WO2018079912A1 - 반사파 처리 장치 - Google Patents

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WO2018079912A1
WO2018079912A1 PCT/KR2016/013482 KR2016013482W WO2018079912A1 WO 2018079912 A1 WO2018079912 A1 WO 2018079912A1 KR 2016013482 W KR2016013482 W KR 2016013482W WO 2018079912 A1 WO2018079912 A1 WO 2018079912A1
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reference signal
reflected
cable
reflection
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PCT/KR2016/013482
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손송호
한상철
양형석
임성우
신용준
이건석
방수식
이영호
권구영
Original Assignee
한국전력공사
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Publication date
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    • G01R31/11—Locating faults in cables, transmission lines, or networks using pulse reflection methods
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis

Definitions

  • the present invention relates to a reflected wave processing apparatus.
  • the echo measurement method is a method of diagnosing and checking a cable constituting a power system by measuring a signal reflected after applying a constant signal to the cable.
  • the propagation of an electrical signal in a cable is determined by the resistance, inductance, and capacitance of the cable characteristics, and the change in local impedance generates a reflected wave at that change point when an electrical signal is applied. Therefore, the echo measurement method analyzes the waveform of the reflected wave and detects the cable abnormality and its position.
  • Time Domain Reflectometry TDR
  • Frequency Domain Reflcetometry FDR
  • TFDR Time-Frequency Domain Reflectomertry
  • the time domain reflected wave measurement method analyzes the reflected wave in the time domain by applying a step signal or a pulse signal having a resolution in a time width.
  • a sine wave having a resolution in the frequency domain is applied to a cable to analyze the reflected wave in the frequency domain.
  • Time-frequency domain echo measurement is a method of diagnosing cable defects with higher accuracy by solving the limitations of methods of analysis in both time and frequency domains.
  • the time-frequency domain echo processing apparatus inputs a reference signal and analyzes the reflected waves obtained from the object under test.
  • a chirp signal that increases in frequency linearly with time is used as a reference signal, and the reflected signal returned from the impedance change point together with the reference signal is returned in time-frequency domain. Analyze using the Wigner-Ville distribution and correlation function.
  • Patent Document 1 proposes an alternative method of overlapping signals of different frequency domains orthogonal to each other within one time width.
  • this method can improve the resolution, but the error caused by the loss of the high frequency component generated through the loss medium still remains a problem.
  • the chirp signal whose frequency increases with time is used as the reference signal, it is reduced by a predetermined time from the delay time (td) of the original reflected signal, and the error caused by this increases as the cable length increases. Needs to be.
  • the general time-frequency domain echo processing method uses a localized Wigner-Ville distribution in the data processing of signals acquired through the waveform acquisition device.
  • Wigner-Ville distribution cross-term is generated at a point corresponding to the arithmetic mean of the position of the reference signal and the reflected signal and a position corresponding to the arithmetic mean between frequencies.
  • Patent Document 2 proposes an alternative method of calculating a localized Wigner-Ville distribution by using a moving window and moving the unit sample.
  • Patent Document 2 calculates using a moving window localized only in the time domain, and there is a problem that a frequency component other than the bandwidth of the interference component or the reference signal occurring in the same time zone deteriorates the performance of the time-frequency domain reflected wave treatment method ( Korean Patent Registration No. 10-1579896, Domestic Patent Application No. 10-2015-0155058).
  • An object of the present invention is to provide a reflection wave processing apparatus capable of accurately detecting a delay time of a reflected signal and removing the influence of interference components.
  • a reflection wave processing apparatus includes a reference signal generator that provides a cable with a first reference signal whose frequency increases with time and a second reference signal whose frequency decreases with time, a first reference signal, and A reflection signal acquisition unit may acquire a first reflection signal and a second reflection signal reflected from the cable according to the provision of a second reference signal, and a signal analyzer to analyze the first reflection signal and the second reflection signal.
