WO2018192832A1 - Procede et systeme de detection d'un defaut dans une ligne de transmission a partir d'une mesure de phase - Google Patents
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Definitions
- the distance l d between said point of the line and the singularity is determined from a theoretical relationship expressing the phase as a function of the frequency, the distance ld and the speed of propagation. signal in the transmission line.
- the reference phase is determined during a prior calibration phase comprising:
- the subject of the invention is also a computer program comprising instructions for executing the method of detecting a fault in a transmission line according to the invention, when the program is executed by a processor and a support device.
- processor-readable record on which is recorded a program including instructions for performing the method of detecting a defect in a transmission line according to the invention, when the program is executed by a processor.
- the doF position of a defect on the cable L ie its distance to the signal injection point, can be directly obtained from the measurement, on the calculated time reflectogram c (t), of the duration t DF between the first amplitude peak recorded on the reflectogram and the amplitude peak corresponding to the signature of the non-free defect.
- the system 200 further comprises a signal spectral conversion module, for example a module producing a discrete Fourier transform FFT, for converting the digital signal into the frequency domain.
- a signal spectral conversion module for example a module producing a discrete Fourier transform FFT, for converting the digital signal into the frequency domain.
- the invention can also operate with a single-carrier reference signal as will be explained in more detail later.
- the system according to any one of the embodiments of the invention may be implemented by an electronic card on which the various components are arranged.
- the card can be connected to the cable to be analyzed by a CPL coupling means which can be a directional coupler with capacitive or inductive effect or an ohmic connection.
- the coupling device can be made by physical connectors which connect the signal generator to the cable or by non-contact means, for example by using a metal cylinder whose internal diameter is substantially equal to the outer diameter of the cable and which produces an effect Capacitive coupling with the cable.
- a processing unit such as a computer, PDA or other equivalent electronic or computer device can be used to control the system according to the invention and to display the results of the calculations performed by the CAL component on a human-machine interface , in particular the information for detecting and locating defects on the cable.
- the method according to the invention in particular the digital processing modules FFT.PHY or PHY-i can be implemented in an on-board processor or not or in a specific device.
- the processor may be a generic processor, a specific processor, an application-specific integrated circuit (also known as the ASIC for "Application-Specific Integrated Circuit") or a network of programmable gates in situ (also known as the English name of FPGA for "Field-Programmable Gaste Arra").
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Abstract
Procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission comprenant les étapes suivantes : - Acquérir (401), en un point de la ligne, avec un dispositif de mesure, une mesure temporelle d'un signal de référence préalablement injecté dans la ligne avec un dispositif d'injection, réfléchi sur une singularité de la ligne et rétro-propagé vers ledit point, - Convertir (402) la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel, - Mesurer (403) la phase d'au moins une composante fréquentielle du signal, - Soustraire (404) de chaque phase mesurée, une phase de référence, pour obtenir une phase corrigée, - Déterminer (405) la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité à partir d'au moins une phase corrigée.
Description
Procédé et système de détection d'un défaut dans une Signe de transmission à partir d'une mesure de phase
L'invention concerne le domaine des systèmes de diagnostic filaires basés sur le principe de la réflectométrie. Elle a pour objet un procédé de détection de défauts dans une ligne de transmission, telle qu'un câble, à partir d'une mesure de phase du signal de réflectométrie.
Les câbles sont omniprésents dans tous les systèmes électriques, pour l'alimentation ou la transmission d'information. Ces câbles sont soumis aux mêmes contraintes que les systèmes qu'ils relient et peuvent être sujets à des défaillances. Il est donc nécessaire de pouvoir analyser leur état et d'apporter des informations sur la détection de défauts, mais aussi leur localisation et leur type, afin d'aider à la maintenance. Les méthodes de réflectométrie usuelles permettent ce type de tests.
Les méthodes de réflectométrie utilisent un principe proche de celui du radar : un signal électrique, le signal de sonde ou signal de référence, qui est le plus souvent de haute fréquence ou large bande, est injecté en un ou plusieurs endroits du câble à tester. Le signal se propage dans le câble ou le réseau et renvoie une partie de son énergie lorsqu'il rencontre une discontinuité électrique. Une discontinuité électrique peut résulter, par exemple, d'un branchement, de la fin du câble ou d'un défaut ou plus généralement d'une rupture des conditions de propagation du signal dans le câble. Elle résulte le plus souvent d'un défaut qui modifie localement l'impédance caractéristique du câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques.
L'analyse des signaux renvoyés au point d'injection permet d'en déduire des informations sur la présence et la localisation de ces discontinuités, donc des défauts éventuels. Une analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel est habituellement réalisée. Ces méthodes sont désignées par les acronymes TDR venant de l'expression anglo-saxonne
« Time Domain Reflectometry » et FDR venant de l'expression anglo- saxonne « Frequency Domain Reflectometry ».
