基于SSTDR技術(shù)的戰(zhàn)機(jī)電纜隱性故障檢測(cè)仿真分析

許子健，郭 健，程道良

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

在飛機(jī)誕生的100多年里，因電線、電纜故障造成過各種事故，有的甚至造成機(jī)毀人亡的重大事故或極大的財(cái)產(chǎn)損失。近年來，國(guó)內(nèi)外因電線故障引發(fā)的事故因其危害性大、具有不可預(yù)見性等，越來越受到關(guān)注。因此飛機(jī)電線故障的診斷和定位能力已經(jīng)是擺在航空公司、軍隊(duì)、飛機(jī)制造和維修公司面前的重要問題。

飛機(jī)電纜在使用周期中，因拉扯、彎折和振動(dòng)等動(dòng)作會(huì)造成損傷甚至出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，修理檢測(cè)中很難被發(fā)現(xiàn)，留下一些隱性故障，繼續(xù)使用和擴(kuò)展，會(huì)瞬間引發(fā)較大事故。

一般提出的電纜隱性故障主要包括線纜局部斷股、刺穿絕緣層、電連接器插裝不緊固或者線芯壓接點(diǎn)松動(dòng)等在地面靜態(tài)時(shí)阻抗變化率較小，但在高空由于溫度驟變、機(jī)體劇烈振動(dòng)等原因?qū)е伦杩辜眲≡龃蠡蛳У墓收稀ｋ[性故障在測(cè)試中的一般表現(xiàn)為阻抗的變化，為此，研究電纜隱性故障檢測(cè)可行性，可通過檢測(cè)電纜的最小阻抗變化來分辨。本報(bào)告以擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)為基礎(chǔ)，通過軟件仿真研究機(jī)上電纜隱性故障檢測(cè)定位的可行性，為后續(xù)電纜隱性故障檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

美國(guó)威廉瑪麗學(xué)院Hinders 等[1]基于飛機(jī)線纜時(shí)域反射方法(Time Domain Reflectometry，TDR)，采用小波分析的方法，建立一種反射波形矢量特征模型，對(duì)RG58同軸電纜損傷進(jìn)行了驗(yàn)證；美國(guó)猶他州立大學(xué)的Furse 等[2]使用頻域反射方法(Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)，利用不同材質(zhì)電磁波傳播速度不同的特性，測(cè)量電磁波傳播時(shí)間，對(duì)飛機(jī)線纜故障位置進(jìn)行了定位；美國(guó)南卡羅來納大學(xué)的Shin等[3]提出了時(shí)頻域反射(Time-Frequency Domain Reflectometry，TFDR)測(cè)量方法，對(duì)同軸電纜的故障定位進(jìn)行了研究；美國(guó) Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Schneider 等[4]提出脈沖火花放電(Pulse Arrested Spark Discharge，PASD)的飛機(jī)線纜故障測(cè)試方法；美國(guó)的Naik等[5]基于多載波反射(Multi-carrier Reflectometry，MCR)測(cè)量方法提出了優(yōu)于時(shí)域反射方法的測(cè)試系統(tǒng)，避免測(cè)試信號(hào)頻帶寬度與電纜傳輸信號(hào)的沖突；北京航空航天大學(xué)張俊民等[6]提出基于時(shí)域反射法的航空電線絕緣故障檢測(cè)與分析的方法研究，在一定程度上有利于檢測(cè)出絕緣故障；西安電子科技大學(xué)張英杰[7]對(duì)擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射技術(shù)(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry,SSTDR)原理進(jìn)行了相應(yīng)的研究，提出了新興的擴(kuò)展頻譜反射計(jì)方式來定位系統(tǒng)故障點(diǎn)，利用檢測(cè)信號(hào)反射的延遲特性檢測(cè)電纜的短路與斷路，并取得了較好的效果。

