本发明涉及传输线阻抗频谱的测量与分析技术领域，具体涉及一种通过频谱测量、频域变换和分析从而实现电缆局部缺陷评估的装置和方法。
背景技术：
传输线是输送电磁能的线状结构，位于信号源和负载之间，电缆是一种典型的传输线。传输线理论是一套比较成熟的理论，较多地应用于通信工程、电子电路等专业领域。传输线的特性取决于它的长度和所承载电信号的波长之间的差异，当传输线长度远小于信号波长时，传输线几乎不会影响电气回路的行为，此时从信号源侧看，线路阻抗zin与负载的阻抗是相等的；但是当传输线长度大于电信号波长时，传输线将对电气回路的行为产生影响，此时从信号源侧看，除了一些特殊情况，线路阻抗与负载阻抗是不同的。
电缆作为传输线，沿长度方向上的电压矢量v和电流矢量i服从以下微分方程：
其中ω为信号的径向频率，r为导体电阻，l为电感，c为电容，g为绝缘电导率，后四个电气参数均为电缆在单位长度下的数值。使用这四个电气参数可以完整刻画电缆通入高频信号时的行为特征。在传输线理论中，通常使用两个复变函数描述传输线的行为，第一个是传递方程：
通常简写成以下形式：
γ＝α+jβ(0-04)
其中实部α称为衰减常数，虚部β称为传递常数，β与信号的相速度ν、径向频率ω和波长λ的关系如下：
第二个是特性阻抗：
将(0-03)～(0-06)式代入微分方程组(0-01)和(0-02)，可得从电缆一端沿长度方向d相关的阻抗表达式为：
其中γd为广义反射系数，展开式如下：
γd＝γl·e-2γd(0-08)
其中γl为负载反射系数，展开式如下：
其中zl为的电缆终端负载的阻抗。
从方程式(0-07)～(0-09)可以看出当负载与特性阻抗相匹配时，在任意长度任意频率下，都有γl＝γd＝0，zd＝z0＝zl。传输线阻抗可由式(0-07)来描述，它是一个复变量，幅值和相位随信号频率变化的曲线如附图1所示。
现有基于传输线理论试图定位电缆局部缺陷的方法，使用固定频率的入射信号，通过测量方程(0-01)中的电压矢量v随时间的变化来确定入射信号与反射信号之间的时延。然而在现场条件下，信号在电缆中的衰减以及环境噪声(特别是对于长度超过1000米的电缆)限制了这种方法的灵敏度，难以探测到电缆局部缺陷的初期状态，更无法反映出局部缺陷的发展趋势。
基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估方法在国内缺少相关工作，尚缺乏专用的研究装置和技术。
技术实现要素：
本发明提供一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，采用模块化结构设计，用于完成电缆阻抗频谱的测量、计算和分析，从而定位被测电缆中的局部缺陷并评估其严重程度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，所述装置至少包括：
信号发生单元，其用于产生指定频率的正弦波信号，其中一路作为向被测电缆一端发射的入射信号，另一路作为参考信号，所述入射信号和所述参考信号具有相同的幅值和相位；
信号采集单元，其具有用于采集所述参考信号的第一采集通道和用于同步采集反射信号的第二采集通道，其中，所述反射信号为由所述入射信号经过所述被测电缆后反射的信号；
分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的信号频率以及持续时间进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；
分析控制单元，其与所述信号发生单元以及所述信号采集单元分别通信相连，包括对所述入射信号和所述参考信号的发射时间以及信号频率进行控制的控制模块，以及对所述信号采集单元采集到的所述反射信号与所述参考信号进行处理的数据分析模块；