L'invention entre dans le champ d'application des méthodes de diagnostic filaire et s'applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d'énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes ou mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées ou autre pourvu qu'il soit possible d'y injecter un signal de réfiectométrie en un point du câble et de mesurer sa réflexion au même point ou en un autre point.
La détection de défauts avec précision nécessite d'utiliser un signal à haute fréquence afin que la longueur d'onde du signal injecté coïncide avec les dimensions physiques des défauts dans le câble. Or, les convertisseurs analogiques-numériques qui permettent d'injecter et de mesurer un signal à haute fréquence sont coûteux. En outre les canaux de transmission correspondant aux différentes technologies de câbles visées par les applications de réfiectométrie, sont le plus souvent très sélectifs en fréquence et ne permettent donc pas une observation et un diagnostic large bande. Certaines bandes de fréquences peuvent être sensiblement atténuées ou perturbées ce qui peut rendre inexploitable le signal mesuré par le système de réfiectométrie ou en tout cas complexifier l'identification des défauts éventuels.
Par ailleurs, les méthodes de réfiectométrie usuelles sont basées sur le principe d'une mesure d'un écho du signai injecté sur une singularité du câble analysé. Cependant, il existe des zones du câble, appelées zones aveugles, pour lesquelles un écho ne pourra pas être mesuré. Ces zones dépendent de la longueur d'onde du signal, donc de sa fréquence, de la vitesse de propagation du signal, de la fréquence d'échantillonnage du signal mesuré et de la distance entre le point d'injection du signal et le point où se situe la singularité. Si un défaut apparaît dans une zone aveugle, il n'est donc
pas possible de détecter sa présence en utilisant une méthode de réflectométrie classique.
Une méthode connue permettant d'augmenter la résolution de localisation d'un défaut et de compenser la présence de zones aveugles sans augmenter la fréquence d'échantillonnage du signal consiste à effectuer de multiples acquisitions du signal rétro-propagé dans le câble en déphasant pour chaque acquisition successive, l'horloge d'échantillonnage. Cette méthode apporte des résultats pertinents dans la mesure où le signal injecté dans le câble et mesuré lors des acquisitions successives est stationnaire pendant la durée totale de l'acquisition. En outre, la précision des mesures doit respecter des règles de sur-échantillonnage.
Un inconvénient majeur de cette méthode est qu'elle nécessite un temps d'acquisition et de calcul très important. Ce temps est déterminé par le nombre de déphasages successifs et le temps de déphasage des équipements utilisés pour générer les signaux d'horloge des systèmes numériques d'échantillonnage. Ce délai peut être inacceptable pour détecter des défauts intermittents (par exemple un court circuit) dont la durée est courte. Les calculs nécessaires à l'implémentation de cette méthode sont également coûteux notamment pour la mise en œuvre des déphasages du signal d'horloge.
On connaît également une technique de diagnostique filaire basée sur une détection de phase dans le domaine fréquentiel telle que décrite dans le document « You Chung Chung, C. Furse and J. Pruitt, "Application of phase détection frequency domain reflectometry for locating faults in an F-18 flight control harness," in IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 47, no. 2, pp. 327-334, May 2005 ».
La méthode décrite dans ce document présente plusieurs inconvénients. Elle nécessite l'implémentation d'un équipement « front-end » analogique radiofréquence complexe nécessitant des coupleurs directifs, un
oscillateur commandé en tension (VCO) et un mélangeur radiofréquence. La méthode proposée présente un temps d'exécution important car elle nécessite un balayage en fréquence de toute la bande de fréquence utile ainsi qu'une acquisition de signal pour chaque valeur de fréquence du balayage. Enfin, la résolution de localisation d'un défaut est, comme dans le cas des méthodes de réflectométrie temporelles connues, limitée par le nombre d'échantillons et la fréquence d'échantillonnage des signaux de réflectométrie numérique utilisés. L'invention propose une méthode de détection et localisation d'un défaut électrique dans une ligne de transmission qui est basée sur l'analyse de révolution de la phase du spectre fréquentiel du signal.
L'invention a notamment pour avantage de permettre une résolution de localisation de défaut qui n'est pas limitée par la fréquence d'échantillonnage du signal. Elle permet donc de localiser un défaut avec une meilleure précision sans nécessité d'implémenter des calculs complexes et présentant un temps d'exécution important. Elle permet de détecter et localiser des défauts intermittents car, contrairement aux méthodes classiques, elle ne nécessite pas d'effectuer plusieurs acquisitions successives de signal. Elle permet également de prendre en compte d'éventuelles coupures dans la réponse fréquentielle du câble à analyser sans dégrader la précision de localisation du défaut.
