一样计算出相应的距离。然而，对于一个高解析度的故障定位来说，测得的到达时间被可以转换为时间信息的反射信号的频率偏移补偿。对于高解析率的检测和故障定位来说，同时对待时域和频域的信息是时-频域反射仪特有的特征。而同FDR一样，本实验是在一个与该特定的被测试导线/电缆相关的RF频带内实施的。以下将详细的解释算法。

本发明的另一目的是提供时-频域反射仪的设备，通过在反射仪中使用一个新的方法来处理信号，即同时在时域和频域中创建和处理一个输入信号，本设备除了具有传统的检测和定位导体中故障的作用外，还具有很广的应用范围，例如地质/能源勘探，材料表面测试，雷达/声纳，通讯网络配线，光缆诊断，远程探测，流体管渗漏的检查，水位计等等。

为了取得上述目的，用于检测和定位的时-频域反射仪设备是由以下组件组成的：一台个人电脑(PC)，用来执行一个预设好的时-频域反射仪中的主要控制程序，一个装置控制程序，该程序可以控制用来产生参考信号和采集反射信号的外部仪器设备。该系统由一个循环器，一个波形发生器和数据取得装置组成，其中为了可以自动地控制设备，该数据取得装置通过GPIB电缆直接连接到电脑上。电脑控制波形发生器去产生一个高斯包洛尖鸣信号，该信号通过循环器被传播到需要测量的电缆。这个参考信号在故障点被反射回循环器。循环器使反射信号改变方向至数据取得装置。电脑控制并且同步波形发生器和数据取得装置，计算参考信号和反射信号的时-频域分布，并且执行时-频交叉关联算法。

附图说明

图1是一个显示根据本发明的一个时-频域反射仪的控制过程的结构图。

图2是解释本发明的，显示了作为该时-频域反射仪的参考信号的一个带有高斯包洛的尖鸣信号的时-频域分布。

图3是一个根据本发明的时-频域反射仪方法的算法过程的流程图。

图4是一个根据本发明的GUI程序控制的屏幕快照的例子。

图5表示了根据本发明的W_s(t，ω)(参考信号)，W_s(t-t_d，ω)(传输信号)和W_n(x)(t，ω)(反射信号)的时-频域分布。

图6表示了根据本发明的一个实施例对一个带有故障的同轴电缆进行测试仿真而采用的试验仿真配置。

图7显示了图6的实验中，各个信号的时-频分布的时间(a)和频率(b)的边界。(注意到，为了易于说明，各个信号均被进行了标准化，时间中心被移到了参考信号的时间中心。)

图8说明了正常和故障状态下，图6的实验中的同轴电缆在振幅(a)和相位(b)特性上的频率响应。

图9显示了有故障的同轴电缆上有故障的节点1处时间域内的反射波的波形(a)和时间域内传播的波在没有故障的节点2处的波形。

图10显示了有故障的同轴电缆上有故障的节点1处输入参考信号和反射波的时-频域交叉关联函数(a)及图9所示节点2处无故障传播的波形。

100：个人电脑(PC)                 110：设备控制程序

120：时-频域反射仪检测及估算公式  130：控制程序处理器

200：数字信号处理(DSP)            300：测试波形发生器

400：数据采集器(DAI)              500：图形用户界面程序

600：被测试电缆/导线              700：循环器

具体实施方式

下面将结合附图及实施例详细结识本发明的结构。

图1是一个显示根据本发明的时-频域反射仪装置的控制过程的结构图。

如上所述，数字100为个人电脑，是执行本发明的时-频域反射仪装置中主要程序的设备。

数字200为数字信号处理器，用来计算时-频域分布函数。

数字300为测试波形发生器，为被测导线/导体产生输入参考信号。

数字400为数据采集器，采集被测导线/导体的反射信号以及由测试波形发生器通过循环器产生的输入信号，并且将采集到的数据进行存储。

当执行检测和定位的时候，上述的测试波形发生器300产生输入参考信号——尖鸣信号。尖鸣信号是一种随着时间消逝而进行线性变化的信号。此处采用的该尖鸣信号是一种随时间频率线性升高的信号。