  • the reflection wave processing apparatus can accurately detect a delay time of a reflected signal and can accurately determine a defect in a cable by removing an influence caused by interference components.
  • FIG. 1 is a block diagram of a reflection wave processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a connection state between a reflection wave processing apparatus and a cable according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a reflected wave processing method according to an embodiment of the present invention.
  • 4 and 5 are graphs of a reference signal and a reflected signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a Wigner-Ville distribution calculation method according to an embodiment of the present invention.
  • the reflected wave processing apparatus 10 of the present invention may include a reference signal generator 100, a reflected signal acquirer 200, and a signal analyzer 300.
  • the echo processing apparatus may include at least one processing unit and a memory.
  • the processing unit may include, for example, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microprocessor, an application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate arrays (FPGA), and the like. It may have a plurality of cores.
  • the memory may be volatile memory (eg, RAM, etc.), nonvolatile memory (eg, ROM, flash memory, etc.), or a combination thereof.
  • the reference signal generator 100 may generate a reference signal provided to the cable 20.
  • the reference signal generator may include an arbitrary waveform generator.
  • the reference signal may include a first reference signal and a second reference signal.
  • the reflection signal acquisition unit 200 may acquire a reflection signal reflected from the cable 20.
  • the reflected signal acquisition unit 200 may include a digital storage oscilloscope.
  • the reflected signal may include a first reflected signal and a second reflected signal.
  • the signal analyzer 300 may control generation of a reference signal of the reference signal generator 100, analyze a reflected signal provided from the reflected signal acquirer 200, and determine a defect position of the cable 20. have.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a connection state between a reflection wave processing apparatus and a cable according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the reflected wave processing apparatus 10 may be connected to the cable 20 through the connector 30.
  • the cable 20 may include a former 21, a conductive layer 22, an insulating layer 23, and a shielding layer 24.
  • the former 21, the conductive layer 22, the insulating layer 23, and the shielding layer 24 may be sequentially disposed in the cable 20.
  • the former 21 bypasses the accident current at the occurrence of an accident
  • the conduction layer 22 is formed of a superconductor to conduct operating current
  • the insulation layer 23 is formed of polypropylene laminated paper (PPLP). Insulating the conductive layer 22 and the shielding layer 24 to maintain the operating voltage.
  • the shielding layer 24 may be formed of a superconductor to induce a shield current and shield magnetic field emission.
  • the reflected wave processing apparatus 10 may be connected to the conductive layer 22 and the shielding layer 24 of the cable 20.
  • Each of the conductive layer 22 and the shielding layer 24 may include a wire rod bundle composed of a plurality of wire rods, and the reflection wave processing apparatus 10 may be connected to the wire rod bundle.
  • the reference signal generator 100 of the reflected wave processing apparatus 10 may be connected to the superconductor of the conductive layer 22 through an anode of the connector 30 to provide a reference signal
  • the reflected signal acquirer 200 May be connected to the superconductor of the shielding layer 24 through the cathode of the connector 30 to obtain a reflected signal.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a reflected wave processing method according to an embodiment of the present invention.
  • the reference signal generator 100 generates a first reference signal and a second reference signal, and provides the generated first reference signal and the second reference signal by a cable.
  • the first reference signal may be a positive-chirp (up-chirp) signal whose frequency increases with time
  • the second reference signal may be a negative-chirp (down-chirp) signal whose frequency decreases with time. have.
  • the reflection signal acquisition unit 200 may acquire the first reflection signal and the second reflection signal reflected from the cable 20. It may be (S320).
  • the first reflected signal corresponds to the signal reflected when the first reference signal is provided to the cable
  • the second reflected signal corresponds to the signal reflected when the second reference signal is provided to the cable.
  • the first reference signal and the second reference signal may be provided at different timings. Specifically, after the first reference signal is provided and the first reflected signal is obtained, the second reference signal may be provided and the second reflected signal may be obtained.
  • the signal analyzer 300 may analyze the first reflection signal and the second reflection signal (S330).
