基于传输线理论的机上电缆断点定位仪设计

应朝龙，李　超，杨　凡（海军航空工程学院.基础实验部；.研究生管理大队，山东烟台264001）



基于传输线理论的机上电缆断点定位仪设计

应朝龙a，李超b，杨凡b
（海军航空工程学院a.基础实验部；b.研究生管理大队，山东烟台264001）

摘要：在分析目前机上电缆传统测试方法所存在的弊端的基础上，针对当前自动测试系统未解决的机上电缆测试问题，提出了一种基于传输线理论的机上电缆断点位置测试方法，给出了断点定位仪硬件电路设计和误差分析方法，并对误差分析得到的相关参数进行了仿真实验，根据仿真结果，给出断点定位仪的优化方法，可实现对机上电缆断点的精准定位。

关键词：机上电缆；传输线原理；断点定位；鉴相误差

随着机载电子设备的不断发展，对其可靠性要求越来越高，机载自动测试设备在机载电子设备维护保障中的重要性不断提高，并在各方面得到了广泛的应用[1-2]。机上电缆是实现机载电子设备信号传输和控制的必备部件。但现在的机载电子设备自动测试系统都只针对机载设备，没有将机上电缆纳入到测试对象中，导致对机上电缆的测试还停留在手工测量上。从飞机日常维护保养出发，机上电缆的测试主要涉及电缆内部的通断测试和断点定位。文献[3]所提出的机上电缆无线测试仪介绍了一种机上电缆测试方法，解决了机上电缆通断测试问题，提高了机上电缆的测试效率，但没能解决电缆断点的定位。本文基于传输线理论，提出了一种确定电缆断点位置的方法，并给出了断点位置测试仪硬件电路设计方案。

1　基于传输线理论的电缆断点检测原理

目前，机载电子设备的测试保障和故障隔离要求越来越高，如何在最短的时间内最精确地确定机上电缆断点的位置，关系到机载电缆及时更换以及现场抢修的效率和成本，也是机载电缆原位测试的要点和难点。基于传输线理论并采用合适的信号处理方法，就可以解决机上电缆断点定位问题。

1.1传输线方程及求解[4]

假设信号源是角频率为ω的正弦信号源，即电压和电流随着时间作时谐变化，此时传输线上电压和电流的瞬时值为u(z,t)和i(z,t)，则有：式（1）中，U(z)和I(z)分别为传输线上z处电压和电流的复有效值，只是距离z的函数。

对均匀传输线，因参数是沿线均匀分布的，故只须研究线元dz的情况。设传输线上z处的电压和电流分别为u(z,t)和i(z,t)，z+dz处的电压和电流分别为u(z+dz,t)和i(z+dz,t)，此时线元可看作集总参数电路。

根据克希荷夫定律，有：式（2）即均匀传输线方程，也叫电报方程。

将式（1）代入式（2），并且将U(z)、I(z)分别写为U、I，得到U传输方程：式（3）中：R+jωL=Z为传输线单位长度的串联阻抗；G+jωC=为传输线单位长度的并联导纳。

将式（3）两边对z再微分一次，可以得到：

式（4）是均匀传输线的波动方程，其中：γ为传输线上波的传播常数，一般为复数，其实部α为衰减常数，虚部β为相移常数。式（4）的解为：式（5）中：e-γz表示波向+z方向传播；eγz表示波向-z方向传播，传输线上电压和电流的解呈现出波动性；A1、A2为积分常数。

已知终端电压U2和电流I2，将z=l、U(l)=U2、I(l)=I2代入式（5）可得：式中，Z0是Z=R+jωL的一个常数。

将式（6）代入式（5）得到：式中，z′=L-z是由终端为原点朝始端算起的坐标。

式（7）可变换成双曲函数形式为：

1.2断点定位基本原理

断点定位就是基于以上的传输线理论，根据传输电报方程中始端和终端的电压电流关系，利用电信号在传输线上的反信号进行波形相位检测，将延迟时间换算成距离，最终准确确定断点的具体位置。

在传输线中，由传输电报方程可得始端和终端的电压电流关系如下：

传输线电路是一个分布参数电路，计算比较复杂。为了简化分析和理解，根据电压、电流以及阻抗的分布规律将传输线的工作状态分成3种：无反射情况、全反射情况和部分反射情况。若按驻波系数的不同来分，依次为行波状态、纯驻波状态和行驻波状态。当入射波被全反射时，合成波为纯驻波。将上式代入纯驻波工作状态，可得：式（9）中：U1、U0分别为终端和始端的电压矢量；I1、I0分别为终端和始端的电流矢量；γ为线路的传播常数；l为线路长度；Z0为传输线的特性阻抗。

2　电缆断点定位仪硬件电路设计

根据式（9）可知，当外加正弦波信号从电缆始端向终端传输时，在终端会有一个反射信号，它与入射端的入射信号在检测点相遇，此反射信号与入射信号方向相反，频率相同，只是相位不同。当传输线开路时，此时可以将断点处视为终端，反射系数的模为1，也就是全反射。断点定位就是在这一设定情形下研究问题，总体思想是在被测电缆的始端输入高频信号并检测、处理发射信号和反射信号，从而获取发射信号和反射信号的时间间隔，进而达到确定断点具体位置的目的。

由于在机上电缆上传递的入射信号和反射信号已叠加在一起，因而要实现断点定位的首要问题就是要解决入射信号和反射信号的分解问题。由于电信号的传输速度特别快，入射信号和反射信号的延时值一般也非常小，为了达到较高的定位精度，必须解决入射信号和反射信号延时的精确测量问题。采用先将正弦波信号转换为方波信号，再测量2个信号之间的延时值的方法，电路实现上非常简单，但对于微量延时的测量精度会很低，难以满足电缆断点定位的要求，因而必须采用其他高精度的延时测量方法。