本发明中，尖鸣信号与高斯包洛相乘所以时-频域中的定位可以被完成(图2)。被产生的参考信号可以用下式清楚的表达：

$s\left(t\right)={(\mathrm{\α}/\mathrm{\π})}^{1/4}{e}^{-\mathrm{\α}{(t-t_0)}^2/2+\mathrm{j\β}{(t-t_0)}^2/2+j{\mathrm{\ω}}_0(t-t_0)}$

此表达式中，时间t和t₀分别表示时间和初始时间，α表示高斯常数，β表示频率增加率，ω₀表示角速率。

用于发生信号的参数值通过测试波形发生器300和PC100的通用接口总线(GPIB)程序来应用，而参考信号发生的操作是通过PC100来控制的。发生的输入参考信号这样被应用到被测的导线/电缆中，并在其中遇到故障，该信号的其余部分还将进一步传输。示波器从各自的信道分别捕捉到了反射信号和传输信号后，将他们显示在屏幕上，该操作也是通过接口总线(GPIB)程序来控制的。而且，被采集的数据作为一个数字文件被存储在PC100上，以便执行检测和定位算法。输入的参考信号的参数值可以在测试过程中甚至在一个触发操作中被PC100依据导线/电缆的衰减特性来修改。

处理器控制程序130通过接口总线(GPIB)电缆从电脑中接收到2个输入文件后，并将其传送给数字信号处理器200。数字信号处理器200将信号[S(t)]的信息与由示波器捕捉的数据进行比较来检测被测导线/电缆中的故障，然后使用数字信号处理程序的时-频域反射仪的检测和DSP程序的时-频域反射仪检测及估算公式120来计算并定位故障。通过使用用户界面程序500可以简单地控制电脑100和外围设备，例如监视器，键盘和按钮等等。如图4(1)所示，通过用户界面程序500可以将不同导体600的输入波、输出波等等的参数值显示在显示器上；如图4(2)所示，理想的尖鸣信号的构造可以用输入参数代替；如图4(3)(4)所示，输入信号和输出信号的波形被直观地表示出来；可视化的分析和一个结果值的表示数字可如图4(5)所示实现；整个外围设备的控制可以通过简单的键盘输入和按钮敲击来实现。

图3是一个根据本发明的时-频域反射仪方法的算法过程的流程图。如图3所示，根据本发明的时-频域反射仪方法，即根据本发明的检测及定位被测导线/电缆中的故障的方法由以下步骤组成：在被测导线/电缆通过电缆连接到系统上且系统被初始化之后，用GUI输入被测导线/电缆600的物理和电特性(S10)；根据被测导线输入值估算反射波的大小和相位后，在频域内选择一个适合被测导线/电缆估算特性的频域(S11)；选择一个最小的时间分布(S12)，该时间分布满足在上述已选定的频域内被选择的频率和时间之间的不确定性原理；通过用选定的时间分布的高斯包洛与发生在被选择的频域内的尖鸣信号的乘积来构建一个最佳的输入参考信号(S13)；在上述被建立的波形通过GPIB被传输到波形发生器300后，通过测试波形发生器300为需进行物理测试的被测导线/电缆600产生一个参考信号(S14)；存储从数据采集仪400经过被测导线/电缆600的反射波波形(S15)，并且与参考信号发生的步骤同步，以文件的形式传输波形到内部程序；为了一个快速运算，靠信号处理器200由接收到的波形信号计算得出一个时-频域分布函数(S16)；在时-频交叉关联函数已经通过输入信号和反射波的时-频域分布函数计算得出后，根据被输入的被测导线/电缆的电磁特性检测导线/电缆600中的故障(S17)；如果故障被诊断出来的话，通过时-频域相互函数定位反射波(S18)；在被定位的时间延迟、反射波的频率转移被由上述定位的信号的时-频分布函数的边界计算出来，并且信号的失真已经被创建的信号的时-频域增长率补偿后，估算故障在被测导线/电缆中正确的位置(S19)。

