基于混沌时域反射的电缆故障测试系统设计与实现

摘要

随着设备自动化水平的不断提高，电缆作为电能和信息传输的主要载体，在飞机、动车、舰船、航天器、复杂仪器仪表等大型装备中的使用逐渐增多，且系统布线越来越复杂。由于电缆绝缘老化、安装运行环境以及外力等原因，不可避免会发生断路和短路等故障。发展高精度、智能化的电缆故障测试仪器，实现对电缆故障点的准确定位和识别，有利于快速排除故障，减小电缆故障带来的损失。国内现有的电缆故障测试仪主要存在两个方面的缺陷，首先是测量精度低，测量结果无法达到厘米级的分辨率，需要辅助仪器才能对故障点进行精确定位；其次是无法进行在线检测，现有仪器普遍采用脉冲反射法，脉冲信号对在线信号干扰严重，无法进行实时在线检测。
　　为实现对电缆故障的高精度定位和在线检测，探索了宽带微波混沌信号在电缆故障检测方面的应用，研制了一种基于混沌时域反射技术的电缆故障测试仪。本文针对电缆故障检测展开研究，主要研究内容包括：
　　1.分析了常见的电缆故障类型及产生原因，总结了国内外现有检测技术的优缺点，提出了混沌时域反射法。
　　2.研究了宽带微波混沌信号的在电域中产生的方法，重点探究了布尔混沌信号在电缆故障检测方面的优势。通过实验研究了布尔混沌电路非线性特性的产生机理、进入混沌的路径、最大李雅普诺夫指数和自相关曲线的峰值噪声比等。并分析了周期态和混沌态下输出信号的时域、频域以及自相关特性。
　　3.自主研制了基于混沌时域反射技术的电缆故障测试仪样机，并详细介绍了该样机的软、硬件系统和核心算法设计。
　　4.用电缆故障测试仪样机进行了离线故障检测，对该仪器的实际测试性能进行了实验分析。测量结果表明，该仪器可对同轴电缆短路、断路和阻抗失配等故障实现准确定位，在200 m的测量范围内，相对误差稳定在0.18％范围内，即测量绝对误差在36 cm以下，在1600 m的测量范围内，定位结果相对误差在4.3%以下。
　　5.利用研制的电缆故障测试仪样机对构建的通信系统进行了在线故障检测，测试结果表明混沌信号对通信系统引入的误码率为E-09量级，满足电缆故障在线检测的要求。此外，搭建了模拟湿电弧的实验装置，用样机进行了湿电弧在线检测，测试结果表明电缆故障测试仪可以有效检测电力传输系统中线缆的湿电弧故障。
　　6.基于混沌时域反射技术，利用便携式数字采集卡重新搭建了一套电缆故障检测装置。基于LabVIEW进行了程序二次开发，编写了配套软件。用搭建的系统对同轴通信电缆线进行了故障测试，并和电缆故障测试仪样机的测试结果进行对比，对整个系统性能进行了分析。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 常见的电缆故障类型及原因

1.3电缆故障检测的几种典型方法

1.4 混沌时域反射技术

1.5 本文研究内容及文章结构

第二章 适用于电缆故障检测的微波混沌信号源的设计

2.1微波混沌信号产生方式

2.2 布尔混沌电路设计与特性分析

2.3 本章小结

第三章 混沌时域反射仪系统设计

3.1 系统硬件总体设计

3.2 系统软件设计

3.3 电缆离线故障检测及样机性能分析

3.4 电缆在线故障检测及样机性能分析

3.5 本章小结

第四章 基于LabVIEW的混沌时域反射仪系统

4.1 系统硬件装置

4.2 基于LabVIEW开发电缆故障测试仪软件系统

4.3 测试性能分析

4.4 本章小结

第五章 总结和展望

5.1工作总结

5.2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文