基于时频反射的船舶电缆故障诊断方法研究*

蔡龙飞 杨 蕾

(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430060)(2.武汉轻工业大学电气与电子工程学院 武汉 430023)

基于时频反射的船舶电缆故障诊断方法研究*

蔡龙飞1杨 蕾2

(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430060)(2.武汉轻工业大学电气与电子工程学院 武汉 430023)

论文针对基于时域反射的高技术船舶电缆故障诊断方法中,因反射信号微弱、信号衰减大而造成难以诊断的问题,采用时频反射法使该类故障信息更明显,提高高技术船舶电缆故障诊断检出率。另外,反射信号因受噪声信号干扰而导致电缆故障误报,利用小波系数收缩算法对反射信号进行降噪处理,可降低电缆故障诊断误报率。论文通过实验对时域反射法和时频反射法进行了比较,结果表明电缆故障诊断的检出率和误报率均有明显改善。

船舶电缆; 故障诊断; 时频反射

Class Number TP206+.3

1 引言

船舶电缆是为船舶电气系统提供动力能源和信号传导的重要组成部分,同时也是各类电子设备功能实现的必要组成。

一般来说,以往普通船舶电缆在敷设量并不大,且都采取了一定的冗余设计等措施,电缆故障并未引起重视。但随着船舶建造技术的不断发展,自动化水平不断提升,船舶电缆的辐射量明显增加,而且敷设环境更恶劣,敷设要求更严格。尤其是各类高技术船舶,由于增加了许多特种设备,电缆故障带来的影响逐渐显现,电缆故障检测和定位成为直接影响船舶的航行安全和维修效率的重要因素。

传统的导线的故障检测采用三用表和欧姆表结合经验进行,检测效率低下,已不能适应高技术船舶电缆检修的需求。美国3M公司研制的基于时域反射法的导线故障定位仪,对简单的短、断路故障检测效率较高。但实际中由于船舶电缆多具有多点损坏和转接头多等特点,导致信号反射信号微弱和时域信号跨转接头衰减严重等现象,造成连续故障和跨转接头故障难以诊断。而且测量环境中的噪声信号对微弱反射信号干扰严重,造成故障误判,降低了故障诊断效率[1]。

本文针对时域反射法中存在的若干问题,采用时频反射法诊断船舶电缆故障。在设计阈值滤波器时结合信号的时频分布特性,运用小波系数收缩降噪算法对反射信号进行预处理,并通过匹配滤波来改善微弱的故障反射信号的表达。最后通过实验验证了该方法对船舶电缆故障诊断的可行性。

2 参考信号设计及特性分析

船舶电缆故障诊断的机理是通过观察故障点反射信号的波形异常来诊断故障,这种方法侧重于信号的高频部分。将船舶电缆视为长线,故障检测仪激发的检测脉冲在同轴电缆中传播,一旦电缆有故障,将引起该区域同轴电缆特性阻抗的变化,电磁波在其中的传播将发生反射和透射,并反映于反射信号之中。时频反射法就是综合考虑信号在时频域内的综合特性,通过设计一个参考信号,利用其时频域特性对微弱的反射信号进行提取,以实现对故障的诊断,提高故障检出率[2～3]。参考信号为高斯包络Chirp信号如式(1)所示。

s(t)=(α/π)1/4e-α(t-t0)2/2+jβ(t-t0)2/2+jω0(t-t0)

(1)

Chirp信号是一种在持续期内频谱连续性变化的脉冲压缩信号,其自相关函数具有明显的主瓣和较小的旁瓣,作为子波具有良好的分辨率。对其加高斯窗使其在时域内是紧支撑的,频域内是带限的,如图1所示[4]。

图1 参考信号时频分布示意图

对于一维信号来说,高频段影响小波分解的第一层细节,低频段影响小波分解的最深层和低频层。而对于加性白噪声,高频系数的幅值随着分解层数增加而迅速衰减。如图1所示,检测信号为参考信号和反射信号的叠加,是一个带限信号,所以其小波系数主要集中在某一频段内,噪声的小波系数遍布整个频域。

小波分解具有时移共变性和伸缩共变性,即

f(t)↔WTf(a,τ)

f(t-t0)↔WTf(a,τ-t0)

f(ct)↔

(2)

可以发现:信号幅度与对应的小波系数幅值成正相关。在故障检测过程中,某一时刻向故障导线发出参考信号,并在接收端接收检测信号,即参考信号和反射信号的叠加[5～6]。所需的小波系数只存在于参考信号和反射信号窗口内,而窗口外则是噪声信号的小波系数。