下面将更详细地介绍本时-频域反射仪。与现有技术相比，本发明采用了一种改进的输入信号和处理方法从而具有较高的精确性。也就是说，本发明创建的输入信号是一种时间定位的尖鸣信号，其具有以下的特点：该输入信号是在时域和频域上具有高斯分布特性的驻波，所以它可以即可以在时域又可以在频域内被分析，而且具有有限带宽，其频率线性变化。由于该信号的外形具有高斯分布的特性，所以与使用脉冲波的时域反射仪(TDR)相比，该时-频域反射仪针对散射、脉冲扩散、噪音和失真而言具有较高的准确性。

再者，TDR仅在时域中解释输入波和输出波从而检测和定位被测导线/电缆的故障，而频域反射仪(FDR)和驻波波反射仪(SWR)仅在频域中分析输入波和输出波来检测和定位被测导线/电缆的故障。与这些技术相比，本发明中被创建的输入信号是既可以在时域又可以在频域中被分析，因此与只能在时域或者频域中分析信号的技术来比，本发明具有较高的准确性。

而且，本发明提供一种时-频域反射仪(TFDR)，该技术在时域和频域同时分析输入信号。为了对在本发明中创建的输入信号和反射信号进行解释，本发明使用了魏格纳(Wigner)分布，该分布是一种表现信号在时域和频域分布的函数。本发明的输入信号可以用以下表达式描述：

$s\left(t\right)={(\mathrm{\α}/\mathrm{\π})}^{1/4}{e}^{-\mathrm{\α}{(t-t_0)}^2/2+\mathrm{j\β}{(t-t_0)}^2+j{\mathrm{\ω}}_0(t-t_0)----\left(1\right)}$

其中α表示高斯分布的宽度因数，β表示频率增长率的时间系数。一个信号在时间轴上的一个时间中心(t_s)及一个时间长度(T_s)可通过公式(1)得到：

t_s＝∫t|s(t)|²dt＝t₀

进一步，频率轴上的一个频率中心(ω₀)及一个带宽(B_s)如下所示可由输入信号经傅立叶变换得到：

$S\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{\sqrt{\mathrm{\α}}}{\sqrt{\mathrm{\π}(\mathrm{\α}-\mathrm{j\β})}}}{e}^{-\frac{{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2}{2(\mathrm{\α}-\mathrm{j\β})}}----\left(3\right)$

ω_s＝∫ω|S(ω)|²dω＝ω₀ ${B_s}^2={\∫(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2{\left|S\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2\mathrm{d\ω}=\frac{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}{2\mathrm{\α}}----\left(4\right)$

同样，一个反射信号在时间轴上的一个时间中心(t_r)及一个时间长度(T_r)，和一个反射信号在频率轴上的一个频率中心(ω_r)及一个带宽(B_r)可利用公式(2)及公式(4)得到。

相应地，为了使一个输入信号可被应用于一个被测试目标导线/电缆，应该通过选择该信号的参数α、β、及ω而将其设计为符合被测试导线/电缆的频率衰减特性。一个信号的一个参数确定过程包括以下步骤：

1、得到(被测试的一条导线/电缆的特性)大小及相差；

2、根据频域内的尺寸衰减选择一个最大频率；

3、根据AWG的频(带)宽及最大频率下的按频率差异的波形分流仪器选择一个最小频率；

4、在选择一个时域宽度大于上述选择的频(带)宽的倒数之后确定参数α；及

5、通过计算选定时间段内最低频率及最高频率之间的频率增长率来确定β。

为了评估该标准化时-频交叉关联函数(C_sr(t))的检测与定位，该参考及反射信号的魏格纳分布将通过如下方程进行评估：

${W(t,\mathrm{\ω})=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\∫s}^{*}(t-\frac{1}{2}\mathrm{\τ})s(t+\frac{1}{2}\mathrm{\τ})e^{-\mathrm{j\τ\ω}}\mathrm{d\τ}----\left(5\right)$

其中W_s(t，ω)表示输入信号的魏格纳分布。得到输入参考信号的魏格纳分布如下方程：

$W_s(t,\mathrm{\ω})=\frac{1}{\mathrm{\π}}{e}^{-\mathrm{\α}{(t-t_0)}^2-{(\mathrm{\ω}-\mathrm{\β}(t-t_0)-{\mathrm{\ω}}_0)}^2/\mathrm{\α}}----\left(6\right)$