数据存储单元，其与所述分析控制单元通信连接以存储所述分析控制单元获取到的信号数据及分析处理的结果数据。
进一步的，所述装置还包括与所述数据存储单元通信连接用于发送和接收数据的通讯单元。
进一步的，所述装置还包括分别与所述分析控制单元、所述数据存储单元和所述通讯单元分别通信连接的人机交互单元，所述人机交互单元具有人机交互接口和显示界面，用于接收输入的信息并由所述显示界面显示信息。
进一步的，所述入射信号和所述参考信号为不高于100mhz的扫频正弦波信号，所述信号采集单元为双通道数字示波器。
本发明还提供一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的方法，包括如下步骤：
(1)采用所述信号发生单元产生所述入射信号和所述参考信号，所述入射信号从所述被测电缆的一端射入，采用所述信号采集单元的所述第一采集通道采集所述入射信号经过所述被测电缆后的反射信号，同步的，采用所述信号采集单元的所述第二采集通道采集所述参考信号；
(2)根据所述反射信号和所述参考信号计算扫频段内所述被测电缆的阻抗；
(3)定义一个新的域变换，将步骤(2)计算得到的阻抗的频谱函数变换为沿所述被测电缆长度方向的功率谱函数；
(4)将步骤(3)中所述功率谱函数大于0db的点视为沿所述被测电缆长度方向上因存在电气性能不连续而产生了回波，所述电气性能不连续的位置即为所述被测电缆的局部缺陷位置。
进一步的，所述步骤(2)中，所述被测电缆的阻抗计算方法如下：
其中，zdut是所述被测电缆的阻抗，z1是用于采集所述反射信号的所述第一采集通道的阻抗，v1为所述第一采集通道处测得的电压矢量值，v0为所述第二采集通道处测得的电压矢量值。
进一步的，所述步骤(3)中，将计算得到的频谱函数变换为功率谱函数的方法如下：
f→t′(1-02)
其中，νr＝ν/ν0；
f是所述入射信号的频率，f为独立变量；
d为被测电缆的长度；
ν是所述入射信号在所述被测电缆中传播的相速度；
νr是所述入射信号在所述被测电缆中的相对相速度；
ν0是光在真空中的传播速度。
进一步的，所述步骤(4)中缺陷位置的定位方法如下：
计算在t′域中函数的频率f′，
f′是t′域中相位函数的基波频率，也是所述入射信号从所述被测电缆的入射点传播至所述被测电缆的终端后再返回所述入射点的时间；
当距离所述入射点距离为x处存在局部缺陷时，该处产生回波，使阻抗相位的功率谱中产生一个新的频率分量，这个频率为：
在t′域中通过识别所述阻抗相位功率谱中的f′和f″，计算由于电气参数不连续而产生回波的位置：
上述计算得到的x即为所述被测电缆的缺陷位置距离所述入射点的距离。
进一步的，当所述被测电缆沿其长度方向有多个局部缺陷时，每个缺陷位置都对应了功率谱中的一个频率分量，通过频率分量fn计算与其对应的缺陷位置xn：
上述计算得到的xn即为频率分量fn对应的缺陷与所述入射点之间的距离。
进一步的，所述评估方法还包括如下步骤：(5)找出功率谱图中缺陷部位在所述被测电缆终端的另一侧产生的镜像峰，其中，所述镜像峰所在的位置到所述被测电缆终端的距离与缺陷部位到所述被测电缆终端的距离相等，将缺陷部位的峰顶与所述镜像峰峰顶用一条直线相连作为回波信号沿所述被测电缆长度方向上衰减的趋势线，该趋势线与以所述被测电缆终端位置为横坐标的纵向辅助线之间有一个交点，使用所述交点与所述终端峰峰值之间的距离用于评估所述电缆局部缺陷的严重程度。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、无损检测。本发明可使用电压低至5v的入射信号进行检测，不会损坏被测电缆及终端负载。
2、抗噪性强。本发明使用的阻抗计算方法通过窗函数进行滤波，可以有效消除现场噪声对测量结果的影响。