L'invention est en particulier applicable à la détection de défauts francs, tels qu'un court-circuit, permanents ou intermittents.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission comprenant les étapes suivantes :
- Acquérir, en un point de la ligne, avec un dispositif de mesure, une mesure temporelle d'un signal de référence préalablement injecté dans la ligne avec un dispositif d'injection, réfléchi sur une singularité de la ligne et rétro-propagé vers ledit point,
- Convertir la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel,
- Mesurer la phase d'au moins une composante frequentielle du signal,
- Soustraire de chaque phase mesurée, une phase de référence, pour obtenir une phase corrigée,
- Déterminer la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité à partir d'au moins une phase corrigée.
Selon un aspect particulier de l'invention, la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité est déterminée à partir d'une relation théorique exprimant la phase en fonction de la fréquence, de la distance ld et de la vitesse de propagation du signal dans la ligne de transmission.
Selon une variante particulière, le procédé selon l'invention comprend l'étape supplémentaire de déterminer si la singularité identifiée est un défaut, au moins à partir de la distance ld déterminée et de la longueur de la ligne de transmission.
Selon un aspect particulier de l'invention, la phase de référence est une phase cumulée et la mesure de la phase d'au moins une composante fréquentielle comprend, pour chaque composante fréquentielle, la détermination de la phase modulo π puis la détermination de la phase cumulée.
Selon une variante particulière de l'invention, pour chaque composante fréquentielle du signal, la phase de référence est égale à la phase de la même composante fréquentielle dans le signal de référence préalablement injecté.
Selon une autre variante particulière de l'invention, la phase de référence est déterminée lors d'une phase préalable de calibration comprenant :
- la connexion directe du dispositif d'injection au dispositif de mesure,
- l'injection dudit signal de référence,
- la mesure temporelle du signal de référence propagé,
- la conversion fréquentielle de la mesure temporelle,
- pour chaque composante fréquentielle du signal, la mesure de la phase de cette composante, la phase de référence étant égale à cette mesure.
Selon une variante particulière, le procédé selon l'invention comprend ladite phase de calibration préalable.
Selon une variante particulière, le procédé selon l'invention comprend en outre une étape d'interpolation appliquée à plusieurs valeurs de phase corrigée correspondant à plusieurs composantes fréquentielles différentes.
Selon un aspect particulier de l'invention, la conversion de la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel est réalisée par application d'une transformée de Fourier au signal.
Selon un aspect particulier de l'invention, le signal de référence est un signal multi-porteuses, une composante fréquentielle du signal étant une sous-porteuse fréquentielle du signal multi-porteuses.
Selon une variante particulière, le procédé selon l'invention comprend une étape d'injection du signal de référence dans la ligne de transmission en un point d'injection.
L'invention a également pour objet un système de détection d'un défaut dans une ligne de transmission comprenant un dispositif de mesure apte à acquérir, en un point de la ligne, une mesure temporelle d'un signal de référence préalablement injecté dans la ligne, réfléchi sur une singularité de la ligne et rétro-propagé vers ledit point et:
- une unité de conversion spectrale pour convertir la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel,
- un dispositif de mesure de phase pour mesurer la phase d'au moins une porteuse fréquentielle du signal,
- un soustracteur pour soustraire de chaque phase mesurée, une phase de référence, pour obtenir une phase corrigée,
- une unité de calcul pour déterminer la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité à partir d'au moins une phase corrigée. Selon un aspect particulier de l'invention, l'unité de calcul est configurée pour déterminer si la singularité identifiée est un défaut au moins à partir de la distance ld déterminée et de la longueur de la ligne de transmission.
Selon une variante particulière, le système selon l'invention comprend une interface d'affichage pour afficher une information caractéristique de la présence d'un défaut sur la ligne de transmission et/ou de la localisation du défaut.
Selon une variante particulière, le procédé selon l'invention comprend un dispositif d'injection apte à injecter le signal de référence dans la ligne de transmission.
L'invention a encore pour objet un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission selon l'invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur et un support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission selon l'invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent :
- La figure 1 , un schéma d'un système de localisation de défaut sur une ligne de transmission selon une méthode de réflectométrie de l'art antérieur,
- La figure 2, un schéma d'un système de localisation de défaut sur une ligne de transmission selon une première variante de réalisation de l'invention,
- Les figures 3a, 3b, plusieurs diagrammes illustrant la fonction de magnitude et de phase d'un signal de réflectométrie multi-porteuses,
- La figure 4, un organigramme détaillant les étapes de mise en œuvre d'un procédé de localisation de défaut sur une ligne de transmission selon la première variante de réalisation de l'invention,
- Les figures 5a et 5b, deux schémas illustrant une seconde variante de réalisation du système de localisation de défaut selon l'invention.