在对输入参考信号及反射信号的魏格纳分布进行评估之后，得到用于检测及定位的时-频交叉关联函数如下：

$C_{\mathrm{sr}}\left(t\right)=\frac{1}{E_s{E}_r\left(t\right)}{\∫}_{t^{\′}=t-T_s}^{t^{\′}=t+T_s}{\∫W}_s(t,\mathrm{\ω})W_r(t^{\′}-t,\mathrm{\ω})\mathrm{d\ωd}{t}^{\′}----\left(7\right)$

E_s＝∫∫W_s(t′，ω)dωdt $E_r\left(t\right)={\∫}_{t^{\′}=t-T_s}^{t]=t+T_s}{W}_r(t^{\′},\mathrm{\ω})\mathrm{d\ωdt}----\left(8\right)$

上面提供的时-频交叉关联函数测量参考信号与反射信号间的时-频分布的随时间变化的相似性。因此，该反射信号的存在将被0与1之间一个数值检测到。一条导线/电缆上的一个故障可根据这种反射信号的存在而被确认。

然而，为了对该故障进行高精度的定位，需对由导线/电缆引起的该反射信号的失真进行分析。该反射信号的失真是传统时域反射仪和频域反射仪定位误差的内在来源。而在时-频域反射仪中，由频率衰减引起的误差可由结合频率偏移对时间偏移进行的评估进行补偿。下面考虑参考信号在被测试导线/电缆内的传播。

当信号随空间变量x沿媒介传播时，波形将被媒介的传输函数H(ω，x)改变。假设u(x，t)为一个自远处观测的波形，对于一个给定初始状态，u(x，t)＝s(t)，u(x，t)的变化可由下式描述：

$u(x,t)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\∫S(\mathrm{\ω},x)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}----\left(9\right)$

这样，一个频域内的一个输入信号在前进x之后可被通过一个初始输入信号与媒介传输函数的乘积表示。进一步，因为媒介的一个传输函数由α(ω)——频率衰减，及k(ω)——散射决定，可得到如下公式：

H(ω，x)＝Ce^{-(α(ω)-jk(ω))x}    C：标准化参数    (10)

因此，得到在媒介内传送了距离x的输入参考信号如下：

$H(x,t)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\∫S(\mathrm{\ω},x=0)H(\mathrm{\ω},x)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}----\left(11\right)$

当输入信号通过一条导线/电缆在无频率衰减的情况下传播时，被传送信号保持域初始状态相同的形状，而仅有一个时间延迟t_d，与在被测试导线/电缆中传播距离相对应。然而，输入参考信号在其在媒介内(如本实验中被测试导线/电缆)的传送过程中存在一个频率衰减。特别地，高频衰减在被测试导线/电缆中变得明显，此现象导致该输入信号在时间轴上时间中心及频率轴上频率中心分别移动到新的t_u(x)、ω_u(x)，从而导致故障定位的误差。

因为输入信号被构造为一个α(ω)和k(ω)的线性部分，可以认为 $\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\≅\mathrm{A\ω},k\left(\mathrm{\ω}\right)\≅\mathrm{K\ω}.$ 由此，可得到输入信号在媒介内传播时在一个新时间轴上的时间中心t_u(x)如下：

$t_{u\left(x\right)}=\∫t{\left|u(x,t)\right|}^2\mathrm{dt}----\left(12\right)$

$=\mathrm{Re}{[\∫S}^{*}(\mathrm{\ω},x)(-\frac{1}{j}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\ω}}S(\mathrm{\ω},x))\mathrm{d\ω}]=\mathrm{Kx}----\left(13\right)$

其中υ表示频率为ω_u(x)时输入信号在媒介中的传播速度。同样可得到频率轴上的频率中心ω_u(x)，如下：

${\mathrm{\ω}}_{u\left(x\right)}=\∫\mathrm{\ω}{\left|S\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2\mathrm{d\ω}----\left(14\right)$