3、适用性范围广。本发明适用于各种类型的电缆，特别是同轴电缆和金属铠装单芯动力电缆。本发明适用于长度从20米至数千米的电缆，可为发电厂及输配电等电力企业提供技术支持。
4、组装简单，适用于现场恶劣环境。本发明采用模块化结构设计，其中的信号发生单元和信号采集单元可使用矢量网络分析仪和数字示波器等商业产品模块，系统控制和数据分析可通过编程在pc机上实现，装置集成度较高，可在条件较为恶劣的环境下使用。
5、评估结论定量化。本发明可以精确定位电缆局部缺陷，同时可定量评估缺陷的严重程度，在电缆老化管理与预测性维修活动中具有极高的应用价值。
附图说明
附图1为本发明的技术背景中传输线(电缆)阻抗示意图；
附图2为本发明中检测装置的结构模块图；
附图3为本发明中被测电缆阻抗测量接线图；
附图4为被测电缆沿长度方向的功率谱图；
附图5为被测电缆局部缺陷严重程度的计算方法示意图。
其中，1、信号发生单元；2、信号采集单元；3、分析控制单元；4、数据存储单元；5、通讯单元；6、人机交互单元；7、被测电缆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种基于阻抗频谱分析的电缆局部缺陷评估的装置，如附图2所示，至少包括信号发生单元1、信号采集单元2、分析控制单元3和数据存储单元4。
信号发生单元1用于产生指定频率的正弦波信号，该正弦波信号被分成两路，其中一路作为向被测电缆一端发射的入射信号ch0’，另一路作为参考信号ch0，入射信号ch0’和参考信号ch0具有相同的幅值和相位。
信号采集单元2具有用于采集参考信号ch0的第一采集通道和用于同步的采集反射信号ch1的第二采集通道，反射信号ch1为由入射信号ch0’经过被测电缆7后反射的信号。
分析控制单元3与信号发生单元1以及信号采集单元2分别通信相连，分析控制单元3包括对参考信号ch0和入射信号ch0’的信号频率以及持续时间进行控制的控制模块，以及对信号采集单元2采集到的参考信号ch0与反射信号ch1进行处理的数据分析模块。
数据存储单元4与分析控制单元3通信连接用于存储数据。本实施例中，数据存储单元4使用合理的数据结构存储被测电缆7的信息、检测到的数据和分析结果，并具有历史数据检索功能。
本实施例中，参考信号ch0和入射信号ch0’为频率不高于100mhz的扫频正弦波信号。
本实施例中，信号采集单元2为双通道数字示波器。
本实施例中，该装置还包括通讯单元5和人机交互单元6，各单元模块之间的关联参见附图2所示。
通讯单元5与数据存储单元4通信连接，用于发送和接收数据，使得本申请的装置可以与其他装置实现数据交换和共享。
人机交互单元6与分析控制单元3、数据存储单元4和通讯单元5分别通信连接，人机交互单元6具有人机交互接口和显示界面，用于接收用户输入的被测电缆7的信息和检测指令，并显示被测电缆7的阻抗频谱图、被测电缆7的功率谱图等分析数据，并提供当前与历史的数据比较结果。
实际操作时，参考信号ch0和入射信号ch0’的扫频范围和扫描点数由操作者指定，例如设置扫频范围1～100mhz，扫频点数为1000000，则入射信号ch0’和参考信号ch0的步进频率依次为1hz，100hz，200hz，300hz，400hz，……每个频率至少持续10个完整周期的正弦波。为了保证检测结果的精度，采样频率应大于参考信号频率的100倍。
本发明还提供采用上述装置用以进行电缆局部缺陷评估的方法，包括如下步骤：
(1)采用信号发生单元1发射入射信号ch0’和参考信号ch0，入射信号ch0’从被测电缆7的一端射入，采用信号采集单元2的第一采集通道采集入射信号ch0’经过被测电缆7后的反射信号ch1，同步的，采用信号采集单元2的第二采集通道采集参考信号ch0；
(2)根据反射信号ch1和参考信号ch0计算扫频段内被测电缆7的阻抗；