  • FIG. 4 is a graph of a reference signal and a reflected signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows the first reference signal Ws (t, w), the ideal first reflected signal Ws (t-td, w), and the actual first reflected signal Wr (t, w).
  • 5 shows the second reference signal Ws (t, w), the ideal second reflected signal Ws (t-td, w) and the actual second reflected signal Wr (t, w) according to an embodiment of the present invention. )).
  • Equation (1) a signal reaching the position x in the cable at a time t may be expressed as Equation (1).
  • S (w, x) represents a signal in the frequency domain
  • H (w, x; T) represents a frequency attenuation characteristic and dispersion degree of the cable according to the length and temperature of the cable.
  • A which stands for Attenuation Constant
  • K which stands for Wave Number. have.
  • Equation 2 the center frequency at the position x of the cable may be expressed according to Equation 2 below.
  • the delay time is reduced by ⁇ t more than the delay time td of the ideal first reflection signal in the case of the actual first reflection signal, and in the case of the actual second reflection signal, It can be seen that the delay time increases by ⁇ t more than the delay time td of the second reflected signal.
  • the signal analyzer 300 may cancel the delay time ⁇ t having different codes by arithmetically averaging the first reflected signal and the second reflected signal. Therefore, the signal analyzer 300 of the present invention may calculate the time delay value and the center frequency value from which the error is removed by correcting the time delay value and the center frequency value. The signal analyzer 300 may accurately determine whether the cable is defective or the defect location by using the time delay value and the center frequency value from which the error of the reflected signal is removed.
  • the signal analyzer 300 may calculate a Wigner-Bill distribution of the reflected signal with respect to the reference signal, and calculate a cross correlation function between the reference signal and the reflected signal.
  • the calculation of the Wigner-Ville distribution and the cross correlation function may be applied to the above-described first and second reference signals and the first and second reflected signals.
  • the signal analyzer 300 calculates a Wigner-Bill distribution of the first reflected signal with respect to the first reference signal, calculates a cross correlation function between the first reference signal and the first reflected signal, and calculates the signal analyzer. 300 may calculate a Wigner-Ville distribution of the second reflected signal with respect to the second reference signal, and calculate a cross correlation function of the second reference signal and the second reflected signal.
  • first reference signal and the second reference signal are referred to as reference signals, and the first reflection signal and the second reflection signal will be described as reflection signals.
  • the interference component may be recognized as a failure point in time-frequency reflected wave processing, or may reduce performance by reducing similarity with a reference signal during cross-correlation function calculation.
  • 6 is a flowchart illustrating a Wigner-Ville distribution calculation method according to an embodiment of the present invention.
  • 7 is a graph of Wigner-Ville distribution calculation according to an embodiment of the present invention.
  • the Wigner-Ville distribution calculation method starts by calculating the Wigner-Ville distribution of the reflected signal using a localized moving window corresponding to the time width of the reference signal. (S610).
  • Fig. 7A shows the reference signal and the reflected signal in the time width.
  • the Wigner-Ville distribution shown in FIG. 7 (b) can be calculated.
  • the Wigner-Ville distribution may be calculated in the region of the localized moving window corresponding to the time width.
  • the Wigner-Ville distribution calculated in step S610 may remove the interference component generated between the reference signal and the reflected signal, but the interference component or the reference signal generated in the same time zone affecting the magnitude of the cross correlation function. There is a problem that noise components remain at different frequencies.
  • the Wigner-Ville distribution calculated according to the bandwidth of the reference signal is limited (S620), One problem can be solved.
  • the Wigner-Bill distribution calculated in the localized moving window (window_1-window_n) of FIG. 7B is limited according to the bandwidth of the reference signal, the Wigner-Bill distribution as shown in FIG. 7C may be calculated. .
  • Equation 4 represents a reference signal in the time domain.
  • the reference signal has a form in which the frequency changes linearly with time within a Gaussian envelope.