La figure 1 représente un schéma d'un système 100 de localisation de défaut dans une ligne de transmission L, telle qu'un câble, selon une méthode usuelle de réflectométrie temporelle de l'état de l'art. Un tel système comprend principalement un générateur GEN d'un signal de référence à partir de paramètres PAR définissant la forme d'onde du signal. Le signal de référence numérique généré est converti analogiquement via un convertisseur numérique-analogique DAC puis est injecté en un point de la ligne de transmission L au moyen d'un coupleur directionnel CPL. Le signal se propage le long de la ligne et se réfléchi sur les singularités qu'elle comporte. Une singularité est une discontinuité d'impédance résultant de l'apparition d'un défaut électrique sur la ligne. En l'absence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchi sur l'extrémité de la ligne, si celle-ci n'est pas adaptée en impédance. Si l'extrémité de la ligne est adaptée en impédance, c'est-à-dire qu'un bouchon ohmique est fixé à son extrémité, alors il n'y a aucune réflexion du signal car aucune discontinuité d'impédance. En présence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchi sur la discontinuité d'impédance provoquée par le défaut. Le signal réfléchi est rétro-propagé jusqu'à un point de mesure, qui peut être commun au point d'injection ou différent. Le signal rétro-propagé est mesuré via le coupleur directionnel CPL puis converti numériquement par un convertisseur analogique numérique ADC. Une corrélation COR est ensuite effectuée entre le signal numérique mesuré et une copie du signal numérique généré avant injection afin de produire un réflectogramme temporel correspondant à l'intercorrélation entre
les deux signaux. Pour réaliser cette intercorrélation, une implémentation possible consiste à réaliser une transformée de Fourier directe FFT du signal mesuré, une transformée de Fourier directe FFT2 du signal de référence puis un produit P des deux résultats puis enfin une transformée de Fourier indirecte IFFT du résultat du produit.
Cette implémentation résulte de la formule suivante exprimant l'intercorrélation de deux signaux x(t) et x'(t) : c(t) = f°° x'(t + T) - X* {T)AT = TF-1 {TF {x'(t)} - TF {x*(t)} }
Comme cela est connu dans le domaine des méthodes de diagnostic par réflectométrie temporelle, la position doF d'un défaut sur le câble L, autrement dit sa distance au point d'injection du signal, peut être directement obtenue à partir de la mesure, sur le réflectogramme temporel calculé c(t), de la durée tDF entre le premier pic d'amplitude relevé sur le réflectogramme et le pic d'amplitude correspondant à la signature du défaut non franc.
Différentes méthodes connues sont envisageables pour déterminer la position dDF- Une première méthode consiste à appliquer la relation liant distance et temps : dDF = Vg.tDF où Vg est la vitesse de propagation du signal dans le câble. Une autre méthode possible consiste à appliquer une relation de proportionnalité du type ÔDF/ tDF = /îo où l_c est la longueur du câble et t0 est la durée, mesurée sur le réflectogramme, entre le pic d'amplitude correspondant à la discontinuité d'impédance au point d'injection et le pic d'amplitude correspondant à la réflexion du signal sur l'extrémité du câble.
La résolution R de localisation d'un défaut pour une telle méthode, c'est-à-dire la précision obtenue sur la distance dDF, est déterminée par la relation suivante :
vgc
c est la célérité et fadC est la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique.
Un inconvénient de cette méthode est que la résolution R est limitée par la fréquence d'échantillonnage fadc. Plus celle-ci est faible, moins bonne en sera la résolution R. La résolution peut être augmentée au delà de la limite précitée en effectuant plusieurs acquisitions successives du signal réfléchi avec des instants d'échantillonnage déphasés, c'est-à-dire décalés temporellement d'une fraction de la période d'échantillonnage. Cependant, en considérant M acquisitions successives, la méthode est rendue au moins M fois plus lente, ce qui handicape la détection de défauts intermittents de très courte durée. En outre, le temps de traitement global des acquisitions du signal incluse également des temps morts liés au mécanisme de déphasage de l'horloge d'échantillonnage, ces temps morts étant typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines de cycles d'horloge. L'invention propose de pallier aux inconvénients de la méthode décrite à la figure 1 en proposant d'exploiter la phase du signal mesuré pour localiser un défaut.
La relation théorique qui lie le signal injecté dans le câble au signal rétro-propagé et mesuré ensuite, dans le domaine fréquentiel, est la suivante :
Y'(f) = Y(f) 11(0 e-i^10 = Y(f) e-)*0'0
Y(f) est le spectre fréquentiel du signal injecté dans le câble,
Y'(f) est le spectre fréquentiel du signal mesuré après propagation,
H(f) est la réponse en amplitude du câble qui est supposée ne pas varier en fréquence, on pose alors H(f)=1 . Cette hypothèse est prise pour des câbles non sélectifs en fréquence. Par ailleurs, l'amplitude de la réponse en fréquence du câble n'intervient pas dans le traitement développé par la suite qui est basé uniquement sur l'exploitation de la phase. Pour cette raison, on fixe de façon arbitraire H(f)=1 pour simplifier la présentation de l'invention.
Sans sortir du cadre de l'invention, la réponse en amplitude H(f) peut être différente de 1 sans que cela modifie les étapes du procédé selon l'invention.
