基于時域反射技術的機載電氣通道故障定位技術研究

李昕 陶義建 張媛

摘要：飛機機載電氣傳輸通道的故障定位一直是難題，簡單的電網故障經常需要花費大量的時間及人力進行機上排查。因此，快速準確的機載電網故障定位技術在飛機研制生產及后期維護過程中具備極高的研究價值。本文首先分析了時域反射技術目前存在的主要問題，進而詳細介紹了時域反射技術在機載電氣通道故障定位中的解決方案，討論了時域反射技術在機載電器通道中的應用方向。

關鍵詞：時域反射；電氣通道；故障定位

Keywords：time domain reflectometry；electrical channel；fault location

0 引言

飛機電網是機載設備功率傳輸和信號傳輸的介質，承擔了機上所有電信號的傳輸及分配任務，其安全可靠性直接關系到飛機的安全性及可靠性。隨著計算機技術及高集成化的電子元器件的飛速發展，為減輕飛行員非戰斗工作負載，各機載系統的智能化程度不斷提高，導致機載光電網絡日益復雜，機載線纜總長度持續增加，電網單點失效的風險也隨之加劇。在飛機生產及使用過程中，當出現電線中部斷線、因絕緣層破損造成短路等故障時，由于失效電線往往不可見或不可達，導致此類故障的排除一定涉及大量的成品及附件、線束的拆裝，工作量大，耗時長。因此，針對電氣通道中傳輸故障點的定位及故障類型的判斷，一直以來都是飛機電氣系統工程技術人員的重要課題。

1 時域反射測量技術

時域反射測量（TDR）技術是在高速脈沖技術迅速發展的基礎上出現的一種非常有效的測量技術，其工作原理如圖1所示。

若將TDR視作一臺小型的一維雷達，只需要一個高速脈沖信號發生器作為信號源，一臺取樣示波器作為接收裝置和顯示器就可以搭建完成。如圖1所示，由脈沖信號發生器發出的快邊沿信號注入傳輸線，若傳輸線阻抗連續，階躍信號就會沿著傳輸線持續向前傳播；若傳輸線出現阻抗變化，階躍信號就有部分反射回來，其余部分仍繼續傳播。因阻抗變化反射回來的信號與后續新注入的階躍信號疊加時，示波器就可以采集到這個信號。

其中，L為信號輸入點到反射點的距離；V為信號在通道中的傳播速度；Δt為入射波與反射波間的時間間隔。

TDR技術早期主要應用于通信領域，尤其是在電話線路故障定位方面。隨后，基于行波法、小波變換、神經網絡等技術的電纜線路故障定位方法被廣泛研究，并應用于長距離的輸電或信號線路及民用電網故障定位工作中，然而針對航空機載電網短距高精度的故障定位方面的應用尚不多見。近幾年，基于高速脈沖信號源及高速采樣示波器的發展，TDR技術在與航空領域應用場景類似的計算機及其他消費電子設備上的軟排線通信品質測量及故障定位方面已有了相關的成功應用經驗。

2 時域反射技術在機載電氣通道故障定位中的解決方案

根據機載電氣通道短距高精度的測試特點，本文提出了關鍵測試指標，并分析影響測試指標的關鍵因素，最終在分析之上給出一個可行的機載電氣通道故障定位測試解決方案。

2.1 機載電氣通道故障定位測試需求指標分析

首先是通道長度。普通民用電信傳輸網絡或民用電網一般距離較長，動輒千米長，而機載電路的傳輸距離相對較短，通常為幾十米的量級，在距離較短的情況下要獲得更高的準確度，需要測試系統有更高的分辨率。

除了通道長度外，使用時域反射技術對電纜測試時，被測對象的工作頻段也十分重要。對于低于10GHz的信號，使用時域反射法和頻域反射法的測試性能大致相當；而當信號負載頻率高于10GHz時，需要使用頻域測試方法，一般選用矢量網絡分析儀。

一般地，普通機載直流低頻（400Hz）或高頻線纜的工作頻段均低于10GHz，可視作DC直流系統。

2.2 系統分辨率的影響因素

時域反射系統的分辨率是指在用TDR測試時能夠分辨的最小距離，即TDR能夠分辨的傳輸線最小長度，與TDR的上升時間關系較大。TDR產生一個快速脈沖邊沿，入射到待測器件中，通過采樣反射波來測量特征阻抗，而產生的快速脈沖邊沿本身有一個上升時間，上升時間在待測器件上對應的電氣長度對于TDR來說是一個模糊區域，該區域內，TDR儀器不能準確測出待測器件的特征阻抗。所以，TDR上升時間是TDR分辨率的主要影響因素之一。

由式（5）可見，測試系統轉接工裝用的電纜、連接器、接觸件及探針等對TDR系統測試精度關系重大。

2.3 測試要求

綜上所述，提出針對飛機電氣傳輸通道故障定位TDR測試系統的測試要求。被測對象：飛機電氣通道；被測對象長度：最短500mm；分辨率：50mm。

該要求長度指標考慮了一般飛機機載電纜的實際物理尺寸；分辨率指標除能較準確地在機上進行故障定位外，還能根據通道理論長度初步判定是否存在意外的通道中段開路故障。

2.4 系統配置解決方案

常用的Raychem公司SPEC55型導線的絕緣材料為聚四氟乙烯，其介電常數為2.55。因此，根據式（3）得到電脈沖在導體中的傳輸速度為1.8×1011mm/s。

因測試系統的水平分辨率要求50mm，根據式（4）得到系統上升時間Tsys為555ps。

3 時域反射技術在機載電氣通道故障定位中的應用研究

根據上述討論，當入射電脈沖在傳播過程中遇到阻抗不匹配點時，將產生反射。事實上，TDR采集到的反射信號攜帶了大量的被測線路信息，使根據反射波形判斷被測線路上每個點的阻抗特征變為可能。

入射電壓（uincident）及反射電壓（ureflected）均可由TDR示波器得到，因此可以計算得出被測通道上任何一點的阻抗，進而判斷線纜傳輸通道的質量。

直觀的結果如圖2、圖3所示。

我們認為，利用上述原理，可以用TDR代替目前行業大量使用的電纜測試儀。因目前的傳統測試儀均采用四線電橋法對機載電網進行測試，得到整個通道的平均電阻值。雖然結果精確，但卻無法判斷被測通道是否在中間某點存在失效風險，因為線纜的部分阻抗不匹配可能被其余部分補償。

此外，采用TDR的電纜測試儀測試速度更快，設計固態繼電器矩陣開關后，可實現自動掃描通道切換，理論上可以代替現有測試儀器完成機載線束接口系統的地面測試。

在反射波形識別經驗積累的基礎上，通過觀察反射波形，可以大體判斷機載電氣通道在何處出現了何種故障，如圖4所示。

4 總結

通過分析機載被測通道的特點，本文提出了測試需求，在分析了TDR測試系統在短距高精度測量上的主要測量誤差因素后，給出了一套可實現的測試儀器的集成解決方案。

根據上述分析，本文認為時域反射技術輕便快捷，故障定位精度高，僅需單端接入被測電路，特別適合安裝環境復雜、可見性及可達性都不好的機載電氣傳輸通道的故障定位。

參考文獻

[1]尹琦. 飛機導線故障檢測與定位系統設計[D].成都：電子科技大學，2019.

[2]黃明俊，安磊，程道良. 信號反射技術在飛機線路故障快速定位中的應用[J].飛機設計，2020，40（5）：53-56.

[3]宋建輝. 基于時域反射原理的電纜測長若干關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.