【摘要】：隨著我國鐵路、城市地鐵和智能煤礦的高速發(fā)展,對通信質量和覆蓋區(qū)域的要求越來越高,移動通信信號的穩(wěn)定是保證相關設施和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要技術手段。泄漏同軸電纜(下文簡稱漏纜)作為泄漏波導,具有既能傳輸信號也能輻射信號的優(yōu)點,使得漏纜無線通信系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。漏纜的外導體上有按一定規(guī)律周期性或非周期性排列的狹窄槽孔。漏纜的槽孔是為了使無線電信號能量從電纜槽口輻射出來,以達到向外傳播和接收外來無線電波的目的。無線電信號的能量通過漏纜的長度來引導,其有效區(qū)域同時受到電纜內(nèi)部及外部周邊環(huán)境的影響,使信號能夠持續(xù)被移動通信單元所接收。漏纜作為一種特殊的天線,當它敷設在礦井巷道或鐵路隧道,在一端加載信號源,信號就能在每個點均勻的輻射出去。然而,目前漏纜的檢測和故障定位仍采用傳統(tǒng)的人工排查方法,限于漏纜的工作環(huán)境和條件,人工排查很難及時排查故障并及時維護。如何準確、快速的實現(xiàn)漏纜檢測和故障定位,國內(nèi)外一直沒有相關的解決方案,因此對漏纜故障檢測和定位方法的研究具有重要的理論意義和使用價值。在傳輸線中,行波反射法是一種常用的故障定位方法,其原理向傳輸線中發(fā)射窄脈沖電壓信號,在傳輸線的故障點處會產(chǎn)生反射脈沖回波,通過檢測回波脈沖信號與發(fā)射信號之間的時間差,從而根據(jù)傳輸線的速度頻率特性,計算出漏纜故障點所處的位置。針對長距離的檢測需要發(fā)射能量更高的信號,而幅值受限時,需要增大發(fā)射信號的脈沖寬度來提高信號能量。相比同軸電纜,漏纜的耦合損耗會增加信號的傳輸衰減,在漏纜檢測和故障定位方法中選用具有高能量的寬帶信號。線性調(diào)頻信號作為雷達一種常用的發(fā)射波形,具有大的時寬帶寬積,其時寬越大,傳輸?shù)木嚯x就越遠。脈沖壓縮技術廣泛應用于雷達系統(tǒng),最近幾年也應用在多種信號系統(tǒng)中,如無線通信、聲納、超聲圖像和地震勘探等領域,它通過發(fā)射寬脈沖而獲得高的發(fā)射能量,能夠傳輸更遠的距離,脈沖寬度的增加會造成回波的分辨能力下降,而在接收端采用相應的脈沖壓縮法獲得窄脈沖,并利用旁瓣抑制方法提高主旁瓣的比值,來提高距離分辨力。本文采用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術對漏纜故障定位方法及相關的關鍵技術進行研究。本文在查閱大量國內(nèi)外文獻的基礎上,建立漏纜的傳輸衰減模型,對信號的傳輸規(guī)律進行研究,提出了線性調(diào)頻脈沖壓縮漏纜故障定位方法,并對故障回波信號處理進行深入研究,本文的主要研究工作如下:傳輸線故障定位理論研究。從傳輸線的等效分布參數(shù)模型和傳輸線電報方程出發(fā),建立信號傳輸?shù)臄?shù)學模型,對漏纜的短路故障和斷路故障進行分析,分析其故障的信號響應特性。檢測信號漏纜傳輸特性的研究。首先分析漏纜的結構,以及漏纜的電氣特性。建立漏纜的傳輸衰減模型,把漏纜的傳輸衰減分為兩種模式分別研究:內(nèi)部模式和外部模式。在內(nèi)部模式中,類似于同軸電纜,基于等效分布參數(shù)模型,根據(jù)傳輸線阻抗的基本公式計算漏纜的內(nèi)部模式的阻抗。然后基于漏纜的特殊結構,利用有限差分方法計算漏纜的單位長度電容值,進而計算內(nèi)部模式的衰減常數(shù)。在外部模式中,根據(jù)表面?zhèn)鬏斪杩购蛡鬏旊姼械亩x,把外部泄漏的電磁波利用等效電流和等效電壓的形式表示,根據(jù)弱耦合的有效近似公式,定義內(nèi)部與外部模式的耦合系數(shù),進而求得漏纜的傳輸衰減常數(shù),對幾種信號的漏纜進行仿真并與漏纜的實測衰減結果進行對比,得出衰減模型計算值和實測的衰減結果一致。進一步分析漏纜中檢測信號的傳輸規(guī)律和波速特性。從傳輸衰減模型得漏纜的衰減和頻率相關,分析了檢測信號在漏纜中傳輸?shù)淖兓?并得出脈沖幅值和傳輸距離之前的函數(shù)關系,進一步了解漏纜的傳輸特性。在波速特性的研究中,利用等效電路的頻率相關特性,得出漏纜的波速通用公式,根據(jù)射頻同軸電纜的傳播常數(shù)近似公式,推導出漏纜的波速表達式,從仿真圖上可以看出,在高頻時漏纜的波速特性接近于常數(shù),而在低頻階段,波速會有較大的非線性變化�；诰�性調(diào)頻脈沖壓縮的故障定位研究�；诼├|衰減模型和信號傳輸特性,本文提出利用線性調(diào)頻脈沖壓縮方法對漏纜進行檢測和故障定位,首先對線性調(diào)頻信號進行分析,分析其信號特性和頻譜特性。介紹線性調(diào)頻脈沖壓縮故障定位的系統(tǒng)組成,并重點對回波關鍵技術進行深入研究。針對回波信號的去噪方法,本文研究了基于小波的去噪算法,分析了噪聲在小波分解下的統(tǒng)計特性,分析了小波閾值去噪原理。根據(jù)小波閾值去噪的硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)的優(yōu)缺點,提出改進閾值函數(shù),使在閾值點處的值能平滑過渡到零。并對閾值估計進行了優(yōu)化,描述了優(yōu)化算法的流程。對MATLAB里的四個樣本信號進行去噪仿真實驗,從其均方誤差可知,改進閾值函數(shù)具備良好的去噪效果。為了實現(xiàn)回波信號的脈沖壓縮,分析了匹配濾波器的工作原理,利用匹配濾波器的方法對回波信號進行脈沖壓縮,為了提高故障點的分辨能力,進一步深入研究脈壓信號的旁瓣抑制方法,分析常用窗函數(shù)的頻譜特性,利用卷積算法,結合矩形窗主瓣寬度最窄和漢明窗旁瓣高度最低的優(yōu)點,提出混合卷積窗函數(shù)。脈壓信號的到達時間估計算法研究。線性調(diào)頻脈沖壓縮漏纜故障定位方法的精度依賴于脈壓信號的到達時間估計,為了正確識別和檢測脈壓回波信號,分析了離散傅里葉變換(DFFT)方法,提出了基于能量檢測和小波變換的到達時間估計算法的兩步方法進行研究。為了對到達時間估計量進行性能評估,分析了克拉美羅限的基本模型,推導到達時間的克拉美羅限,并對脈壓回波信號進行到達時間估計進行分析與仿真。仿真與實驗分析。首先利用MATLAB對線性調(diào)頻脈沖壓縮的故障定位方法進行仿真,并在不同信噪比條件下對回波去噪方法進行仿真。利用模擬實驗平臺和實測實驗分別對漏纜衰減模型得出的衰減常數(shù)和實際的漏纜衰減值進行測試結果對比,對30米和60米漏纜終端斷線故障進行實物驗證試驗。
【圖文】：