  • the mean and standard deviation of the Gaussian envelope of the signal in the frequency domain are transformed from the reference signal in the time domain to the frequency domain through Fourier transform and the Gaussian fitting of the reference signal in the given frequency domain. Calculate the value.
  • 3 ⁇ may be determined as the bandwidth of the reference signal.
  • signals in the frequency domain except the bandwidth of the determined reference signal may be removed by an ideal filter, and the cross-correlation function of the reference signal and the reflected signal is analyzed for signals in the time-frequency domain within the bandwidth. Can be.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는 시간에 따라 주파수가 증가하는 제1 기준 신호 및 시간에 따라 주파수가 감소하는 제2 기준 신호를 케이블로 제공하는 기준 신호 생성부, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호의 제공에 따라 상기 케이블로부터 반사되는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부, 및 상기 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 분석하는 신호 분석부를 포함할 수 있다.

Description

반사파 처리 장치
본 발명은 반사파 처리 장치에 관한 것이다.
　반사파 계측법은 일정한 신호를 케이블에 인가한 후 반사되는 신호를 측정하여, 전력시스템을 구성하는 케이블을 진단 및 점검하는 방법이다. 케이블에서 전기적인 신호의 전파는 케이블 특성의 저항, 인덕턴스, 및 커패시턴스에 의해 결정이 되고, 국부적인 임피던스의 변화는 전기적인 신호를 인가했을 때, 그 변화 지점에서 반사파를 발생시킨다. 따라서 반사파 계측법에서는 반사파의 파형을 분석함으로 케이블 이상 여부와 그 위치를 탐지한다.
　반사파 계측법은 신호의 유형에 따라 시간영역 반사파 계측법(TDR: Time Domain Reflectometry), 주파수영역 반사파 계측법(FDR: Frequency Domain Reflcetometry), 시간-주파수영역 반사파 계측법(TFDR: Time-Frequency Domain Reflectomertry)으로 분류될 수 있다. 시간영역 반사파 계측법은 시간 폭에서 분해능을 갖는 스텝신호 혹은 펄스신호를 인가하여 반사파를 시간 영역에서 분석한다. 주파수 영역 반사파 계측법은 주파수영역에서 분해능을 갖는 정현파를 케이블에 인가하여 반사파를 주파수 영역에서 분석한다. 시간-주파수영역 반사파 계측법은 시간과 주파수영역 각각에서 분석하는 방법들의 한계를 해결하여 보다 높은 정확도로 케이블의 결함 여부를 진단하는 방법이다.
시간-주파수영역 반사파 처리 장치는 기준 신호를 입력하고, 피검사 대상으로부터 획득되는 반사파를 분석한다. 시간-주파수영역 반사파 계측법의 경우, 시간에 따라 선형적으로 주파수가 증가하는 처프(Chirp) 신호를 기준 신호로 사용하고, 기준 신호와 함께 임피던스 변화 지점에서 반사되어 돌아오는 반사 신호를 시간-주파수영역에서 위그너-빌 분포와 상호상관함수를 통해 분석한다.
　기존의 시간-주파수영역 반사파 처리법의 경우 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프(Up-Chirp, Positive-Chirp) 신호만을 사용하였으며, 특정 주파수 대역을 지니는 단일 처프 신호만을 사용하여 거리 분해능이 한정적일 뿐만 아니라 케이블의 주파수 특성을 알지 못하는 경우 그 적용이 제한적이다. 이를 개선하기 위해 특허문헌 1은 서로 직교하는 각각 다른 주파수영역의 신호를 하나의 시간 폭 안에 중첩시키는 방법이 대안으로 제안하였다. 그러나 이와 같은 방법은 분해능의 향상은 가져올 수 있으나, 손실매질을 통과하면서 발생하는 고주파수 성분의 손실로 인해 생기는 오차는 여전히 문제로 남아 있다. 즉, 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프신호만을 기준신호로 사용할 경우 본래 반사된 신호의 지연시간(td)보다 소정의 시간만큼 감소하게 되고, 케이블의 길이가 길어질수록 이로 인한 오차는 증가하기 때문에 개선할 필요가 있다.