3 时频反射故障诊断原理

由于作为参考信号的高斯包络Chirp信号在时域内是有限支撑的,频域内是带限的,其自相关函数具有明显的主瓣和较小的旁瓣。而故障点反射的是幅度衰减后的参考信号,与原信号在时频域内是相关的。因此,对两者在时频域内进行互相关处理,可使故障点的反射信号更明显,信号时频分布由Wigner-Ville变换得到,互相关函数如式(3)示:

(3)其中,Wr、Ws分别为参考信号和反射信号经Wigner-Ville变换得到的对应的频域信息。Er、Es为归一化系数。由式(3)可知,相关运算为参考信号在时域内移位后与反射信号进行求和运算,因此会令峰值点在时域内造成参考信号半个窗口的偏差,但不改变反射信号和参考信号的时间差,不影响故障定位。

4 检测信号降噪处理

在对微弱反射信号进行放大处理的同时噪声信号也被相应放大,严重影响对故障反射信号的判断。因此,对检测信号的降噪处理必要环节,采用小波系数收缩算法进行降噪处理。

4.1 小波系数收缩算法

信号f(t)∈L2(R)的连续小波变换定义为

=〈f,ψs,x〉

(4)

若采用的小波满足容许条件,则连续小波变换存在着逆变换,即

(5)

(6)

其中,Sjf(t)为采样信号f(t)的离散平滑逼近信号(简记为Sj,一般令S0位原始采样信号);Wjf(t)为f(t)的离散细节信号(即小波变换,简记为Wj);j=1,2…,J;J为小波分解的最高次数;{hm|m∈Z},{gm|m∈Z}分别为分解过程的低通和高通滤波系数。

小波重构算法为

(7)

小波系数收缩降噪是令S0=f(n),在尺度空间对信号f(n)进行降阶分解。在每一尺度j下都将信号分解成逼近信号Sj和细节信号Wj,在更高一级的小波分解中,又将上一级的逼近信号Sj进一步分解成频率更低的逼近信号Sj+1和细节信号Wj+1。逼近信号Sj主要包含信号中的低频成分;而细节信号Wj包含信号的高频部分,其中也包含高频噪声[7]。通过确定阈值,按照一定系数调整方法对各级细节分量的小波系数进行阈值调整,消除其中的噪声成分,就能达到对检测信号降噪的目的。然后按小波分解反演算法对信号进行重构,就能得到降除噪声后的信号。

4.2 噪声强度估计

一个含噪声的信号可以表示为

S(n)=f(n)+σ·e(n)

(8)

其中,f(n)为纯净的检测信号,e(n)为高斯白噪声N(0,1),σ为噪声强度。

Donoho提出的噪声强度σ估计由中值绝对偏差除以0.6745得到[8],即

(9)

4.3 阈值滤波器设计

为了达到良好的降噪效果,选取的阈值应该刚好大于噪声系数的最大水平,极大极小原理选择阈值(minimaxi)是一种固定的阈值选择形式,它所产生的是一个最小均方差的极值[9]。因为被降噪的信号可以看作是与未知回归函数的估计式相似,这种极值估计器可在给定的函数中实现最大均方误差最小化[10]。minimaxi阈值thr定义是:

(10)

其中,n为小波系数个数。

系数调整方法有软阈值法和硬阈值法两种,本文采用软阈值法,即

(11)

5 实验及结果分析

本实验参考信号是波形发生器产生的高斯包络Chirp信号,被测导线为RG104型同轴电缆,单故障点导线长47m,多故障点导线长16m,故障点分别位于7m和16m处,检测信号由数据采集卡采集并应用Matlab7.0进行数据处理。

根据相似性原理选择db8小波进行分解,sym小波进行重构。对未经过降噪处理和经过阈值降噪处理的检测信号进行时频相关运算,单个故障点分析结果如图2所示,多个故障点分析结果如图3所示。

图2 单个故障点反射信号与参考信号互相关处理

从图中可以看出,对于单个故障点反射信号,衰减较小,反射信号能量远高于噪声能量级,对反射信号的检测影响较小。从图3(b)可以看出,降噪效果比较好。对于多个故障点的导线,参考信号在每个故障点都有衰减,当反射信号能量衰减到噪声能量级的时候,噪声影响造成故障点的误判。

图3 多个故障点反射信号与参考信号互相关处理

可以看出,在参考信号后得到四个波峰,判定出有三个故障点和一个端点,与实际不符。所以,可以判定在325ns处为噪声干扰;检测信号经过降除噪声处理后消除了干扰。

用故障检出率来评估对船舶电缆故障的检测效率,即检测到故障点次处与测量总次数的比值。对不同故障点个数的船舶电缆进行重复多次测试,比较时频反射法和时域反射法的测量效率,检出率如表1所示。

