【摘要】：随着我国铁路、城市地铁和智能煤矿的高速发展,对通信质量和覆盖区域的要求越来越高,移动通信信号的稳定是保证相关设施和系统安全稳定运行的重要技术手段。泄漏同轴电缆(下文简称漏缆)作为泄漏波导,具有既能传输信号也能辐射信号的优点,使得漏缆无线通信系统得到了越来越广泛的应用。漏缆的外导体上有按一定规律周期性或非周期性排列的狭窄槽孔。漏缆的槽孔是为了使无线电信号能量从电缆槽口辐射出来,以达到向外传播和接收外来无线电波的目的。无线电信号的能量通过漏缆的长度来引导,其有效区域同时受到电缆内部及外部周边环境的影响,使信号能够持续被移动通信单元所接收。漏缆作为一种特殊的天线,当它敷设在矿井巷道或铁路隧道,在一端加载信号源,信号就能在每个点均匀的辐射出去。然而,目前漏缆的检测和故障定位仍采用传统的人工排查方法,限于漏缆的工作环境和条件,人工排查很难及时排查故障并及时维护。如何准确、快速的实现漏缆检测和故障定位,国内外一直没有相关的解决方案,因此对漏缆故障检测和定位方法的研究具有重要的理论意义和使用价值。在传输线中,行波反射法是一种常用的故障定位方法,其原理向传输线中发射窄脉冲电压信号,在传输线的故障点处会产生反射脉冲回波,通过检测回波脉冲信号与发射信号之间的时间差,从而根据传输线的速度频率特性,计算出漏缆故障点所处的位置。针对长距离的检测需要发射能量更高的信号,而幅值受限时,需要增大发射信号的脉冲宽度来提高信号能量。相比同轴电缆,漏缆的耦合损耗会增加信号的传输衰减,在漏缆检测和故障定位方法中选用具有高能量的宽带信号。线性调频信号作为雷达一种常用的发射波形,具有大的时宽带宽积,其时宽越大,传输的距离就越远。脉冲压缩技术广泛应用于雷达系统,最近几年也应用在多种信号系统中,如无线通信、声纳、超声图像和地震勘探等领域,它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,并利用旁瓣抑制方法提高主旁瓣的比值,来提高距离分辨力。本文采用线性调频脉冲压缩技术对漏缆故障定位方法及相关的关键技术进行研究。本文在查阅大量国内外文献的基础上,建立漏缆的传输衰减模型,对信号的传输规律进行研究,提出了线性调频脉冲压缩漏缆故障定位方法,并对故障回波信号处理进行深入研究,本文的主要研究工作如下:传输线故障定位理论研究。从传输线的等效分布参数模型和传输线电报方程出发,建立信号传输的数学模型,对漏缆的短路故障和断路故障进行分析,分析其故障的信号响应特性。检测信号漏缆传输特性的研究。首先分析漏缆的结构,以及漏缆的电气特性。建立漏缆的传输衰减模型,把漏缆的传输衰减分为两种模式分别研究:内部模式和外部模式。在内部模式中,类似于同轴电缆,基于等效分布参数模型,根据传输线阻抗的基本公式计算漏缆的内部模式的阻抗。然后基于漏缆的特殊结构,利用有限差分方法计算漏缆的单位长度电容值,进而计算内部模式的衰减常数。在外部模式中,根据表面传输阻抗和传输电感的定义,把外部泄漏的电磁波利用等效电流和等效电压的形式表示,根据弱耦合的有效近似公式,定义内部与外部模式的耦合系数,进而求得漏缆的传输衰减常数,对几种信号的漏缆进行仿真并与漏缆的实测衰减结果进行对比,得出衰减模型计算值和实测的衰减结果一致。进一步分析漏缆中检测信号的传输规律和波速特性。从传输衰减模型得漏缆的衰减和频率相关,分析了检测信号在漏缆中传输的变化,并得出脉冲幅值和传输距离之前的函数关系,进一步了解漏缆的传输特性。在波速特性的研究中,利用等效电路的频率相关特性,得出漏缆的波速通用公式,根据射频同轴电缆的传播常数近似公式,推导出漏缆的波速表达式,从仿真图上可以看出,在高频时漏缆的波速特性接近于常数,而在低频阶段,波速会有较大的非线性变化。基于线性调频脉冲压缩的故障定位研究。基于漏缆衰减模型和信号传输特性,本文提出利用线性调频脉冲压缩方法对漏缆进行检测和故障定位,首先对线性调频信号进行分析,分析其信号特性和频谱特性。