射端所經(jīng)歷的時間，即信號在時間 內(nèi)傳輸?shù)木嚯x是檢測端到故障點距離的2倍。這即是導線故障定位的基本原理。 = (2.26)式中， 為測試端到故障點的距離 為漏纜中測試信號的傳輸速度 為測試信號傳輸?shù)耐禃r間間隔從式(2.26)知，故障點距離的計算與檢測信號在漏纜中的傳輸速度及傳輸時間成正比例關系。因此通過計算信號在漏纜中的傳輸速度，測試傳輸信號在漏纜中的傳輸時間，我們就可以求得故障點距發(fā)射端的距離。同時我們可以根據(jù)反射信號的極性變化，確定漏纜故障類型。2.3 仿真實驗分析根據(jù)圖2.3的信號傳輸數(shù)學模型，利用MATLAB的simulink搭建仿真模型，如圖 2.5 所示，T1~T6 分別為傳輸時延。

向和強弱隨信號的方向和大小變化。r1a

























××××××××××××××××××××××××××外導體內(nèi)導體絕緣介質外護套軸電纜橫切面場分布同軸電纜縱向場分圖 3.4 同軸電纜的結構圖和內(nèi)部場分布示意圖tructure diagram and internal field distribution of coaxi同軸電纜內(nèi)傳輸時，，漏纜內(nèi)部的電磁場分布和體具有規(guī)則的槽口，所以會有一部分信號會中。泄漏同軸電纜的結構圖和外部電磁場分布
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN913

【參考文獻】

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本文編號：2608474