　또한 일반적인 시간-주파수영역 반사파 처리법의 경우, 파형 습득 장치를 통해 취득한 신호의 데이터 처리 과정에서 지역화된 위그너-빌 분포를 사용한다. 다만, 위그너-빌 분포에서 기준 신호와 반사된 신호의 위치의 산술 평균에 해당하는 지점 및 주파수간 산술 평균에 해당하는 위치에 혼신 성분(Cross-Term)이 생기게 된다. 이를 개선하기 위해 특허문헌 2는 이동창(Moving Window)을 활용하고, 단위 샘플만큼의 이동을 통하여 지역화된 위그너-빌 분포를 계산하는 대안을 제시하였다. 다만, 특허문헌 2는 시간 영역에서만 지역화된 이동창을 이용하여 계산하였으며, 같은 시간대에 발생하는 혼신 성분 또는 기준신호의 대역폭이 아닌 주파수 성분이 시간-주파수영역 반사파 처리법의 성능을 저하시키는 문제가 있다(국내 특허등록번호 10-1579896, 국내 특허출원번호 10-2015-0155058).
본 발명의 과제는 반사 신호의 지연 시간을 정밀하게 검출하고, 혼신 성분에 의한 영향을 제거할 수 있는 반사파 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는 시간에 따라 주파수가 증가하는 제1 기준 신호 및 시간에 따라 주파수가 감소하는 제2 기준 신호를 케이블로 제공하는 기준 신호 생성부, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호의 제공에 따라 상기 케이블로부터 반사되는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부, 및 상기 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 분석하는 신호 분석부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는 반사 신호의 지연 시간을 정밀하게 검출하고, 혼신 성분에 의한 영향을 제거하여 케이블의 결함을 정밀하게 판정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치의 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치와 케이블의 연결 모습을 나타낸 도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 방법의 흐름도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 및 반사 신호의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위그너-빌 분포 산출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위그너-빌 분포 산출 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조할 수 있다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 할 수 있다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 할 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭할 수 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치의 블록도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 반사파 처리 장치(10)는, 기준 신호 생성부(100), 및 반사 신호 획득부(200) 및 신호 분석부(300)를 포함할 수 있다. 반사파 처리 장치는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
기준 신호 생성부(100)는 케이블(20)로 제공되는 기준 신호를 생성할 수 있다. 기준 신호 생성부는 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator)를 포함할 수 있다. 기준 신호는 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 포함할 수 있다.
반사 신호 획득부(200)는 케이블(20)로부터 반사되는 반사 신호를 획득할 수 있다. 반사 신호 획득부(200)는 디지털 저장 오실로스코프(Digital Storage Oscilloscope)를 포함할 수 있다. 반사 신호는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 포함할 수 있다.