根据电缆断点定位仪的测量原理和定位精度要求，确定其硬件电路原理框图如图1所示。

图1　机上电缆断点定位仪硬件电路原理框图Fig.1 Hardware circuit schematic diagram of the on-vehicle cable breakpoint locator

图1中，信号源为整个电路提供断点定位所需的高频信号。为了精确测量断点位置并消除距离模糊，信号源的频率必须可变，它由控制与处理电路控制处理。图中的2个隔离电路的结构必须相同，电路参数也应尽可能一致。滤波器用以消除各种干扰信号，以利后级电路提取反射信号；滤波器的通频带受控制于控制与处理电路，以便与信号源的频率相适应。减法器用以分解入射信号和发射信号，从而提取出反射信号。鉴相器用以测量入射信号和反射信号的延时。控制与处理电路一方面要控制信号源的频率值和滤波器的通频带；另一方面要根据鉴相器的输出信号和信号频率值得出入射信号和反射信号的延时值，然后根据距离模糊消除方法得出电缆断点定位信息；同时，还要提供测量控制和显示等人机接口功能。

由断点检测原理可知，检测点处的波形为入射信号和反射信号的叠加。因此，在处理电路中需要将反射信号与入射信号进行比较。首先，一方面将检测点所得信号S1+S3进行低通滤波，去除噪声杂波，与通过隔离电路的入射信号S1同时接减法器，接着将减法器所得反射信号S3与入射信号S1同时接鉴相器，比较后就得到了入射信号S1和反射信号S3的波形的相位差Δφ，即可求出延迟时间为

由电磁波反射原理可知，入射信号和反射信号相位比较所得延迟时间Δt，就是电信号从检测点到断点来回所用的时间，因此，检测点到断点距离为

将式（10）代入式（11）中得式中，v为电信号在电缆中的传播速度，它取决于电缆的传输特性。根据各个电缆的传输特性求得其相应波速vp，按照上述表格格式建立电缆信息数据库，针对不同的电缆对应的参数代入式（12）中，即可求出断点与检测点距离l，从而得到断点的具体位置。

3　断点定位误差分析与仿真

断点的定位误差是本定位仪最为重要的一个技术指标，其需求及其影响因素是定位仪中的信号源、滤波器和鉴相器硬件电路设计的重要依据，也是信号源和滤波器频率选择的基本依据。

3.1断点定位误差与信号频率的选择

由断点距离式（12）可进一步推导出，断点定位误差公式为式（13）中：Δφs为鉴相误差；f为入射信号频率。

可见，定位误差决定于鉴相误差、信号频率和电信号传输速度。

一般，定位精度要求可在设计时提出。当已知定位精度要求时，可由式（13）得输入信号频率为：

如果确定定位精度要求为1cm，则在鉴相器误差为1°、电信号传播速度为3×108m/s时，由式（14）计算可知输入信号频率为41.7 MHz。

3.2距离模糊消除方法

由鉴相器只能得到S1、S3在一个周期内的相位差，由于信号具有周期性，实际的相位差为：可见，这里就会存在一个模糊距离：

根据上式可以看出不同频率对应的模糊距离也不同，测试得到的断点位置也会有很多值，但无论用多大的频率来测量，断点的实际位置是固定的，因而由不同频率的入射信号得到的断点位置中一定会有一个是相同的。由此，可设计利用多个频率来消除距离模糊。以2个频率为例，其基本原理示意图见图2。

图2　基本原理示意图Fig.2 Diagram of Basic schematic

3.3软件仿真

本节根据上文中的式（13）、（16），利用Matlab软件对上述电缆断点测试方法中误差的相关参数进行仿真，得到频率分别为20 MHz、40 MHz、60 MHz时，断点定位误差与鉴相误差的关系曲线如图3所示，模糊距离与频率之间的关系曲线如图4所示。

图3　断点定位误差与鉴相误差的关系曲线Fig.3 Relation curve between breakpoint location error and phase discrimination error

图4　模糊距离与频率之间的关系曲线Fig.4 Relation curve between fuzzdistance and frequenc

由仿真可知：定位误差与鉴相误差成正比关系，并与输入信号频率有关；模糊距离与频率间为非线性关系。为改善定位仪的性能，必须优化鉴相器设计，提高鉴相器性能，减小鉴相误差；同时，合理选择信号源的频率和测试控制方法，以消除距离模糊现象。

4　结论

本文在分析传输线理论的基础上，提出了机上电缆断点定位方法及定位仪的硬件电路设计，分析了定位误差与距离模糊误差产生的原因，并给出了误差降低和距离模糊消除方法，通过仿真验证，得到了鉴相误差与电缆测试距离的关系，模糊距离与频率之间的关系，为硬件电路的设计提供了依据。

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Design of On-vehicle Cable Flultpoint Locator Based on the Theorof Transmission Line

Abstrraacctt:: After the analsis of the disadvantages of the traditional test methods about the on-vehicle cables and in view of the problem that the on-vehicle cable test has not been solved in the current ATS, a test method of on-vehicle cable fault⁃point locator based on the theorof transmission line was put forward. At the same time, the hardware circuit design of faultpoint locator and the method of error analsis were given. A simulation eperiment was done with parameters provided berror analsis. According to the results of the simulation, the better wawas got to design the locator. As a result, accu⁃rate positioning of on-vehicle cable breakpoint was implemented.

作者简介：应朝龙（1964-），男，副教授，硕士。

收稿日期：2014-10-08；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.006

文章编号：1673-1522（2015）02-0125-04

文献标志码：A

中图分类号：V243

修回日期：2015-01-16