基于SSTDR技术的战机电缆隐性故障检测仿真分析

许子健，郭 健，程道良

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016；2.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)

在飞机诞生的100多年里，因电线、电缆故障造成过各种事故，有的甚至造成机毁人亡的重大事故或极大的财产损失。近年来，国内外因电线故障引发的事故因其危害性大、具有不可预见性等，越来越受到关注。因此飞机电线故障的诊断和定位能力已经是摆在航空公司、军队、飞机制造和维修公司面前的重要问题。

飞机电缆在使用周期中，因拉扯、弯折和振动等动作会造成损伤甚至出现断丝现象，修理检测中很难被发现，留下一些隐性故障，继续使用和扩展，会瞬间引发较大事故。

一般提出的电缆隐性故障主要包括线缆局部断股、刺穿绝缘层、电连接器插装不紧固或者线芯压接点松动等在地面静态时阻抗变化率较小，但在高空由于温度骤变、机体剧烈振动等原因导致阻抗急剧增大或消失的故障。隐性故障在测试中的一般表现为阻抗的变化，为此，研究电缆隐性故障检测可行性，可通过检测电缆的最小阻抗变化来分辨。本报告以扩展频谱时域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)为基础，通过软件仿真研究机上电缆隐性故障检测定位的可行性，为后续电缆隐性故障检测提供理论基础。

美国威廉玛丽学院Hinders 等[1]基于飞机线缆时域反射方法(Time Domain Reflectometry，TDR)，采用小波分析的方法，建立一种反射波形矢量特征模型，对RG58同轴电缆损伤进行了验证；美国犹他州立大学的Furse 等[2]使用频域反射方法(Frequency Domain Reflectometry，FDR)，利用不同材质电磁波传播速度不同的特性，测量电磁波传播时间，对飞机线缆故障位置进行了定位；美国南卡罗来纳大学的Shin等[3]提出了时频域反射(Time-Frequency Domain Reflectometry，TFDR)测量方法，对同轴电缆的故障定位进行了研究；美国 Sandia 国家实验室Schneider 等[4]提出脉冲火花放电(Pulse Arrested Spark Discharge，PASD)的飞机线缆故障测试方法；美国的Naik等[5]基于多载波反射(Multi-carrier Reflectometry，MCR)测量方法提出了优于时域反射方法的测试系统，避免测试信号频带宽度与电缆传输信号的冲突；北京航空航天大学张俊民等[6]提出基于时域反射法的航空电线绝缘故障检测与分析的方法研究，在一定程度上有利于检测出绝缘故障；西安电子科技大学张英杰[7]对扩展频谱时域反射技术(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry,SSTDR)原理进行了相应的研究，提出了新兴的扩展频谱反射计方式来定位系统故障点，利用检测信号反射的延迟特性检测电缆的短路与断路，并取得了较好的效果。

在故障诊断领域，常用的电缆故障诊断方法是TDR方法，但是战机线缆多段、多接头的特性使得接头之间具有信号的损耗，使得检测信号会发生衰减和扰动变形，从而检测信号的反射波形会发生较大失真，对电缆的故障定位带来误差[8]。需要针对飞机，特别是军用飞机电线、电缆故障定位与维修技术需求进行研究优化，还无法直接在国内的飞机维修领域推广应用。而国内的电线故障测试技术还处于发展阶段，较多高校及相关公司均在进行相应研究，但主要针对对象还是集中在通信、电力等领域，因其使用工况特性和技术需求决定其分辨率等要求不能满足飞机的使用维护工况，其研发的相关产品也不能直接用于航空电线、电缆故障诊断与定位。

合适的检测方法是保证快速有效测试电缆故障的关键。普通低频电缆占据了航空电缆的绝大部分，而低频电缆的主要故障包括断路故障、高阻故障、短路故障和低阻故障，由于航空电缆的特殊性，断路故障和短路故障是航空电缆中最为常见的故障类型，本文针对这两种故障提出了SSTDR，并通过仿真建模验证分析SSTDR的可靠性。

1 SSTDR检测法的基本原理

电信号在电缆中传播，如果电缆的特征阻抗发生变化，则电磁波会在特征阻抗变化的地方发生反射与透射，通常只有电缆的故障点处才会有特征阻抗的变化。当电缆是均匀无故障时，电信号在其中传播就不会发生反射与透射现象，但由于传输介质的原因，电信号会存在衰减与相位变化。

基于SSTDR的电缆故障信息提取是一种单端测试方法，将SSTDR检测信号Sin(t)从待测机上电缆的一端输入，如果待测电缆存在故障，由于故障位置的阻抗发生突变，会导致在该位置发生反射，电缆故障图如图1所示。

图1 电缆故障图

同时在输入端位置接收到的反射信号Sref(t)如式(1)所示[9]。

Sref(t)=Γδ2Sin(t-ti)

(1)

式中：δ为输入端到故障位置的电压幅值衰减率，由于检测信号输入至故障位置再反射回来，经历了2次衰减过程，因此取电压幅值衰减率的二次方；ti为反射信号相对于检测信号的延迟时间；Γ为故障位置的反射系数。

(2)

硬件采集到的波形数据属于离散序列，因此，在利用相关函数运算进行故障识别时应使用离散序列的互相关函数。将Sin(t)延迟时间τ得到参考信号Sin(t-τ)，与反射信号Sref(t)利用式(1)进行相关函数运算，如式(3)所示。

(3)

