线性调频脉冲压缩在漏缆故障定位中的应用研究

郭进喜+刘扬+何明星+王伟

摘 要： 为了增强通信漏缆故障定位中的信号强度及故障定位精度，研究线性调频脉冲压缩技术在通信漏缆故障定位中的应用。介绍线性调频脉冲压缩技术的基本原理及线性调频信号的频谱特性，以及其匹配滤波器和窗函数的设计与实现，分析脉冲压缩参数对回波信号的影响，构建通信漏缆故障定位检测系统，对GSM?R型漏缆进行检测试验。试验结果表明，相对于常规脉冲检测方式，线性调频脉冲压缩检测可提高同轴漏缆故障检测精度，载频频率与GSM?R工作频率相接近时效果最佳。在高铁隧道泄漏电缆故障现场检测中，漏缆故障检测效果得到了明显改善。

关键词： 泄漏同轴电缆； 线性调频； GSM?R； 脉冲压缩； 故障定位

中图分类号： TN911?34； TD65+5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0075?04

Application of linear frequency modulation pulse compression in

positioning of leaky coaxial cable fault

GUO Jinxi1， LIU Yang1， HE Mingxing2， WANG Wei3

（1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China；

2. School of Information and Electrical Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

3. Department of Electronic and Information Engineering， Handan Polytechnic College， Handan 056001， China）

Abstract： In order to enhance the signal intensity and fault location precision in positioning of leaky coaxial cable fault， the linear frequency modulation pulse compression technology applied in positioning of communication leaky coaxial cable fault is proposed in this paper. The basic principle of linear frequency modulation pulse compression technology and the spectrum characteristics of linear frequency modulation signals are introduced， the design and implementation of the matched filter and window function are described， and the effect of pulse compression parameters on echo signals are analyzed to construct the communication leaky coaxial cable fault location detection system for testing GSM?R leaky coaxial cables. The experimental results show that the method of the linear frequency modulation pulse compression can improve the detection accuracy of leaky coaxial cable fault compared to the conventional pulse detection method， the effect reaches best when the carrier frequency is close to the operating frequency of GSM?R， and the leaky coaxial cable fault detection effect is obviously improved at the scene of high?speed railway tunnel leaky coaxial cable fault detection.

Keywords： leaky coaxial cable； linear frequency modulation； GSM?R； pulse compression； fault location

0 引 言

泄漏同轴电缆无线通信作为一种先进的无线通信技术，在铁路沿线和隧道得到了广泛的应用。泄漏同轴电缆的性能对高铁移动通信网络的安全运行有很重要的影响，泄漏同轴电缆简称漏缆，在高铁隧道内成线状敷设，每隔1 m就会用铆钉锁死加固，然而由于施工问题或工程安装问题，部分漏缆的接头、跳线、隔直器（DC?Block）、天线在一段时间后会进入故障多发期[1]。但由于维护的实际困难，通过人工逐个排查很难及时发现和定位故障，因此对泄漏电缆的故障检测和定位一直没有完整地解决方案。

针对电缆的断线故障、接头松动故障问题，低压脉冲反射法在电力电缆故障定位中的应用非常成熟[2]。文献[3]采用低压脉冲反射法对电缆故障进行定位研究，文中得出在长距离的检测中需要发射宽脉冲。文献[4]提出使用宽脉冲作为探测信号，选择的脉冲宽度为10 μs，通过双绞线试验测试结果表明，宽脉冲发射法较好地解决了窄脉冲线缆测试中的盲区问题。

由于漏缆的传输损耗较电缆中更为严重，借鉴文献[3?4]的思想，通过发射宽脉冲的方式对漏缆故障进行定位。线性调频脉冲压缩技术通过发射宽脉冲而获得高的发射能量，能够传输更远的距离，脉冲宽度的增加会造成回波的分辨能力下降，而在接收端采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲来提高距离分辨力。线性调频信号作为雷达一种常用的发射波形[5]，具有大的时宽带宽积，其时宽越大，传输的距離就越远。回波压缩后的脉冲宽度越窄，距离分辨力就越高。线性调频脉冲压缩技术在其他领域如空气耦合超声检测[6]、电磁超声检测[7]等领域均获得了较好的效果。脉冲压缩技术在通信漏缆故障定位中的研究尚未见到。