On voit donc que le signal mesuré Y'(f) est déphasé par rapport au signal injecté Y(f) d'un déphasage qui correspond au trajet du signal aller-retour dans le câble jusqu'au point de réflexion.
Ce déphasage est égal à φ(1, 0 = 2πί—, où I est la distance aller-retour parcourue par le signal entre le point d'injection et le point de mesure, en passant par le point de réflexion. Le point de réflexion peut correspondre à la terminaison du câble, en l'absence de défaut et sur une ligne de transmission sans terminaison adaptée, et dans ce cas, I est égal au double de la longueur du câble. Si un défaut franc est présent sur le câble pendant le test, la distance I est égale au double de la distance entre le point d'injection (ou point de mesure) et la position du défaut sur le câble. Ceci est vrai dans l'hypothèse où le point d'injection et le point de mesure sont identiques. Dans le cas contraire, on dérive aisément la relation entre I et les distances respectives mesurées entre le point de réflexion et le point d'injection ou le point de mesure.
Dans la suite de la description, on prend l'hypothèse que le point d'injection et le point de mesure sont identiques. Si ces deux points sont distincts, les relations liant la phase du signal à la position d'un défaut développées par la suite sont aisément adaptables pour l'Homme du métier muni de ses connaissances mathématiques de base. II convient également de noter que le contexte de l'invention est celui de la détection de défauts francs, c'est-à-dire pour lesquels la discontinuité d'impédance générée par le défaut est telle que la totalité du signal est réfléchie sur cette discontinuité. On voit ainsi que l'exploitation de la phase du signal, qui dépend de la fréquence f, peut permettre de localiser un défaut.
La figure 2 représente un schéma d'un système 200 de détection de défauts selon une première variante de réalisation de l'invention.
Le système décrit à la figure 2 comporte plusieurs éléments communs au système de l'art antérieur décrit à la figure 2 : un générateur GEN de signal de référence numérique défini à partir de paramètres de forme d'onde PAR, un convertisseur numérique analogique DAC, un coupleur directionnel DCL pour injecter le signal dans une ligne de transmission L et mesurer le signal rétro-propagé, ainsi qu'un convertisseur analogique numérique ADC pour numériser le signal mesuré.
Le système 200 comporte encore un module de conversion spectrale du signal, par exemple un module réalisant une transformée de Fourier discrète FFT, pour convertir le signal numérique dans le domaine fréquentiel.
Le système 200 comporte également un premier module PHY-i de calcul de la phase du signal fréquentiel en sortie du module FFT, un second module PHY2 de calcul de la phase du signal de référence dans le domaine fréquentiel et un soustracteur STR pour soustraire à la phase du signal mesuré, la phase du signal de référence. Enfin, un module de calcul CAL détermine l'existence et la position éventuelle d'un défaut sur la ligne de transmission L, à partir de la phase corrigée en sortie du soustracteur STR. Il convient de noter que le calcul de phase du signal de référence peut être effectué directement à partir des paramètres PAR du signal de référence ou après une conversion spectrale du signal de référence généré.
Les modules de calcul de phase PHYi et/ou PHY2 peuvent être réalisés au moyen d'un calcul de la fonction arc-tangente, par exemple implémenté au moyen d'un algorithme de type Cordic.
Sans sortir du cadre de l'invention, la partie du système 200 qui concerne la génération et l'injection du signal peut être distincte de la partie du système 200 qui concerne l'acquisition d'une mesure du signal réfléchi et les traitements relatifs aux calculs de phase et de distance. En particulier, deux coupleurs CPL distincts peuvent être utilisés, le premier pour l'injection, en
un premier point de la ligne L, du signal de référence et un second pour la mesure, en un second point de la ligne L, du signal rétro-propagé.
Avantageusement, le signal de référence utilisé est un signal multi- porteuses, par exemple un signal OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ou MCTDR (Multi Carrier Time Domain Reflectometry) ou OMTDR (Orthogonal Multi-tone Time Domain Reflectometry) qui comprend plusieurs sous-porteuses fréquentielles fn.
Cependant, l'invention peut également fonctionner avec un signal de référence mono-porteuse comme cela sera explicité plus en détail par la suite.
Comme expliqué ci-dessus, la phase du signal mesuré est donnée par la relation suivante :
21
<Pd Q-d> fn) = (Pref (fn) + 2jTfn ~^ 0) ln est la fréquence de la sous-porteuse pour laquelle est mesurée la phase, ld est la distance entre le point de mesure et le point de réflexion du signal (correspondant éventuellement à un défaut),
cpref(fn) est une phase de référence, qui dépend de la fréquence et qui correspond à la phase du signal de référence, autrement dit la phase mesurée en sortie du module PHY2.