表1 船舶电缆故障检出率分析

由表1可以看出,故障点个数越少,两种方法的检测效率越高。连续三个故障点时域反射法检出率降为7%,而时频反射法仍保持较高的检出率。当故障点个数更多时,由于参考信号在前面故障点处的衰减较大,到达第四个故障点时参考信号已经衰减到很难检测出来的程度,两种方法都不能准确地检测到故障点。一般来说船舶电缆发生故障后都有显性反应,算上例行的日常维护,检测距离故障发生间隔时间不会太长,故障点很少超过三个。

由于信号在故障点处和节点处衰减较大,随着故障个数增加,反射信号的信噪比降低,故障点达到一定个数的时候,信号能量衰减至噪声的量级,那么该故障点反射信号受噪声影响较为严重。用故障点的误报率来衡量该方法的故障检测准确度,即出现误报现象次数和测量总次数的比值。对不同故障点个数的船舶电缆进行重复多次测试,比较时频反射法降噪前和降噪后的检测误报率,如表2所示。

表2 船舶电缆故障误报率分析

由表2可以看出,误报率随着故障点个数的增加而增大,与前面分析一致,降噪前由于噪声信号在时频相关处理的过程中也被放大了,从而在没有反射信号的时刻出现尖峰信号产生误报现象。通过小波降噪处理在很大程度上减轻了噪声对检测误报率的影响。

6 结语

本文针对船舶电缆故障特点,采用时频反射方法对局部故障、连续故障和跨转接头故障进行诊断。根据参考信号的时频特性,合理设置小波降噪的阈值来进行有效降噪,并且通过在时频域内对参考信号和反射信号进行时频相关运算,很好地使这些故障的微弱反射信号更明显,通过分析故障检出率和误报率,验证了该方法的可行性。

[1] Shi X D, Li D Y, Wang L W, et al. Application of wavelet in airplane cable fault location[C]//IEEE International Conference on Control and Automation,2007:127-130.

[2] Tokson Choe, Chan Young Hong, Jin Bae Park, et al. Implementation of a time-frequency domain reflectometry system with PXI platform for a coaxial cable[C]//Instrumentation and Measurement Technology Conference, Italy,2004.

[3] Yong June Shin. Theory and application of time-frequency analysis to transient phenomena in electric and other physical systems[D]. The University of Texas at Austin,2004:108-135.

[4] Remi Gribonval. Fast matching pursuit with a multi-scale dictionary of gaussian chirps[J]. IEEE Transactions on Signal Processing,2001,49(5):994-1001.

[5] Teal C, Larsen W. the Phenomenology of wire, dielectrics and frequency[C]//Digital Avionics Systems Conference, Corona, USA,2002:1-9.

[6] 陈克难,刘文红.信号波形在同轴电缆中的传输[J].仪器仪表学报,2004,25(4):502-505.

[7] 张炳达,瞿敏,陈伟乐.软阈值消噪法在电缆故障测距中的应用[J].仪器仪表学报,2003,24(4):506-507.

[8] D L DONOHO. Denoising by soft-thresholding[J]. IEEE Transactions on Information Theory,1995,41(3):613-627.

[9] Zhao Z D. Wavelet shrinkage denoising by generalized threshold function[J]. Proceedings of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics,2005,18(21):5501-5506.

[10] Berman Z, Baras J S. More about wavelet maxima representations[C]//Acoustics, Speech, and Signal Processing, Maryland University,1993:662-665.

Ship Cable Fault Diagnose Based on Time-Frequency Reflection

CAI Longfei1YANG Lei2

(1. Navy Representative Office in Wuhan 438 Plant, Wuhan 430060) (2. School of Electric and Electronic Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023)

Aiming at difficult diagnosis problem caused by weak reflected signal, big signal attenuation in high-tech ships cable fault diagnosis method based on time domain reflection, time-frequency diagnosis method is adopted to amplify the weak echo and improve hit rates. In addition, the threshold denoising method based on wavelet decomposition is studied to eliminate the interference of noise and reduce false alarm rates. Experiment is set to compare the time domain reflection and time-frequency reflection, which shows that the proposed method can achieve higher hit rates and lower false alarm rates.

ship cable, fault diagnosis, time-frequency reflection

2014年6月6日,

2014年7月25日

蔡龙飞,男,工程师,研究方向:电子工程。杨蕾,女,博士,副教授,研究方向:电子工程。

TP206+.3

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.043