在故障診斷領(lǐng)域，常用的電纜故障診斷方法是TDR方法，但是戰(zhàn)機(jī)線纜多段、多接頭的特性使得接頭之間具有信號(hào)的損耗，使得檢測(cè)信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減和擾動(dòng)變形，從而檢測(cè)信號(hào)的反射波形會(huì)發(fā)生較大失真，對(duì)電纜的故障定位帶來誤差[8]。需要針對(duì)飛機(jī)，特別是軍用飛機(jī)電線、電纜故障定位與維修技術(shù)需求進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，還無法直接在國(guó)內(nèi)的飛機(jī)維修領(lǐng)域推廣應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)的電線故障測(cè)試技術(shù)還處于發(fā)展階段，較多高校及相關(guān)公司均在進(jìn)行相應(yīng)研究，但主要針對(duì)對(duì)象還是集中在通信、電力等領(lǐng)域，因其使用工況特性和技術(shù)需求決定其分辨率等要求不能滿足飛機(jī)的使用維護(hù)工況，其研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品也不能直接用于航空電線、電纜故障診斷與定位。

合適的檢測(cè)方法是保證快速有效測(cè)試電纜故障的關(guān)鍵。普通低頻電纜占據(jù)了航空電纜的絕大部分，而低頻電纜的主要故障包括斷路故障、高阻故障、短路故障和低阻故障，由于航空電纜的特殊性，斷路故障和短路故障是航空電纜中最為常見的故障類型，本文針對(duì)這兩種故障提出了SSTDR，并通過仿真建模驗(yàn)證分析SSTDR的可靠性。

1 SSTDR檢測(cè)法的基本原理

電信號(hào)在電纜中傳播，如果電纜的特征阻抗發(fā)生變化，則電磁波會(huì)在特征阻抗變化的地方發(fā)生反射與透射，通常只有電纜的故障點(diǎn)處才會(huì)有特征阻抗的變化。當(dāng)電纜是均勻無故障時(shí)，電信號(hào)在其中傳播就不會(huì)發(fā)生反射與透射現(xiàn)象，但由于傳輸介質(zhì)的原因，電信號(hào)會(huì)存在衰減與相位變化。

基于SSTDR的電纜故障信息提取是一種單端測(cè)試方法，將SSTDR檢測(cè)信號(hào)Sin(t)從待測(cè)機(jī)上電纜的一端輸入，如果待測(cè)電纜存在故障，由于故障位置的阻抗發(fā)生突變，會(huì)導(dǎo)致在該位置發(fā)生反射，電纜故障圖如圖1所示。

圖1 電纜故障圖

同時(shí)在輸入端位置接收到的反射信號(hào)Sref(t)如式(1)所示[9]。

Sref(t)=Γδ2Sin(t-ti)

(1)

式中：δ為輸入端到故障位置的電壓幅值衰減率，由于檢測(cè)信號(hào)輸入至故障位置再反射回來，經(jīng)歷了2次衰減過程，因此取電壓幅值衰減率的二次方；ti為反射信號(hào)相對(duì)于檢測(cè)信號(hào)的延遲時(shí)間；Γ為故障位置的反射系數(shù)。

(2)

硬件采集到的波形數(shù)據(jù)屬于離散序列，因此，在利用相關(guān)函數(shù)運(yùn)算進(jìn)行故障識(shí)別時(shí)應(yīng)使用離散序列的互相關(guān)函數(shù)。將Sin(t)延遲時(shí)間τ得到參考信號(hào)Sin(t-τ)，與反射信號(hào)Sref(t)利用式(1)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，如式(3)所示。

(3)

SSTDR測(cè)試信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算有一定的周期性，當(dāng)超過一個(gè)周期時(shí)會(huì)出現(xiàn)2個(gè)或者更多自相關(guān)峰值，就會(huì)和故障相關(guān)峰值混淆，產(chǎn)生誤判，因此檢測(cè)系統(tǒng)要在一個(gè)周期內(nèi)完成全相關(guān)運(yùn)算[10]。在這一個(gè)周期T之內(nèi)，通過改變延遲時(shí)間τ的值，使得相關(guān)系數(shù)|R|取得最大尖峰值，此時(shí)，τ=ti，即為檢測(cè)信號(hào)在輸入端和故障位置之間往返傳播的時(shí)間。如果已知檢測(cè)信號(hào)在待測(cè)機(jī)上電纜中的傳播速度v，則可以計(jì)算故障位置X[11]為