A partir de la relation (1 ), on en déduit que la phase obtenue après soustraction STR de la phase de référence à la phase du signal mesurée, s'exprime en fonction de la position du défaut éventuel :
21
d(pd (ld n) = l>d (ld> fn) -<Prcf (fn) = nfn -f-
Vg (2)
Le module de calcul CAL détermine ensuite la valeur de ld , pour une ou plusieurs fréquences fn :
_ dq>d(ld,fn).vg
ld " **fn (3 )
Dans le cas d'un signal multi-porteuses, le module de calcul de phase PHYi (et éventuellement le module de calcul de phase PHY2) réalise un calcul de phase par sous-porteuse du signal.
Un avantage à l'utilisation d'un signal multi-porteuses est qu'il permet de lever les ambiguïtés de phase éventuelles. En effet, le calcul de phase par la fonction arc-tangente donne un résultat modulo ττ, c'est-à-dire compris entre -π et +TT. Or l'application des relations (1 ) et (2) suppose d'avoir une valeur de phase réelle, autrement dit représentée de façon cumulée sur les fréquences.
Les figures 3a et 3b illustrent ce phénomène sur deux diagrammes représentant l'évolution de la phase d'un signal multi-porteuses en fonction des fréquences.
La figure 3a représente la phase mesurée pour chaque porteuse au moyen d'un calcul de la fonction arc-tangente. Cette phase est exprimée modulo TT.
La figure 3b représente la même phase cumulée sur les porteuses, autrement dit, la valeur de phase pour la fréquence d'indice n est égale à la somme des phases des fréquences pour les indices variant dans l'intervalle [0 ;n]. On voit sur la figure 3b, que l'évolution de la phase cumulée est continue en fréquence. Les relations liant la phase à une valeur de distance entre deux points de la ligne L sont basées sur une phase représentée de façon cumulée.
Ainsi, selon un aspect particulier de l'invention, si les modules PHYi,PHY2 implémentent un calcul de phase par la fonction arc-tangente, un calcul supplémentaire de la phase cumulée sur les fréquences est effectué au moyen de la relation suivante :
La relation (3) peut être appliquée pour une sous-porteuse fn ou plusieurs sous-porteuses. Dans le second cas, on obtient plusieurs valeurs de la distance ld qui peuvent être moyennées afin de réduire le bruit de mesure et améliorer la précision de localisation.
En fonction du type de câble à tester, certaines bandes de fréquence peuvent être atténuées ou perturbées ou encore réservées pour un service. Dans ce cas, le signal de référence multi-porteuses peut être généré en conséquence en supprimant certaines sous-porteuses correspondant aux bandes de fréquences interdites ou susceptibles d'être perturbées.
Dans un tel cas en particulier, les différentes valeurs de phase cumulée peuvent être interpolées pour augmenter le nombre de points sachant que l'évolution de la phase en fonction de la fréquence est continue. L'invention est également compatible avec un signal mono-porteuse.
Cependant dans un tel cas, une seule valeur de phase est mesurée et il n'est pas possible de lever une ambiguïté possible modulo π sur cette valeur. Dans ce cas, la distance maximale possible ld entre le point d'injection et le point d'occurrence du défaut est liée à la fréquence porteuse f0 du signal par la relation suivante :
/o * 2 * l<t 1
Si cette inégalité n'est pas respectée, cela signifie que le déphasage induit par la réflexion du signal sur un point de réflexion situé à la distance ld est supérieur à 2π et n'est donc pas correctement interprétable. La figure 4 résume les étapes de mise en œuvre du procédé de détection d'un défaut selon la première variante de réalisation de l'invention.
Dans une première étape 400, un signal de référence est injecté en un point d'injection d'une ligne de transmission L. Cette étape n'est pas considérée dans le cas où on se place uniquement du point de vue du procédé exécuté par un système 200 qui ne comprend pas la partie relative à la génération et à l'injection du signal, partie implémentée dans un système distinct.
Dans une autre étape 401 , le signal rétro-propagé dans la ligne L est mesuré en un point de mesure. Le signal est ensuite converti 402 dans le domaine fréquentiel. On mesure ensuite 403 la phase d'au moins une porteuse fréquentielle du signal, préférentiellement la phase cumulée en particulier dans le cas d'un signal multi-porteuses.
Puis, on soustrait 404 à la phase mesurée, pour chaque porteuse fréquentielle, une phase de référence correspondant à la phase de la même porteuse fréquentielle pour le signal de référence généré. Ensuite, on détermine 405 la distance entre le point de mesure et un point de réflexion du signal, correspondant à un défaut éventuel, à partir du résultat de la soustraction 404. Dans une autre étape 406, un diagnostic est produit quant à la présence d'un défaut et à sa position à la distance déterminée à l'étape 405. Pour savoir si le point de réflexion correspond à une singularité associée à un défaut, on compare la distance calculée avec la longueur du câble afin d'identifier si le point de réflexion correspond à la terminaison du câble auquel cas, cela signifie qu'il n'y a pas de défaut. Dans le cas contraire, cette comparaison donne l'information d'existence d'un défaut et la valeur de la distance déterminée à l'étape 405 donne la localisation du défaut.