신호 분석부(300)는 기준 신호 생성부(100)의 기준 신호의 생성을 제어하고, 반사 신호 획득부(200)로부터 제공되는 반사 신호를 분석하여, 케이블(20)의 결함 위치를 판별할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치와 케이블의 연결 모습을 나타낸 도이다. 도 2를 참조하면, 반사파 처리 장치(10)는 커넥터(30)를 통해 케이블(20)과 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 케이블(20)은 포머(21), 통전층(22), 절연층(23) 및 차폐층(24)을 포함할 수 있다. 포머(21), 통전층(22), 절연층(23) 및 차폐층(24)은 케이블(20) 내에서 차례로 배치될 수 있다. 포머(21)는 사고 발생시, 사고 전류를 바이패스(bypass) 하고, 통전층(22)은 초전도체로 형성되어 운전 전류를 통전하고, 절연층(23)은 PPLP(Polypropylene laminated paper)로 형성되어, 운전 전압 유지를 위해 통전층(22)과 차폐층(24)을 절연한다. 또한, 차폐층(24)은 초전도체로 형성되어, 쉴드 전류를 유도하고, 자기장 방출을 차폐할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치(10)는 케이블(20)의 통전층(22) 및 차폐층(24)과 연결될 수 있다. 통전층(22) 및 차폐층(24) 각각은 복수의 선재들로 구성되는 선재 다발을 포함할 수 있고, 반사파 처리 장치(10)는 선재 다발과 연결될 수 있다. 구체적으로, 반사파 처리 장치(10)의 기준 신호 생성부(100)는 커넥터(30)의 양극을 통해 통전층(22)의 초전도체와 연결되어 기준 신호를 제공할 수 있고, 반사 신호 획득부(200)는 커넥터(30)의 음극을 통해 차폐층(24)의 초전도체와 연결되어 반사 신호를 획득할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 방법은 기준 신호 생성부(100)에서 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하고, 생성된 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 케이블로 제공하는 것으로 시작한다(S310). 제1 기준 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프(Positive-chirp, Up-chirp) 신호일 수 있고, 제2 기준 신호는 시간에 따라 주파수가 감소하는 처프(Negative-Chirp, Down-Chirp) 신호일 수 있다.
기준 신호 생성부(100)에서 케이블로 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호가 제공되면, 반사 신호 획득부(200)는 케이블(20)로부터 반사되는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 획득할 수 있다(S320). 제1 반사 신호는 제1 기준 신호가 케이블에 제공된 경우에 반사되는 신호에 해당하고, 제2 반사 신호는 제2 기준 신호가 케이블에 제공된 경우에 반사되는 신호에 해당한다. 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호가 혼신되는 것을 방지하기 위하여, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호는 서로 다른 타이밍에 제공될 수 있다. 구체적으로, 제1 기준 신호가 제공되고, 제1 반사 신호가 획득된 후에, 제2 기준 신호가 제공되고, 제2 반사 신호가 획득될 수 있다. 신호 분석부(300)는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 분석할 수 있다(S330).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 및 반사 신호의 그래프이다.
도 4는 제1 기준 신호(Ws(t,w)), 이상적인 제1 반사 신호(Ws(t-td, w)), 및 실제 제1 반사 신호(Wr(t,w))를 나타내고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 기준 신호(Ws(t,w)), 이상적인 제2 반사 신호(Ws(t-td,w)) 및 실제 제2 반사 신호(Wr(t,w))를 나타낸다.
케이블과 같은 매질을 통과하는 제1, 2 기준신호의 고주파수 성분은 저주파수 성분에 비하여 시간이 경과함에 따라 손실된다. 케이블과 같은 매질(Medium)의 감쇠(Attenuation) 특성 및 분산(Dispersion) 정도가 선형적이라고 가정하면, 시간 t에서 케이블 내 위치 x에 도달한 신호는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2016013482-appb-I000001
여기서 S(w,x)는 주파수 영역에서의 신호를 나타내고, H(w,x;T)는 케이블의 길이와 온도에 따른 케이블의 주파수 감쇠 특성과 분산 정도를 나타낸다. S(w,x=0) 은 케이블의 시작 부분에서의 신호를 나타내는 것으로, 감쇠가 없는 초기 신호를 의미한다. 케이블과 같은 매질의 감쇠 특성 및 분산 정도가 선형적이라고 가정하면, H(w,x;T)는 감쇠 정수(Attenuation Constant)를 의미하는 A, 파수 (Wave Number)를 의미하는 K로 표현될 수 있다.
