【摘 要】
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电缆作为飞机、船舶等复杂装备传输能源以及信号的通道,对这些装备的正常运行有着重要的影响。一旦电缆出现故障,很可能会导致严重的事故,带来巨大的损失,因此电缆故障的及时检测以及排查就变得尤为重要。在众多电缆故障检测方法中,时域反射法是应用最为广泛的一种,该方法根据入射波与故障回波之间的时间间隔以及极性关系来确定电缆的故障位置和类型,检测定位精度的关键在于入射波与故障回波之间时间间隔的准确测量,而时间间
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电缆作为飞机、船舶等复杂装备传输能源以及信号的通道,对这些装备的正常运行有着重要的影响。一旦电缆出现故障,很可能会导致严重的事故,带来巨大的损失,因此电缆故障的及时检测以及排查就变得尤为重要。在众多电缆故障检测方法中,时域反射法是应用最为广泛的一种,该方法根据入射波与故障回波之间的时间间隔以及极性关系来确定电缆的故障位置和类型,检测定位精度的关键在于入射波与故障回波之间时间间隔的准确测量,而时间间隔测量的准确程度取决于采样频率,采样频率越高,时间定位精度就越高,为了得到更高的定位精度,甚至将采样频率提升到了GHz级,导致硬件成本上升,制约了电缆故障检测技术的推广和应用。基于有限新息率（Finite Rate of Innovation,FRI）的稀疏采样理论是一种关注信号参数化特征的采样方法,该方法指出只要以大于新息率的采样频率对信号进行采样,便可以重构原始信号,由于信号的新息率一般远小于奈奎斯特采样频率,因此该方法极大地降低了信号的采样频率。论文根据电缆故障信号的特征和FRI稀疏采样理论提出了基于FRI采样的电缆故障检测方法,设计了电缆故障激励信号,研究了故障信号的FRI稀疏采样特性并进行了仿真故障信号的FRI稀疏采样试验,进行了电缆故障检测系统的总体设计,具体包括检测脉冲源模块、回波信号接收模块、采样核、AD采样模块以及USB通信传输模块,硬件系统的控制由上位机和STM32控制单元共同完成,通过搭建好的电缆故障检测平台对提出的方法进行了实测试验验证,结果表明该方法能够有效地检测出电缆故障并进行精准定位,在保证定位精度的同时大大地降低了采样频率。论文的主要研究内容如下:（1）对电缆故障产生的原因以及故障类型进行了简要地介绍,根据传输线理论建立了电缆的等效分布参数模型,分析了电缆波速度的影响因素,结合电缆的特征阻抗研究了行波在电缆中的传输特性,阐述了时域反射法检测电缆故障的原理,最后分析了常规采样数据对电缆故障检测定位精度的影响。（2）介绍了常规奈奎斯特-香农采样定理,接着对FRI稀疏采样理论的基本概念与采样框架、典型FRI信号、FRI采样核以及常见的FRI重构算法进行了简要的介绍,完成了激励信号的设计与参数确定,分析了故障信号的FRI稀疏采样特性,进行了电缆故障信号FRI稀疏采样研究,通过仿真试验对比了在噪声环境下不同的采样核、重构算法以及采样点数对信号参数估计与重构的影响,最后进行了仿真故障信号FRI稀疏采样,验证了提出方法的可行性。（3）进行了电缆故障检测系统的总体设计,对硬件系统的各模块进行了电路实现,包括检测脉冲源模块、回波信号接收模块、采样核以及AD采样模块,最后为了实现控制单元与上位机的数据传输进行了USB通信传输模块的设计。（4）设计了电缆故障检测系统的工作时序,完成了STM32控制单元程序的编写以及上位机软件的设计与实现,并搭建了电缆故障检测平台。（5）利用搭建的电缆故障检测平台,分别对无故障状态以及在不同位置发生断路和短路故障的电缆进行检测试验,通过获取的稀疏数据准确地估计出了电缆无故障状态检测信号以及不同位置处的断路故障和短路故障检测信号的幅值和时延参数,并根据估计结果进行了故障类别诊断以及定位识别,其中断路故障定位绝对误差最大为0.40m,短路故障定位绝对误差最大为0.43m,试验中稀疏采样频率采用20MHz,而常规方法至少需要200MHz采样频率,才能达到相同的精度量级。试验结果表明,本文设计的基于FRI采样的电缆故障检测系统可以实现准确度较高的电缆故障检测以及定位,相比常规方法,大大降低了电缆故障信号的采样频率。
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