Le résultat du diagnostic peut être fourni à un utilisateur au travers d'une interface d'affichage. Le résultat affiché peut comprendre une indication de la présence d'un défaut sur la ligne et/ou une indication sur la position du défaut sur la ligne, déterminée à partir de la distance calculée à l'étape 405.
Les figures 5a et 5b représentent un schéma d'un système 300 de détection de défauts selon une seconde variante de réalisation de l'invention. Selon cette seconde variante, une phase de calibration, illustrée à la figure 5a, est effectuée avant la phase de détection de défaut illustrée à la figure 5b. La phase de calibration a pour objectif de mesurer plus précisément la phase de référence qui est soustraite à la phase du signal dans l'étape 404 du procédé.
En se référant à nouveau à la relation (1 ), la phase de référence est en réalité égale à :
φί, (ίη ) = φ0 (ίη ) + 2πΓη ^ (4) cp0(fn) est la phase de la porteuse fréquentielle fn du signal de référence généré.
lo correspond à la distance parcourue par le signal entre sa génération par le générateur GEN et son injection dans la ligne L par le coupleur GPL. Cette distance correspond notamment au parcours du signal à travers le convertisseur numérique analogique DAC.
De même, correspond à la distance parcourue par le signal entre son acquisition au niveau du coupleur CPL et son traitement par le bloc de transformée en fréquence FFT. Cette distance correspond notamment au parcours du signal à travers le convertisseur analogique numérique ADC.
Afin de pouvoir mesurer précisément le terme de phase 2ni' n qui vient s'ajouter à la phase q>0(fn) du signal généré, on exécute une phase de calibration qui consiste à déconnecter la ligne de transmission du coupleur CPL. Dans ce cas, le signal généré transmis au coupleur CPL est directement mesuré puis traité par les modules de conversion spectrale FFT et de calcul de phase PHY. La phase de référence q>ref(fn) est mesurée pour chaque porteuse fréquentielle du signal, par le module PHY. Elle contient la phase du signal généré à laquelle s'ajoute le terme de phase 2πΙη
résultant de la propagation du signal à travers les équipements successifs DAC,CPL,ADC. Le résultat du calcul de phase opéré par le module PHY est sauvegardé dans une mémoire MEM pour être utilisé lors de la phase opérationnelle décrite à la figure 5b.
Dans cette seconde phase, les traitements sont identiques à ceux décrits pour le premier mode de réalisation de l'invention à la différence que la phase de référence n'est pas calculée à l'aide d'un second module de calcul de phase PHY2 appliqué au signal de référence, mais directement lue dans la mémoire MEM.
Les autres traitements effectués durant la phase opérationnelle sont identiques à ceux décrits à la figure 4.
La seconde variante de réalisation de l'invention permet d'améliorer encore la précision sur la mesure de la phase du signal rétro-propagé et donc le calcul de la position d'un défaut éventuel.
Le système selon l'une quelconque des variantes de réalisation de l'invention peut être mis en œuvre par une carte électronique sur laquelle sont disposés les différents composants. La carte peut être connectée au câble à analyser par un moyen de couplage CPL qui peut être un coupleur directionnel à effet capacitif ou inductif ou encore une connexion ohmique. Le dispositif de couplage peut être réalisé par des connecteurs physiques qui relient le générateur de signal au câble ou par des moyens sans contact, par exemple en utilisant un cylindre métallique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe du câble et qui produit un effet de couplage capacitif avec le câble.
En outre, une unité de traitement, de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre dispositif électronique ou informatique équivalent peut être utilisé pour piloter le système selon l'invention et afficher les résultats des calculs effectués par le composant CAL sur une interface homme-machine, en particulier les informations de détection et localisation de défauts sur le câble.
Le procédé selon l'invention, en particulier les modules de traitement numérique FFT.PHY ou PHY-i peuvent être implémentés dans un processeur embarqué ou non ou dans un dispositif spécifique. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d'ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gâte Arra »). Le dispositif selon l'invention peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. La technique de l'invention peut se réaliser sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un micro-contrôleur par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).
Le procédé selon l'invention peut également être mis en œuvre exclusivement en tant que programme d'ordinateur, le procédé étant alors appliqué à une mesure de signal préalablement acquise à l'aide d'un dispositif de mesure. Dans un tel cas, l'invention peut être mise en œuvre en tant que programme d'ordinateur comportant des instructions pour son exécution. Le programme d'ordinateur peut être enregistré sur un support d'enregistrement lisible par un processeur.