상기 수학식 2에 따라 케이블의 위치 x에서 중심 주파수는 하기의 수학식 2에 따라 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2016013482-appb-I000002
　여기서 w0는 케이블의 시작 부분에서의 신호의 중심주파수를 나타내고, α는 제1, 2 기준 신호의 시간 폭을 결정하는 상수를 나타내고, β는 제1, 2 기준 신호인 처프(Chirp) 신호의 기울기(Chirp Rate)를 결정하는 상수를 나타낸다. 수학식 2를 참조하면, 케이블 내 위치 x에서 관찰된 신호의 중심 주파수 w0는 이상적인 신호에 비하여 δw=((α2+β2)*Ax)/α만큼 감소함을 알 수 있다. 고주파수 성분의 감쇠로 인해 발생한 도 4 및 도 5의 δw 및 δt는 하기의 수학식 3 에 따라 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2016013482-appb-I000003
수학식 3을 참조하면, 손실된 고주파수 성분으로 인하여, 실제 제1 반사 신호의 경우, 이상적인 제1 반사 신호의 지연시간 td보다 지연 시간이 δt만큼 더 감소하고, 실제 제2 반사 신호의 경우, 이상적인 제2 반사 신호의 지연시간 td보다 지연 시간이 δt만큼 더 증가함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 신호 분석부(300)는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 산술 평균하여, 서로 다른 부호를 가지는 지연 시간 δt을 상쇄할 수 있다. 따라서, 본 발명의 신호 분석부(300)는 시간 지연 값과 중심 주파수 값을 보정하여, 오차가 제거된 시간 지연 값과 중심 주파수 값을 산출할 수 있다. 신호 분석부(300)는 반사 신호의 오차가 제거된 시간 지연 값 및 중심 주파수 값을 이용하여 케이블의 결함 여부 및 결함 위치를 정밀하게 판별할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 분석부(300)는 기준 신호에 대한 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하고, 기준 신호와 반사 신호의 상호 상관함수를 연산할 수 있다.
위그너-빌 분포와 상호 상관함수의 연산은 상술한 제1, 2 기준 신호 및 제1, 2 반사 신호에 대해 적용될 수 있다. 구체적으로, 신호 분석부(300)는 제1 기준 신호에 대하여 제1 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하고, 제1 기준 신호와 제1 반사 신호의 상호 상관함수를 연산하고, 신호 분석부(300)는 제2 기준 신호에 대하여 제2 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하고, 제2 기준 신호와 제2 반사 신호의 상호 상관함수를 연산할 수 있다.
이하, 설명의 편의상, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 기준 신호로, 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 반사 신호로 지칭하여 설명하도록 한다.
위그너-빌 분포의 기준 신호 및 반사 신호의 산술 평균 지점에서, 위그너-빌 분포의 비선형성으로 인해 혼신 성분이 발생한다. 혼신 성분은 시간-주파수 반사파 처리법에서 고장점으로 인식되거나, 상호 상관함수 연산 과정에서 기준 신호와의 유사성을 감소시켜 성능의 저하를 가져올 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위그너-빌 분포 산출 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위그너-빌 분포 산출 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위그너-빌 분포 산출 방법은 기준 신호의 시간 폭에 대응하는 지역화된 이동창을 이용하여, 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하는 것으로 시작한다(S610). 도 7(a)는 시간 폭에서의 기준 신호 및 반사 신호를 나타낸다. 도 7(a)의 시간 폭에 대응하는 지역화된 이동창(window_1-window_n)을 이용하면, 도 7(b)에 도시된 위그너-빌 분포가 산출될 수 있다. 구체적으로, 시간 폭에 대응하는 지역화된 이동창의 영역에서 위그너-빌 분포가 산출될 수 있다. 다만, 단계 S610에서 산출되는 위그너-빌 분포는 기준 신호와 반사 신호 사이에서 발생하는 혼신 성분을 제거할 수 있으나, 상호 상관함수의 크기에 영향을 미치는 동일한 시간대에서 발생하는 혼신 성분 또는 기준 신호와 다른 주파수에서 노이즈 성분이 잔존하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지역화된 이동창을 이용하여, 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출한 후, 기준 신호의 대역폭에 따라 산출된 위그너-빌 분포를 제한하여(S620), 상술한 문제를 해결할 수 있다. 도 7(b)의 지역화된 이동창(window_1-window_n)에서 산출되는 위그너-빌 분포를 기준 신호의 대역폭에 따라 제한하는 경우, 도 7(c)와 같은 위그너-빌 분포가 산출될 수 있다.
