微波混沌在电缆和光纤故障检测中的应用研究

发布时间：2017-04-08 09:01

  本文关键词：微波混沌在电缆和光纤故障检测中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着全球信息化的快速发展,作为信息传输的重要媒介—电缆和光纤,其应用场合已经渗透到社会的各个领域,在国民经济发展和社会进步中发挥着越来越重要的作用。如何在最短时间、以最低成本排除电缆和光纤的故障是当前面临的重要课题。目前,已有的电缆和光纤的检测技术存在精度低、抗干扰能力弱、无法在线检测以及大测量范围和高精度无法同时兼顾等缺陷。微波混沌具有宽频带、类噪声波形和δ型模糊函数等特性,用于电缆和光纤故障检测时,可实现厘米级空间分辨率。此外,由于具有强的抗干扰能力,还可以实现故障的在线检测。因此,本文将非线性电路(Colpitts电路和布尔电路)产生的微波混沌信号引入电缆和光纤检测中,提出了面向电缆故障检测的Colpitts混沌时域反射仪和布尔混沌时域反射仪以及面向光纤故障检测的Colpitts电路直接调制的混沌光时域反射仪。主要工作及结果总结如下:1)总结和对比了电缆和光纤的现有检测技术,分析了面临的挑战和问题,提出将非线性电路产生的宽频带且具有良好相关特性的混沌信号引入电缆和光纤的故障检测中。2)介绍了利用模拟系统和数字系统产生微波混沌信号的典型方式。通过仿真和实验研究了改进型Colpitts电路和布尔电路的非线性动态特性,包括进入混沌的路径、最大李雅普诺夫指数、排序熵和自相关曲线的峰值噪声比等。分析了改进型Colpitts电路和布尔电路输出混沌振荡的时域、频域和自相关特性。3)提出了一种用于电缆故障检测的Colpitts混沌时域反射仪。该方法利用改进型Colpitts电路直接产生微波混沌信号作为探测信号,结合相关探测技术,实现电缆故障定位。模拟和实验证明了该方法的可行性,结果表明:Colpitts混沌时域反射仪不仅可以定位电缆断路、短路、阻抗失配和屏蔽层破损等故障,而且还具有在线检测的能力,即既免疫于通信信号的影响,又对通信信号造成的干扰小。测量范围和空间分辨率分别为930 m和7 cm。4)提出并实验证明了一种布尔混沌时域反射仪用于检测电缆故障。该方法利用布尔电路直接产生微波混沌信号作为探测信号,结合相关探测技术,定位电缆故障。基于此原理,研制了布尔混沌时域反射仪样机,该样机可用于检测电缆断路、短路、阻抗失配和湿电弧等故障,同时实验证明其具有在线检测的功能。测量范围和空间分辨率分别为1800 m和0.3 m。5)提出了一种基于改进型Colpitts电路直接调制的混沌光时域反射仪。利用Colpitts混沌电路直接调制单波长的分布反馈式半导体激光器实现单个光纤链路的故障诊断。进一步,利用该电路直接调制多纵模法布里-珀罗激光器,实现波长可调谐的混沌光时域反射仪,用于波分复用无源光网络中的故障诊断。实验结果表明该方法不仅可以用于检测无端接的光纤末端、失配的连接点以及光纤断点,而且还可以获得与测量距离无关的厘米量级分辨率。
【关键词】：时域反射 混沌 故障定位 Colpitts电路 布尔电路
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN818;TN253
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 电缆和光纤的故障类型和起因11-13
• 1.2 电缆故障的现有检测技术13-25
• 1.2.1 时域反射仪(TDR)14-17
• 1.2.2 频域反射仪(FDR)17-23
• 1.2.3 时频域反射仪(TFDR)23-25
• 1.3 光纤故障的现有检测技术25-28
• 1.3.1 脉冲光时域反射仪(Pulse-OTDR)25-26
• 1.3.2 相干光时域反射仪(Coherent-OTDR)26-27
• 1.3.3 相关光时域反射仪(Correlation-OTDR)27-28
• 1.4 混沌激光用于电缆和光纤检测的研究现状28-31
• 1.5 混沌激光用于电缆和光纤检测面临的问题31
• 1.6 本论文主要研究内容31-33
• 第二章 微波混沌的产生及特征33-49
• 2.1 微波混沌的典型产生方式33-37
• 2.1.1 模拟系统33-35
• 2.1.2 数字系统35-37
• 2.2 Colpitts混沌电路37-44
• 2.2.1 仿真研究38-40
• 2.2.2 实验研究40-44
• 2.3 布尔混沌电路44-48
• 2.4 结论48-49
• 第三章 Colpitts混沌时域反射仪49-61
• 3.1 仿真研究49-51
• 3.2 实验装置51-52
• 3.3 测量原理与平均化离散消除算法52-55
• 3.3.1 测量原理52-53
• 3.3.2 平均化离散消除算法53-55
• 3.4 实验结果55-59
• 3.4.1 断路、短路和阻抗失配等故障的检测55-57
• 3.4.2 测量范围57-58
• 3.4.3 空间分辨率58-59
• 3.5 结论59-61
• 第四章 Colpitts混沌时域反射仪在线检测电缆故障61-71
• 4.1 仿真研究61-63
• 4.2 实验研究63-68
• 4.2.1 实验装置63-64
• 4.2.2 实验结果64-68
• 4.3 结论68-71
• 第五章 布尔混沌时域反射仪及样机71-81
• 5.1 实验装置71-72
• 5.2 实验结果72-73
• 5.2.1 断路、短路和阻抗失配等故障的检测72
• 5.2.2 测量范围72-73
• 5.3 布尔混沌时域反射仪样机73-80
• 5.3.1 硬件系统设计73-74
• 5.3.2 软件系统设计74-76
• 5.3.3 测量实例76-80
• 5.4 结论80-81
• 第六章 基于Colpitts电路直接调制的混沌光时域反射仪81-93
• 6.1 单波长的混沌光时域反射仪81-86
• 6.1.1 实验装置81-82
• 6.1.2 单波长混沌激光特性82-83
• 6.1.3 实验结果83-86
• 6.2 波长可调的混沌光时域反射仪86-90
• 6.2.1 实验装置86-87
• 6.2.2 波长可调谐的混沌激光特性87-89
• 6.2.3 实验结果89-90
• 6.3 结论90-93
• 第七章 总结和展望93-95
• 7.1 工作总结93-94
• 7.2 未来工作展望94-95
• 参考文献95-107
• 图表索引107-111
• 致谢111-113
• 攻读博士学位期间取得的科研成果113-116

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：292487