本文针对通信漏缆作为连续天线传输损耗严重，常规单脉冲检测回波信号微弱、检测困难的问题，对线性调频脉冲压缩技术在通信漏缆故障定位中的应用进行研究。

1 线性调频脉冲压缩基本原理

在各种脉冲压缩技术中，线性调频脉压信号具有大时宽带宽积、高距离分辨力的优点，也是目前应用最广泛的。脉冲压缩技术通常通过匹配滤波系统把宽脉冲的回波信号变成窄脉冲来提高距离分辨力。

漏缆故障定位中线性调频脉冲压缩的工作原理简图（见图1），包含的两个主要部分是线性调频信号的产生和回波信号的采集与压缩。线性调频信号经过收发开关加载到合成器，并通过漏缆传输。在漏缆故障点会产生反射回波，回波信号经过收发开关接收并进行脉冲压缩处理，脉冲压缩处理由混频器、匹配滤波器、加权网络等组成。经过脉冲压缩处理的输出波形经过检测显示器显示。

线性调频信号的复数形式表达式为：

[s（t）=recttτej2πfct+k2t2] （1）

式中：[fc]为载波频率；[k=Bτ]是调频斜率，[B]是信号带宽，[τ]是信号时宽；[recttτ]是矩形函数，其表达式如下：

[recttτ=1，tτ≤120，tτ>12] （2）

假设泄漏同轴电缆存在一处故障点，且故障点与直放站的距离为[R，]发射信号[s（t）]经过时间[t]后到达故障点位置，假设脉冲在泄漏同轴电缆中的传播速度为[υ]。则有：

[R=tυ2] （3）

从反射信号压缩后的窄脉冲回波波形图中可以计算出信号的传输时间，从而进行故障点的精确定位。

2 漏缆故障定位中脉冲压缩参数的选择

2.1 时宽带宽积的选择

常规脉冲的时宽带宽积趋近于1，线性频率调制后，可得到的脉冲信号的时宽带宽积[τB>1]。当时宽带宽积[τB?1]时，菲涅尔积分性质表明菲涅尔波纹很小，而且信号的能量95%集中在[-B230]时，线性调频脉冲信号的振幅频谱近似矩形，相位频谱近似为平方律。根据线性调频信号的特性，时宽带宽积越大性能越好。鉴于调制信号发生器的性能，本文选择时宽[τ=10] μs，对不同带宽[B]的输出信号进行仿真分析，匹配滤波器输出信号的主瓣宽度取其幅值衰减到-6 dB时的时间宽度，结果如图2所示。

匹配滤波器输出信号的主瓣峰值基本不随带宽变化，但实际应用中其对噪声信号作用后的输出值将随带宽增大而减小[6]。图2中，当带宽线性增加，主瓣宽度逐渐减小，减小速度会逐渐变缓。当带宽大于30 MHz时，主瓣宽度趋于稳定。根据数模转换器件的性能，本文选择带宽[B=40] MHz。

2.2 载频的选择

GSM?R型铁路隧道通信泄漏同轴电缆的工作频率上行为885～889 MHz，下行为930～934 MHz。为了便于区分泄漏同轴电缆故障点回波检测信号和工作信号，在检测信号载频选择时[8]，要与工作信号频率隔开一段带宽距离，选择调频信号的中心频率为800 MHz。

3 脉冲压缩信号处理过程

本文对脉冲压缩技术的主要处理流程如图3所示。

在铁路隧道敷设远端机的接入口，通过环形器将探测信号与反射信号隔离，隔离度大于20 dB，反射的射频信号幅度较小，采用窄频带高增益放大器将其功率提高，同时使用声表滤波器对边界信号进行切除，得到主信号和探测信号的混频信号，分离后得到探测信号。

采用高速并行A/D采样器对探测信号进行采样，长度为8位，将其转化为数字信号，存入FPGA的内部动态RAM中，待缓冲区溢出后，通过特征码对数据进行脉冲提取，检测到完整的探测信号后，进行相位频谱解调[9]，解调后的数据与匹配滤波器进行卷积运算即可得到脉冲压缩后的时间间隔，从而得到故障点的位置。