$={\mathrm{\ω}}_0-\frac{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^3}{\mathrm{\α}}\mathrm{Ax}={\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\δ\ω}----\left(15\right)$

因此，被尖鸣信号的β因数和δω补偿过的延时，即实波的输入信号如下：

$t_d=t_{u\left(x\right)}-t_s+\frac{\mathrm{\δ\ω}}{\mathrm{\β}}=\mathrm{\Δt}+\mathrm{\δt}----\left(16\right)$

通过总结以上得到的值，可以得到如图5所示的一个时-频域分布图。可以由以上数据得到被测试的一条导线/电缆上故障位置(d_f)及该被测试导线/电缆总长(d_t)的相关信息如下：

$d_f=\frac{v\·t_d}{2},d_t=v\·t_d----\left(17\right)$

图6、7及8显示了根据本发明的一个实施例的一条被测试导线/电缆的实际实验的实验环境。图6显示了根据本发明的一个实施例的一条需要测试的被测试导线/电缆的实验的示意性构建。图7显示了图9中各个信号的时-频域分布的时域(a)及频域(b)边界。(注意到各个分布为了易于表示而进行了标准化。时间中心移动到了参考信号的时间中心处。)图8以幅度(a)及相位(b)显示了本实验中被测试导线/电缆的物理特性。

在示范性的实验中，由高级设计系统(ADS)配置了一条实际被测试的(RG)-141型号导线/电缆：一个根据本发明设计的输入参考信号被应用于被测试导线/电缆上，然后，通过按照之前介绍的处理方法处理输入信号及反射信号进行导线/电缆中故障的检测及定位的操作。

一条被测试导线/电缆的正常状态下的特性数据可以方便地由该被测试导线/电缆的制造商处得到。因此，这些数据可以被用来设计适合的输入参考信号，如依照下列参数：

尖鸣信号的时间长度：30ns

频率带宽：900MHz(100MHz-1GHz)

频率扫描：线性增长 $(\mathrm{\β}=\frac{900\mathrm{MHz}}{30\mathrm{ns}})$

当上述输入信号沿该被测试导线/电缆传递时，可利用一个示波器在图9所示的节点1和节点2处分别得到反射信号及被传递信号的信息。表1中总结了利用公式(7)中该时-频交叉关联函数得到的实验结果数据。由此实验结果可以得到反射信号单独的定位，由每个信号的时-频域分布，可以得到每个信号在时间轴上的一个时间中心t_s、在频率轴上的一个频率中心f_s、该信号的一个时间长度T_s及一个频率带宽B_s。得到表1中数据的处理过程可总结如下：

(1)图8中所示的参考信号及反射信号的时间序列可用示波器得到。

(2)反射信号的存在由用于在时域内定位的时-频交叉关联函数确定。

(3)每个信号可通过用时-频关联函数测量输入信号与反射信号之间的相似性，并利用一个门槛值将其分类来进行定位。

(4)然后，每个被定位的信号被通过魏格纳分布在一个时-频域内进行表达，并投影在时-频轴上，以得到图10中所示结果。

(5)表1中由一个结果得到的数值将被用于时间偏移评估，此时间偏移将由频率偏移转换得到。通过实验得到的实验结果数据总结如表1：

表1：

	参考信号	反射信号	传递信号
				时间中心(ts，ns)	71.94	360.11	361.14
持续时间(Ts，ns)	20.17	18.30	21.05
				频率中心(Fs，GHz)	0.6039	0.5352	0.5778
频率带宽(Bs，GHz)	0.3960	0.3432	0.4245

因为该被测试导线/电缆相对介电常数为ε_r＝2.1，所以输入信号在媒介中的传播速度为：

$v=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}=\frac{3\×{10}^8}{\sqrt{2.1}}=2.07\×{10}^8(m/\sec )----\left(18\right)$

由输入信号在时间轴上的时间中心(t_s＝71.97)及反射信号在时间轴上的时间中心(t_r＝360.11)，可以得到一个时间差Δt＝360.11  71.9＝288.17ns。一个故障的位置可以直接由上述得到，如下：

$d=\frac{v\·\mathrm{\Δt}}{2}=\frac{2.07\×{10}^8\·288.17\×{10}^{-9}}{2}=29.8256\left(m\right)$