(4)

通過判斷最大尖峰值的符號(hào)可以確定故障類型。斷路故障的最大尖峰值符號(hào)為正，短路故障的最大尖峰值符號(hào)為負(fù)。

對(duì)于待測(cè)量電線面積為S，有N根導(dǎo)體組成的電線，有n根導(dǎo)體斷裂，斷裂長(zhǎng)度為ΔL，剩余長(zhǎng)度為L(zhǎng)，損失面積為S0，可設(shè)斷線處損失電阻為R01，剩余電阻為R02，沒有發(fā)生變化部分電阻為R。則有：

(5)

(6)

(7)

斷線時(shí)，總電阻R總1為R02與R串聯(lián)：

(8)

未斷線時(shí)，總電阻R總0為R01∥R02與R串聯(lián):

(9)

斷線前后，電阻變化率r：

(10)

單根導(dǎo)體的平均截面積Sav為

(11)

損失截面積為

(12)

電阻變化率r為

(13)

令電線總長(zhǎng)度L0=L+ΔL，則有：

(14)

式中：負(fù)號(hào)表示斷線后，電線電阻比原電阻大。

綜上分析，對(duì)于相同固定長(zhǎng)度的電纜，斷絲長(zhǎng)度不變情況下，電纜斷絲數(shù)量n將會(huì)引起電阻變化率發(fā)生r變化，r變化引起電線阻抗ZL的變化。

2 故障定位仿真測(cè)試

本文針對(duì)戰(zhàn)機(jī)上電纜局部斷股和刺穿絕緣層等故障阻抗變化率較小、故障特征信號(hào)微弱難以檢測(cè)的問題，基于SSTDR技術(shù)，探討電纜阻抗變化率對(duì)故障檢出率的影響，通過MATLAB仿真，給出機(jī)上電纜隱性故障可檢出的阻抗變化率范圍。對(duì)于電線故障點(diǎn)的反射信號(hào)參數(shù)，經(jīng)多次仿真檢測(cè)故障點(diǎn)相對(duì)于正常線纜阻抗變化率為22.2%時(shí)，故障點(diǎn)回波反射系數(shù)為0.1，回波延時(shí)為0.04 μs，電磁場(chǎng)在線纜中的傳播速度為2.4×108m/s，“故障點(diǎn)1”的距離為4.8 m，發(fā)送檢測(cè)信號(hào)峰峰值電壓2 V，信噪比20 dB，噪聲功率0.01 W，同時(shí)以0.12 m作為預(yù)期定位分辨率，設(shè)置“故障點(diǎn)2”的距離為4.92 m。圖2為線纜故障整體處理流程圖。

圖2 線纜故障整體處理流程圖

2.1 檢測(cè)信號(hào)生成

檢測(cè)信號(hào)使用正弦信號(hào)對(duì)PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制產(chǎn)生，PN碼碼片寬度為0.02 μs，PN碼碼片數(shù)為15，正弦信號(hào)頻率為50 MHz，電壓峰峰值為2 V。圖3為PN碼片序列，圖4為正弦序列，圖5為生成的檢測(cè)信號(hào)。

圖3 PN碼片序列

圖4 正弦序列

圖5 檢測(cè)信號(hào)

所生成的擴(kuò)頻調(diào)制檢測(cè)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)超過36 m的線纜進(jìn)行測(cè)試，用于故障點(diǎn)反射信號(hào)仿真及ADC量化仿真的輸入檢測(cè)信號(hào)。