La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple, un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, ou toute autre forme d'instruction d'ordinateur) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en œuvre des aspects des techniques décrites ici. Les moyens ou ressources informatiques
peuvent notamment être distribués {"Cloud Computing"), éventuellement selon des technologies de pair-à-pair. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul (par exemple tels qu'éventuellement accessibles dans l'environnement du dispositif). Le code exécutable de chaque programme permettant au dispositif programmable de mettre en œuvre les processus selon l'invention, peut être stocké, par exemple, dans le disque dur ou en mémoire morte. De manière générale, le ou les programmes pourront être chargés dans un des moyens de stockage du dispositif avant d'être exécutés. L'unité centrale peut commander et diriger l'exécution des instructions ou portions de code logiciel du ou des programmes selon l'invention, instructions qui sont stockées dans le disque dur ou dans la mémoire morte ou bien dans les autres éléments de stockage précités.
Claims
1 . Procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission (L) comprenant les étapes suivantes :
- Acquérir (401 ), en un point de la ligne, avec un dispositif de mesure, une mesure temporelle d'un signal de référence préalablement injecté dans la ligne avec un dispositif d'injection, réfléchi sur une singularité de la ligne et rétro-propagé vers ledit point,
- Convertir (402) la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel,
- Mesurer (403) la phase d'au moins une composante fréquentielle du signal,
- Soustraire (404) de chaque phase mesurée, une phase de référence, pour obtenir une phase corrigée,
- Déterminer (405) la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité à partir d'au moins une phase corrigée.
2. Procédé de détection d'un défaut selon la revendication 1 dans lequel la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité est déterminée à partir d'une relation théorique exprimant la phase en fonction de la fréquence, de la distance ld et de la vitesse de propagation du signal dans la ligne de transmission.
3. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes comprenant l'étape supplémentaire de déterminer (406) si la singularité identifiée est un défaut, au moins à partir de la distance ld déterminée et de la longueur de la ligne de transmission (L).
4. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes dans lequel la phase de référence est une phase cumulée et
la mesure de la phase d'au moins une composante frequentielle comprend, pour chaque composante frequentielle, la détermination de la phase modulo π puis la détermination de la phase cumulée.
5. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes dans lequel, pour chaque composante fréquentielle du signal, la phase de référence est égale à la phase de la même composante fréquentielle dans le signal de référence préalablement injecté.
6. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la phase de référence est déterminée lors d'une phase préalable de calibration comprenant :
- la connexion directe du dispositif d'injection au dispositif de mesure,
- l'injection dudit signal de référence,
- la mesure temporelle du signal de référence propagé,
- la conversion fréquentielle de la mesure temporelle,
- pour chaque composante fréquentielle du signal, la mesure de la phase de cette composante, la phase de référence étant égale à cette mesure.
7. Procédé de détection d'un défaut selon la revendication 6 comprenant ladite phase de calibration préalable.
8. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre une étape d'interpolation appliquée à plusieurs valeurs de phase corrigée correspondant à plusieurs composantes fréquentielles différentes.
9. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes dans lequel la conversion de la mesure temporelle du signal
dans le domaine fréquentiel est réalisée par application d'une transformée de Fourier au signal.
10. Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes dans lequel le signal de référence est un signal multi- porteuses, une composante fréquentielle du signal étant une sous- porteuse fréquentielle du signal multi-porteuses.
1 1 . Procédé de détection d'un défaut selon l'une des revendications précédentes comprenant au préalable une étape (400) d'injection du signal de référence dans la ligne de transmission en un point d'injection.
12. Système (200,300) de détection d'un défaut dans une ligne de transmission (L) comprenant un dispositif de mesure (CPL.ADC) apte à acquérir, en un point de la ligne (L), une mesure temporelle d'un signal de référence préalablement injecté dans la ligne, réfléchi sur une singularité de la ligne et rétro-propagé vers ledit point et:
- une unité de conversion spectrale (FFT) pour convertir la mesure temporelle du signal dans le domaine fréquentiel,
- un dispositif de mesure de phase (PHY-i) pour mesurer la phase d'au moins une porteuse fréquentielle du signal,
- un soustracteur (STR) pour soustraire de chaque phase mesurée, une phase de référence, pour obtenir une phase corrigée,
- une unité de calcul (CAL) pour déterminer la distance ld entre ledit point de la ligne et la singularité à partir d'au moins une phase corrigée.
13. Système (200,300) de détection d'un défaut selon la revendication 12 dans lequel l'unité de calcul (CAL) est configurée pour déterminer si la singularité identifiée est un défaut au moins à partir de la distance ld déterminée et de la longueur de la ligne de transmission (L).
14. Système (200,300) de détection d'un défaut selon l'une des revendications 12 ou 13 comprenant une interface d'affichage pour afficher une information caractéristique de la présence d'un défaut sur la ligne de transmission et/ou de la localisation du défaut.
15. Système de détection (200,300) d'un défaut selon l'une des revendications 12 à 14 comprenant un dispositif d'injection (DAC.CPL) apte à injecter le signal de référence dans la ligne de transmission (L).
16. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque le programme est exécuté par un processeur.
17. Support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de détection d'un défaut dans une ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, lorsque le programme est exécuté par un processeur.
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