이하, 하기의 수학식 4를 통해 본 발명의 기준 신호의 대역폭 결정 방법에 대하여 설명하도록 한다. 하기의 수학식 4은 시간 영역에서의 기준 신호를 나타낸다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2016013482-appb-I000004
　여기서, t0는 기준 신호의 시간 폭의 중앙값을 나타내고, α는 기준 신호의 시간 폭을 결정하는 상수이고, β는 기준 신호인 처프 신호의 기울기를 결정하는 상수를 나타낸다. 수학식 4를 참조하면, 기준 신호는 가우시안(Gaussian) 포락선 내에서 시간에 따라 주파수가 선형적으로 변하는 형태를 나타내고 있다. 여기서, 시간 폭에서의 기준 신호를 푸리에 변환을 통하여 주파수 영역으로 변환하고 주어진 주파수 영역에서의 기준 신호를 가우시안 맞춤(Gaussian Fitting)을 통하여, 주파수 영역에서의 신호의 가우시안 포락선이 지니고 있는 평균과 표준편차 값을 계산한다. 통상, 주파수 영역에서의 신호는 에너지의 99% 이상이 3σ(σ: 표준편차) 내에 존재하므로, 3σ가 기준 신호의 대역폭으로 결정될 수 있다.
이후, 결정된 기준 신호의 대역폭을 제외한 주파수 영역의 신호는 이상 필터(Ideal Filter)에 의해 제거될 수 있고, 대역폭 내에 있는 시간-주파수 영역의 신호를 대상으로 기준 신호와 반사 신호의 상호상관 함수가 분석될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 시간에 따라 주파수가 증가하는 제1 기준 신호 및 시간에 따라 주파수가 감소하는 제2 기준 신호를 케이블로 제공하는 기준 신호 생성부;
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호의 제공에 따라 상기 케이블로부터 반사되는 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부; 및
    상기 제1 반사 신호 및 제2 반사 신호를 분석하는 신호 분석부; 를 포함하는 반사파 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준 신호 생성부는,
    상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호를 상기 케이블에 서로 다른 타이밍에 제공하는 반사파 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 제1 반사 신호 및 상기 제2 반사 신호를 산술 평균하는 반사파 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 제1 반사 신호 및 상기 제2 반사 신호를 산술 평균하여, 상기 제1 반사 신호 및 상기 제2 반사 신호의 지연 시간 및 중심 주파수를 보정하는 반사파 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 신호 생성부는 상기 케이블의 통전층과 연결되고, 상기 반사 신호 획득부는 상기 케이블의 차폐층과 연결되는 반사파 처리 장치.
  6. 시간에 따라 주파수가 변경되는 기준 신호를 케이블로 제공하는 기준 신호 생성부;
    상기 기준 신호의 제공에 따라 상기 케이블로부터 반사되는 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부; 및
    상기 기준 신호의 시간 폭에 대응하는 지역화된 이동창을 이용하여 상기 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하고, 상기 산출된 위그너-빌 분포를 상기 기준 신호의 대역폭에 따라 제한하는 신호 분석부; 를 포함하는 반사파 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 지역화된 이동창에서 상기 반사 신호의 위그너-빌 분포를 산출하는 반사파 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 기준 신호의 대역폭 이외의 주파수 영역의 신호를 제거하는 반사파 처리 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 시간 폭의 기준 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 상기 주파수 영역에서의 기준 신호에 가우시안 맞춤(Gaussian Fitting)을 적용하는 반사파 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 가우시안 맞춤에 따라 가우시안 포락선의 표준편차에 따라 상기 대역폭을 결정하는 반사파 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    상기 표준편차의 3배를 상기 대역폭으로 결정하는 반사파 처리 장치.
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