2.2 故障信息提取

檢測(cè)信號(hào)發(fā)射到待測(cè)電纜上，在故障位置反射回來，然后對(duì)反射信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，原始檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過延遲器后與反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，提取故障信息位置。

經(jīng)過量化后的反射信號(hào)ADC采樣量化圖如圖6所示。

圖6 反射信號(hào)ADC采樣量化圖

對(duì)隱性故障點(diǎn)1和隱性故障點(diǎn)2回波分別進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，生成的距離幅度譜如圖7所示。

圖7 故障點(diǎn)回波相關(guān)運(yùn)算結(jié)果：距離幅度譜

22.2%阻抗變化率的隱性故障點(diǎn)在相對(duì)于Vpp 2 V信號(hào)-20 dB的線纜噪聲環(huán)境中的反射信號(hào)，在經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算后的距離幅度譜上其對(duì)應(yīng)距離的坐標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)了峰值，驗(yàn)證了SSTDR原理的有效性，其生成的距離幅度譜可以作為故障點(diǎn)判斷的依據(jù)。隱性故障點(diǎn)距離由4.8 m變?yōu)?.92 m，距離幅度譜的峰值位置仍能夠準(zhǔn)確與其實(shí)際距離對(duì)應(yīng)。

2.3 10%阻抗變化仿真

為確定SSTDR技術(shù)可檢出的阻抗變化率范圍，繼續(xù)降低電線損傷量進(jìn)行仿真分析，當(dāng)阻抗變化更小，僅為10%時(shí)，使用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)濾波后的距離幅度譜，進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)處理，得到峰值旁瓣比更優(yōu)的距離幅度譜，最后進(jìn)行峰值提取，得到故障點(diǎn)位置。

對(duì)EEMD濾波后的距離幅度譜進(jìn)行廣義S變換，再對(duì)不同時(shí)刻的廣義S變換結(jié)果進(jìn)行Fourier逆變換，得到雙時(shí)域平面歸一化幅度譜，幅度譜聚集在雙距離坐標(biāo)平面的對(duì)角線上，如圖8所示。

圖8 雙距離域歸一化幅度譜平面投影

對(duì)歸一化雙距離幅度譜數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到歸一化的距離幅度譜，如圖9所示。由于干擾峰值較多，難以準(zhǔn)確得到故障點(diǎn)位置。

圖9 信息增強(qiáng)前后歸一化距離幅度譜對(duì)比

稍增大阻抗變化量，基于廣義S變換+Fourier逆變換的信息增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行15%阻抗變化的信息提取，仍然無法準(zhǔn)確定位故障位置。因此，確定電線故障造成阻抗變化超過20%以上，使用SSTDR技術(shù)才可以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空電纜中最為常見的斷路和短路這兩種故障類型提出了SSTDR方法進(jìn)行故障點(diǎn)定位檢測(cè)，該方法利用檢測(cè)信號(hào)反射的延遲特性來定位系統(tǒng)中短路和斷路的故障點(diǎn)，從而有效避免測(cè)試信號(hào)衰變對(duì)故障定位的影響。

通過實(shí)例的仿真分析表明，對(duì)于一個(gè)隱性故障點(diǎn)阻抗變化率22.2%，相對(duì)于Vpp 2V信號(hào)-20 dB的線纜噪聲環(huán)境，SSTDR技術(shù)仿真結(jié)果顯示能檢測(cè)出故障點(diǎn)位置，且距離分辨率可達(dá)到0.12 m。但當(dāng)對(duì)于一個(gè)隱性故障點(diǎn)阻抗變化率更小的15%～10%時(shí)，再通過上述方法進(jìn)行仿真，考慮到實(shí)際系統(tǒng)的信號(hào)環(huán)境、溫度等的惡化，通過EEMD濾波和信息增強(qiáng)技術(shù)提升測(cè)試的穩(wěn)定性，仍無法準(zhǔn)確定位故障信息。因此基于SSTDR技術(shù)可用于特性阻抗大于20%的電線隱性故障的檢測(cè)和故障定位。