通过对由一个媒介造成的失真进行补偿而定位一个故障的方法如下：

δt是公式(16)中的δt＝δf/β。

因为δf表示一个输入信号及一个反射信号的频率中心之间的差异，δf＝0.6039    0.5352＝0.0687(GHz)。因为β被设为3.00×1016Hz/sec，在输入信号被构造后，可以得到

$\mathrm{\δt}=\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\β}}=\frac{0.0687\×{10}^9}{3.00\×{10}^{16}}=2.29\left(\mathrm{ns}\right)$

因此，由公式(16)可以得到一个结果t_d＝Δt+δt＝288.17+2.29＝290.46(ns)。

由公式(17)，可以得到该故障的一个定位如下：

$d_f=\frac{v\·t_d}{2}=\frac{(2.07\×{10}^8)\·(290.46\×{10}^{-9})}{2}=30.00\left(m\right)$

因为反射信号的信息也由实验得到，可以同样方法得到该被测导线/电缆总长度的信息。

输入信号与被传递的信号之间的Δt可从表1中得到，如下

δt＝361.14-71.94＝289.20(ns)。类似地，输入信号与被传递信号之间的δt可由δt＝δf/β得到。因为输入信号与被传递信号之间的δf为δf＝0.6038-0.5778＝0.0261(GHz)，可以得到

$\mathrm{\δt}=\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\β}}=\frac{0.0261\×{10}^9}{3.00\×{10}^{16}}=0.87\left(\mathrm{ns}\right)$

因此，d_t＝v·t_d＝(2.07×10⁸)·(290.07×10^-9)＝60(m)可作为一个结果得到，这可以确保得到误差小于0.2％的被测试导线/电缆上的一个故障的定位。

虽然以上参考一个具体的实施例及被测导线/电缆对本发明进行了介绍，并不意味着本发明受此示范性应用的限制，因为本时-频域反射仪的一个主要特点既是根据被测试导线/电缆而得到的参考信号的设计的灵活性。然而，只要该参考信号被设计为既在时域内同时又在频域内，均可有效地实行高解析度的检测及高精确度的定位。

工业实用性

如以上所介绍的，本发明提供了一种新型的时-频域反射(TFDR)方法，其中一个输入信号被构造为在考虑时域及频域的情况下适合于一条被测导线/电缆，然后利用一种时-频分析方法分析了被测导线/电缆上故障处的输入信号及反射信号。

时-频域反射仪是一种基于一种先进的信号处理，即时-频分析的新的仪器及测量技术。多数现有的反射仪仪器及测量装置都是或者仅基于时域或者仅基于频域来进行故障检测、定位及阻抗测量的。这就限制了精确度及解析度。然而，组合的时-频域反射仪可将反射仪同时使用于时域以及频域内，因此可以得到更高的精确度及解析度。因此，时-频域反射仪可被应用于要求高度准确的测量及测试的工业领域中，如通讯、仪表检测、材料工程、半导体以及航空航天等等。

除可用于导电设备的诊断外，它还可以被应用于要求高度安全性的系统中，如飞机及航天飞机工业、地质/能源勘探、材料表面测试、雷达/声纳装置、通讯网络配线、光缆分析、远程勘探、流体管道泄漏检测、水位表等等，以对这些系统进行实时的诊断及监控，并通过对系统进行有效的辅助自动维护而提高整体系统的稳定性。进一步，该时-频域反射仪可被直接地应用于商用仪器设备，以提高其功效，如电缆测试仪及阻抗分析仪。另外，该时-频域反射仪还可以为要求高解析度及精确度的智能配线系统及信号完整性问题提供一种改进的方案。

Claims (9)

