基于混沌时域反射的电缆故障测试系统设计与实现

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1、基于混沌时域反射的电缆故障测试系统设计与实现第一章绪论1.1课题的研究背景和意义随着工业自动化水平的不断提高，各种大型复杂系统和装备，如核电厂、智能楼宇、航空航天飞行器、船舶军舰、火车地铁、甚至普通汽车，内部都综合了传感、控制、动力、通讯等多类子系统。电缆是实现子系统之间有机互联的物理载体，各种低压动力线、射频线、数据线等构成连接关系复杂的电缆分支分配网络，负责输送动力能源、传递控制信号和数据信息。大型复杂系统中的电缆网络长期工作于复杂电气环境中，极易因为潮湿、腐蚀、高低温、振动摩擦、外力、污染

2、和辐射等因素而发生短路、断线、绝缘磨损、电缆与连接器接头不良等故障。如果得不到及时检修和维护，将会导致传输信号丢失、子系统失灵，甚至引发重大事故和灾难。以航空航天领域为例：1996年美国环球航运公司的波音747客机因燃油供给系统的电缆短路而引发火灾，导致230人遇难[1]。所以如何快速、准确的实现电缆故障的检测和定位问题在航空航天领域引起官方重视。美国国家运输安全委员会，航空航天局，科学技术委员会早在2001年，就开始通过制定电缆维护标准，专项发展电缆实时监测传感器和故障诊断技术等措施，保障电缆

3、网络的安全运行[2-4]。澳大利亚运输安全局、英国皇家空军成立了专门的线缆安全保障研究机构[5]。通常电缆的布线空间有限，电缆线束密集，且深藏于布线管道和隔板之间，还有的深埋于地下或海底，人们无法凭借肉眼进行故障定位。大型运载工具内部电缆在特定情况下（强震动、电子负载开关、潮湿坏境等）容易发生间歇性故障。常见的间歇性故障为干、湿电弧故障，持续时间只有几毫秒，在停机检修和非工作条件下不可重现，这就需要一种实时在线检测技术。电缆线空间布局的隐蔽性以及故障类型的复杂多样性，限制了常规电缆故障检测技术在

4、其中的应用，这就对电缆故障检测提出了新的要求，探索测量精度高、盲区小和可在线式的电缆故障检测方法就极具重要性和迫切性。...........1.2常见的电缆故障类型及原因电缆故障类型多种多样，不仅和自身参数和外部坏境有关系，还取决于电缆的用途。常见的电缆故障类型可分为断路故障、低阻故障和高阻故障。电缆在铺设阶段，由于操作不当造成的拉伸和外部绝缘层的破坏。在电缆安装路径附近施工作业，如挖掘机挖坑作业时，挖断地埋电缆。或者一些自然外力破坏，如地面下沉使电缆垂直受力变形，大风、冰雹、雪灾等极端恶劣天气

5、都可造成电缆的机械损伤。由于负载过大，超出规定最大负载电流，增大线缆自身的电阻散热量，引起电缆升温过快，来不及散热，从而导致电缆绝缘层加速老化，引发短路故障，这也是导致夏季电缆故障频发的直接原因。电化学腐蚀是由于电缆绝缘层或保护层的破坏，电缆长期处于潮湿、酸碱坏境，导致各种酸碱物质的入侵，其中酸碱物质中导电的离子化合物与电缆金属表面发生电化学反应，经过长时间的腐蚀，电缆的物理特性及阻抗发生变化，从而引发故障。........第二章适用于电缆故障检测的微波混沌信号源的设计2.1微波混沌信号产生方式

6、混沌时域反射技术中，混沌信号源的选择对整个测试结果的优劣有着至关重要的影响，这就要求测试信号具有抗干扰、高带宽以及良好的相关特性等。具有工程应用价值的混沌信号可由多种方式产生，大致可分为两类：光域混沌信号和电域混沌信号。光域混沌信号利用光反馈半导体激光器产生[44-46]，电域混沌信号可进一步分为数字混沌信号和模拟混沌信号，数字混沌信号可根据混沌动力学方程映射并结合可编程逻辑器件来实现，或者通过数字逻辑门器件构建的反馈网络来实现。模拟混沌信号是根据器件（三极管、电容、电感、电阻等）的非线性特性及

7、自动控制理论来设计实现。由于光域混沌信号实现过程需要昂贵的半导体激光器，获得的混沌光信号还需要光电转换，实现过程比较复杂，因此本论文只讨论几种典型电域混沌信号的产生方式。蔡氏电路是由美国加州大学蔡少棠教授通过物理手段实现的一种混沌电路，虽然电路结构简单，却可表现出丰富的混沌动力学行为。蔡氏混沌电路是由双端口RCL网络构成，如图2-1所示。由一个线性电感、一个线性电阻、两个线性电容和一个非线性电阻（又称蔡氏二极管）构成，是一种典型的三阶混沌电路[47]。1994年，爱尔兰学者MichaelPete

8、rKennedy第一次发现Colpitts振荡器可以工作在混沌振荡状态[53]，并对电路进行了数学上的分析和实验研究，该电路被称为标准型Colpitts振荡器。Colpitts混沌电路是目前最流行的一种宽频带混沌电路，其他非线性电路设计中的非线性函数大部分都是通过集成运放来实现的，Colpitts混沌电路中的非线性器件采用高频三极管，高频三极管的工作频率远高于传统的集成运放。典型的Colpitts振荡器电路原理图如图2-2所示，振荡电路是由电阻、电容、电感和高频三极管组成。电路整体可看做是由反馈