SSTDR测试信号的相关运算有一定的周期性，当超过一个周期时会出现2个或者更多自相关峰值，就会和故障相关峰值混淆，产生误判，因此检测系统要在一个周期内完成全相关运算[10]。在这一个周期T之内，通过改变延迟时间τ的值，使得相关系数|R|取得最大尖峰值，此时，τ=ti，即为检测信号在输入端和故障位置之间往返传播的时间。如果已知检测信号在待测机上电缆中的传播速度v，则可以计算故障位置X[11]为

(4)

通过判断最大尖峰值的符号可以确定故障类型。断路故障的最大尖峰值符号为正，短路故障的最大尖峰值符号为负。

对于待测量电线面积为S，有N根导体组成的电线，有n根导体断裂，断裂长度为ΔL，剩余长度为L，损失面积为S0，可设断线处损失电阻为R01，剩余电阻为R02，没有发生变化部分电阻为R。则有：

(5)

(6)

(7)

断线时，总电阻R总1为R02与R串联：

(8)

未断线时，总电阻R总0为R01∥R02与R串联:

(9)

断线前后，电阻变化率r：

(10)

单根导体的平均截面积Sav为

(11)

损失截面积为

(12)

电阻变化率r为

(13)

令电线总长度L0=L+ΔL，则有：

(14)

式中：负号表示断线后，电线电阻比原电阻大。

综上分析，对于相同固定长度的电缆，断丝长度不变情况下，电缆断丝数量n将会引起电阻变化率发生r变化，r变化引起电线阻抗ZL的变化。

2 故障定位仿真测试

本文针对战机上电缆局部断股和刺穿绝缘层等故障阻抗变化率较小、故障特征信号微弱难以检测的问题，基于SSTDR技术，探讨电缆阻抗变化率对故障检出率的影响，通过MATLAB仿真，给出机上电缆隐性故障可检出的阻抗变化率范围。对于电线故障点的反射信号参数，经多次仿真检测故障点相对于正常线缆阻抗变化率为22.2%时，故障点回波反射系数为0.1，回波延时为0.04 μs，电磁场在线缆中的传播速度为2.4×108m/s，“故障点1”的距离为4.8 m，发送检测信号峰峰值电压2 V，信噪比20 dB，噪声功率0.01 W，同时以0.12 m作为预期定位分辨率，设置“故障点2”的距离为4.92 m。图2为线缆故障整体处理流程图。

图2 线缆故障整体处理流程图

2.1 检测信号生成

检测信号使用正弦信号对PN码进行扩频调制产生，PN码码片宽度为0.02 μs，PN码码片数为15，正弦信号频率为50 MHz，电压峰峰值为2 V。图3为PN码片序列，图4为正弦序列，图5为生成的检测信号。

图3 PN码片序列

图4 正弦序列

图5 检测信号

所生成的扩频调制检测信号可实现对超过36 m的线缆进行测试，用于故障点反射信号仿真及ADC量化仿真的输入检测信号。

2.2 故障信息提取

检测信号发射到待测电缆上，在故障位置反射回来，然后对反射信号与检测信号进行数模转换，原始检测信号经过延迟器后与反射信号进行相关运算，提取故障信息位置。

经过量化后的反射信号ADC采样量化图如图6所示。

图6 反射信号ADC采样量化图

对隐性故障点1和隐性故障点2回波分别进行相关运算，生成的距离幅度谱如图7所示。

图7 故障点回波相关运算结果：距离幅度谱

22.2%阻抗变化率的隐性故障点在相对于Vpp 2 V信号-20 dB的线缆噪声环境中的反射信号，在经过相关运算后的距离幅度谱上其对应距离的坐标点出现了峰值，验证了SSTDR原理的有效性，其生成的距离幅度谱可以作为故障点判断的依据。隐性故障点距离由4.8 m变为4.92 m，距离幅度谱的峰值位置仍能够准确与其实际距离对应。

2.3 10%阻抗变化仿真

为确定SSTDR技术可检出的阻抗变化率范围，继续降低电线损伤量进行仿真分析，当阻抗变化更小，仅为10%时，使用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)滤波后的距离幅度谱，进行进一步增强处理，得到峰值旁瓣比更优的距离幅度谱，最后进行峰值提取，得到故障点位置。

对EEMD滤波后的距离幅度谱进行广义S变换，再对不同时刻的广义S变换结果进行Fourier逆变换，得到双时域平面归一化幅度谱，幅度谱聚集在双距离坐标平面的对角线上，如图8所示。

图8 双距离域归一化幅度谱平面投影

对归一化双距离幅度谱数据进行提取，得到归一化的距离幅度谱，如图9所示。由于干扰峰值较多，难以准确得到故障点位置。

图9 信息增强前后归一化距离幅度谱对比

稍增大阻抗变化量，基于广义S变换+Fourier逆变换的信息增强技术进行15%阻抗变化的信息提取，仍然无法准确定位故障位置。因此，确定电线故障造成阻抗变化超过20%以上，使用SSTDR技术才可以准确定位故障点位置。

3 结束语

针对航空电缆中最为常见的断路和短路这两种故障类型提出了SSTDR方法进行故障点定位检测，该方法利用检测信号反射的延迟特性来定位系统中短路和断路的故障点，从而有效避免测试信号衰变对故障定位的影响。

通过实例的仿真分析表明，对于一个隐性故障点阻抗变化率22.2%，相对于Vpp 2V信号-20 dB的线缆噪声环境，SSTDR技术仿真结果显示能检测出故障点位置，且距离分辨率可达到0.12 m。但当对于一个隐性故障点阻抗变化率更小的15%～10%时，再通过上述方法进行仿真，考虑到实际系统的信号环境、温度等的恶化，通过EEMD滤波和信息增强技术提升测试的稳定性，仍无法准确定位故障信息。因此基于SSTDR技术可用于特性阻抗大于20%的电线隐性故障的检测和故障定位。