1、一种时-频域反射仪，用于检测及定位一个导电体上故障，其特征在于该装置包括：

一条有故障或有限长度的被测试导线/电缆600；

一个强制波形发生器300，用于为前述被测试导电体产生一个已设计的时域及频域输入参考信号；

一个数据采集器400，用于存储上述参考信号及来自于上述被测试导电体600的前述反射信号，并将存储的文件传送到一台个人电脑的一个设备控制程序110；

一台个人电脑(PC)100，可进行一个预定的时-频域反射仪的主控制程序操作，还包括：

一个设备控制程序110，用于控制数据采集器，确定时间延迟、电压偏移及一个波形的取样水平，并构造一个输入信号；

一个时-频域分析控制程序120，用于分析上述参考信号及从上述导线/电缆反射的上述波形数据的时-频域；及

一个数字信号处理器控制程序130，用于接收经一个通用功能接口总线(GPIB)输入到上述数据采集器400的上述参考信号及上述反射波的上述文件，然后将其传送到一个数字信号处理器200；及

一个数字信号处理器200，用于利用一个上述时-频域分析控制程序120的DSP程序进行运算，通过计算上述反射信号的时-频域分布函数，检测并定位上述导电体上的故障。

2、根据权利要求1所述的时-频域反射仪，其特征在于由前述波形发生器300产生的前述输入参考信号为一个尖鸣信号，其具有一个带有选定时间分布及选定频域的高斯包络，其频率随时间变化。

3、根据权利要求1或2所述的时-频域反射仪，其特征在于其中所述的数据采集器400将上述输入信号及上述反射信号的数据值以文件的形式存储为两个热向量，分别表示一个时间值及一个电压值。

4、根据权利要求3所述的时-频域反射仪，其特征在于其中所述的数字信号处理器200根据来自于上述PC100的输入信号的时-频域分布函数及上述反射波形的时-频域分布函数计算时-频交叉关联函数；并进一步根据时-频域交叉关联函数计算故障的存在及位置。

5、一种时-频域反射仪方法，用于测量一个有限长度的导电体的总长度，其特征在于该方法包括以下步骤：

构成一个同时存在于一个时域及一个频域的输入信号；

产生上述构造的输入信号；

将上述产生的输入信号输入到上述导电体中；

接受来自于上述导电体的反射波形；及

将上述接收到的反射波形传送到一台个人电脑(PC)。

6、根据权利要求5所述的用于检测及定位一条导线/导电体上故障的时-频域反射仪方法，其特征在于其中所述的输入信号的时间段、频(带)宽及频率中心是考虑上述导体的衰减特性及期望的测量长度而构造的。

7、根据权利要求6所述的用于检测及定位一个导电体上故障的时-频域反射仪方法，其特征在于其中上述的输入信号为一个带有选定时间分布及选定频域的高斯包络的尖鸣信号。

8、根据权利要求5至7中任意一项所述的用于检测及定位一个导电体上故障的时-频域反射仪方法，其特征在于其中上述的时-频域反射仪方法包括以下步骤：

通过测量上述输入信号的上述反射波形，计算上述反射波形及上述输入信号的时-频分布函数；

计算上述反射波形及上述输入信号的上述时-频分布函数的时-频交叉关联函数；

根据上述时-频交叉关联函数，计算上述输入信号的时间中心与上述反射波形的时间中心的时间差；及

通过将上述导电体中波的传播速度乘以上述时间差来计算故障的位置或距离。

9、根据权利要求5至7中任意一项所述的用于检测及定位一条导线/电缆上故障的时-频域反射仪方法，其特征在于其中上述时-频域反射方法包括以下步骤：

通过测量上述输入信号的上述反射波形，计算上述反射波形及上述输入信号的时-频分布函数；

计算上述反射波形及上述输入信号的上述时-频分布函数的时-频交叉关联函数；

根据上述时-频交叉关联函数，计算上述输入信号的时间中心与上述反射波形的时间中心的时间差；

根据上述时-频交叉关联函数，定位上述输入信号及上述反射信号的时-频分布函数；

通过计算上述输入信号与上述反射信号间的频率转移来计算时间偏移，并在从上述被定位的输入信号及上述反射信号的时-频分布函数的频域得到该频率边界后，将上述输入信号及上述反射信号间的上述频率转移除以上述构造的输入信号的时-频增长率；

通过将上述时间差与上述时间偏移相加，计算一补偿时间差；及

通过将上述导电体中波的传播速度乘以上述补偿时间差，计算故障的位置或距离。

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