漏缆的回波信号通过匹配滤波器进行压缩处理，常用的两种数字匹配滤波器是有限脉冲响应数字滤波器（FIR）和无限脉冲响应数字滤波器（IIR），FIR滤波器可以方便实现线性相位，而且实现比较简单。

使用窗函数设计滤波器时需要考虑两个条件：一是窗谱主瓣尽可能的窄，以获得比较陡的过渡带；二是尽量减小窗谱最大旁瓣的相对幅值，以减少带外带内波动的最大振幅，使能量集中在主瓣。两个条件一般很难满足，在实际采用窗函数时往往折中考虑。图4为矩形窗、三角窗、海明窗和布拉克曼窗针对线性调频信号的滤波仿真对比图。

从图4中几种窗函数仿真图可以看出，矩形窗函数的主瓣脉宽最窄，但是其最大旁瓣幅值也最大；三角窗和海明窗的主瓣宽度接近相同，三角窗的最大旁瓣幅值比海明窗的最大旁瓣幅值要大；布拉克曼窗的最大旁瓣幅值相对最小，但其主瓣宽度为最大。综合考虑窗函数设计滤波器的两个条件，本文做折中考虑，选择海明窗进行数字匹配滤波器的设计。

4 漏缆故障定位实验

本文采用两种试验方案进行对比：一组采用常规脉冲法对GSM?R型泄漏同轴电缆进行馈线反射试验；另一组采用线性调频脉冲压缩法对同一段GSM?R型泄漏同轴电缆进行馈线反射试验。

两个试验系统的信号激励采用专用的DDS芯片AD9915，该芯片能够产生高达1.0 GHz的频率捷变模拟输出正弦波[10]。试验选取一段130 m的铁路专用7/8的860 MHz频段泄漏同轴电缆，每百米衰减为2.7 dB，在一端通过3 dB桥合路器馈入耦合信号，在另一端出口接50 Ω匹配负载。并用网络分析仪对S端口进行校正，消除线间衰减误差。

4.1 常规脉冲法故障定位试验

在第一組常规脉冲法实验中，为了避免干涉干扰，选择探测信号与工作信号的频率相差一定距离，将探测信号的频率选为800 MHz。用示波器进行周期中断触发采样，观察的反射效果如图5所示。

对图5中的波形数据进行分析可知，通过单脉冲的反射回波可对故障位置进行直观的判断，但其衰减较为严重，实用性较差，当探测更远的距离时回波信号很难被检测出来；而且单脉冲信号的调制和发射与其功率开关的性能十分密切，图5中的开关时间为320 ns，而在泄漏同轴电缆故障的实际探测中，小功率开关很难达到如此高的性能。

4.2 线性调频脉冲压缩法故障定位试验

线性调频波漏缆故障定位的实验中，线性调频波的调制带宽为40 MHz，时宽10 μs，中心频率为800 MHz，两侧对称。探测信号通过混频器和电桥进入漏缆，反射信号由环形器分离、解调后转到中频带观测回波信号。

从图6的试验结果可知，线性调频对原单脉冲进行展宽，因此回波信号稳定，容易被检波器接收，回波信号的衰减较小，探测距离和精度有较大程度的提高，图6的测试结果显示发射信号与回波信号时差[τ=ΔT2=]0.625 μs，信号在漏缆中传输的速度[υ=]2.10×108 m/s，可以计算出故障点距离131.5 m，误差为1.5 m，对误差定位非常准确。说明利用线性调频脉冲压缩方法对泄漏同轴电缆故障定位是一种切实可行的方法。

5 结 论

通过本文研究，可得出如下结论：

（1） 线性调频脉冲压缩方法可以对泄漏同轴电缆故障进行有效定位，在实际应用中，在湖南某高铁隧道进行了现场试验，对隧道出入口每隔2 km的直放站远端机安装检测设备，漏缆定位系统的信息采集在本地处理完成。在系统安装的半年时间内共发现故障行为7次，经过现场检查确认，故障定位精度为10 m。

（2） 相对于常规脉冲激励方式，线性调频脉冲压缩方法可得到更稳定的回波信号，且回波信号衰减较小，从而能有更大的探测距离和探测精度。

（3） 针对测试信号在漏缆中的衰减程度和精确传输距离需要做进一步的研究实验。

参考文献

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