介绍线性调频脉冲压缩故障定位的系统组成,并重点对回波关键技术进行深入研究。针对回波信号的去噪方法,本文研究了基于小波的去噪算法,分析了噪声在小波分解下的统计特性,分析了小波阈值去噪原理。根据小波阈值去噪的硬阈值函数和软阈值函数的优缺点,提出改进阈值函数,使在阈值点处的值能平滑过渡到零。并对阈值估计进行了优化,描述了优化算法的流程。对MATLAB里的四个样本信号进行去噪仿真实验,从其均方误差可知,改进阈值函数具备良好的去噪效果。为了实现回波信号的脉冲压缩,分析了匹配滤波器的工作原理,利用匹配滤波器的方法对回波信号进行脉冲压缩,为了提高故障点的分辨能力,进一步深入研究脉压信号的旁瓣抑制方法,分析常用窗函数的频谱特性,利用卷积算法,结合矩形窗主瓣宽度最窄和汉明窗旁瓣高度最低的优点,提出混合卷积窗函数。脉压信号的到达时间估计算法研究。线性调频脉冲压缩漏缆故障定位方法的精度依赖于脉压信号的到达时间估计,为了正确识别和检测脉压回波信号,分析了离散傅里叶变换(DFFT)方法,提出了基于能量检测和小波变换的到达时间估计算法的两步方法进行研究。为了对到达时间估计量进行性能评估,分析了克拉美罗限的基本模型,推导到达时间的克拉美罗限,并对脉压回波信号进行到达时间估计进行分析与仿真。仿真与实验分析。首先利用MATLAB对线性调频脉冲压缩的故障定位方法进行仿真,并在不同信噪比条件下对回波去噪方法进行仿真。利用模拟实验平台和实测实验分别对漏缆衰减模型得出的衰减常数和实际的漏缆衰减值进行测试结果对比,对30米和60米漏缆终端断线故障进行实物验证试验。
【图文】：
射端所经历的时间，即信号在时间 内传输的距离是检测端到故障点距离的2倍。这即是导线故障定位的基本原理。 = (2.26)式中， 为测试端到故障点的距离 为漏缆中测试信号的传输速度 为测试信号传输的往返时间间隔从式(2.26)知，故障点距离的计算与检测信号在漏缆中的传输速度及传输时间成正比例关系。因此通过计算信号在漏缆中的传输速度，测试传输信号在漏缆中的传输时间，我们就可以求得故障点距发射端的距离。同时我们可以根据反射信号的极性变化，确定漏缆故障类型。2.3 仿真实验分析根据图2.3的信号传输数学模型，利用MATLAB的simulink搭建仿真模型，如图 2.5 所示，T1~T6 分别为传输时延。
向和强弱随信号的方向和大小变化。r1a××××××××××××××××××××××××××外导体内导体绝缘介质外护套轴电缆横切面场分布同轴电缆纵向场分图 3.4 同轴电缆的结构图和内部场分布示意图tructure diagram and internal field distribution of coaxi同轴电缆内传输时，，漏缆内部的电磁场分布和体具有规则的槽口，所以会有一部分信号会中。泄漏同轴电缆的结构图和外部电磁场分布
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN913
【参考文献】
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4 任春阳;泄漏同轴电缆单槽口下反射系数的推导及计算[D];哈尔滨工程大学;2014年
5 王显刚;基于漏泄同轴电缆与分布式天线的预警系统研究[D];北京交通大学;2013年
6 罗健;漏泄同轴电缆传输特性研究[D];北京交通大学;2012年
7 和晨;关于漏泄同轴电缆传输损耗与耦合损耗的研究[D];电子科技大学;2011年
8 赵宇宁;闭域空间泄漏同轴电缆耦合损耗的研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
9 任晓勇;泄漏同轴电缆耦合损耗计算方法的研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
10 张涛;漏泄电缆无线通信系统在地下矿山的应用与研究[D];中南大学;2006年
本文编号：
2608474