(3)定义一个新的域变换，将步骤(2)计算得到的阻抗的频谱函数变换为沿被测电缆7长度方向的功率谱函数；
(4)将步骤(3)中功率谱函数大于0db的点视为沿被测电缆7长度方向上因存在电气性能不连续而产生了回波，电气性能不连续的位置即为被测电缆的局部缺陷位置。
参考信号ch0选择从ω1到ω2的扫频信号，ω2的确定取决于被测电缆7的长度，一般地，被测电缆7越短，ω2取值越大；反射信号ch1是入射信号ch0’经过被测电缆7的阻抗zdut后的信号，其幅值和相位均发生了改变；使用反射信号ch1和参考信号ch0计算的被测电缆7的阻抗zdut，它是入射信号ch0’的频率的函数，计算公式如下：
其中，zdut是被测电缆7的阻抗，z1是用于采集反射信号ch1的第一采集通道的阻抗，可根据被测电缆7特性阻抗选择20欧姆或50欧姆；v1为第一采集通道处测得的电压矢量值；v0为第二采集通道处测得的电压矢量值。
测量电路示意图如附图3所示，其中rb为信号发生单元1的内阻，rg为电路上的寄生阻抗。上式(1-01)表明zdut与电阻rb和rg无关，zdut仅是一个v0至v1的传递函数。
通过选择适当的窗函数(如汉明窗)来消除噪声，根据式(1-01)可以计算扫频段内ω1至ω2之间被测电缆7阻抗的频谱。
根据被测电缆7的阻抗谱函数，可以计算以下参数：
(1)谐振频率，在阻抗相位角为零处的频率值。
(2)计算被测电缆7的阻抗zdut，在阻抗相位角的任意局部最大值(或最小值)处对应阻抗的幅值。
本发明还提供一种通过被测电缆7阻抗zdut用以定位被测电缆7局部缺陷位置的方法。
式(0-07)是附图1的复变函数表达式，图中显示了阻抗的幅值和相位随入射信号ch0’频率的变化。阻抗谱函数的伪周期性是来源于γd的周期性，γd方程式(0-08)也可以写为：
γd＝γl·e-2γd＝γl·e-2αd·e-2jβd(0-10)
由于衰减系数α，阻抗的幅值沿电缆长度d下降。若以d为独立变量时，γd的伪周期为1/2β。
将方程式(0-05)代入方程式(0-10)有
其中f是入射信号ch0’的频率，ν是被测电缆7中信号传播的相速度。设定f为独立变量，定义一个新变换：
f→t′(1-02)
其中νr＝ν/ν0，νr是入射信号ch0’在被测电缆7中的相对相速度，ν0是光在真空中的传播速度。
将γl·e-2αd设为a，则方程式(0-11)经t′变换为：
γd＝a·e-jω′t′(0-12)
式(0-12)给出了一个径向频率为ω′和振幅为a的伪周期函数。在实际有损耗的被测电缆7中，衰减系数α使得振a随t′递减，从而产生如附图1中的阻尼振荡。在t′域中，该函数的频率f′是：
其中f′是t′域中相位函数的基波频率，也是入射信号ch0’从入射点传播至被测电缆7终端d后再返回入射点的时间，因此f′还具有时间维度。如附图4所示，在t′域中，阻抗相位的傅里叶变换(功率谱)横轴的终端d处对应了方程式(1-04)中给出的基波频率f′。
当距离被测电缆7入射点x处存在局部缺陷(通常表现为电气参数不连续，例如绝缘的介电特性发生微小变化)时，该处将产生另一个回波，这会在阻抗相位的功率谱中产生一个新的频率分量，根据方程式(1-04)，这个频率为：
如果已知被测电缆7长度d，在t′域中通过识别阻抗相位功率谱中的f′和f″，根据方程式(1-04)和(1-05)，可以计算电缆存在电气不连续性(即x处)的位置：
通过以上方法可以计算出任何由于电气参数不连续性而产生回波的位置，传输线阻抗谱函数中的处基波频率之外的频率分量都表征了某个位置产生了回波。如附图4所示，在t′域中，阻抗相位的功率谱横轴的x处(即距离入射点x处)因被测电缆7存在电气参数不连续而发生了回波。
当对被测电缆7进行状态监测时，通常会计算出若干电气参数不连续的位置，每个位置都对应了功率谱中一个频率分量fn，根据以下方法计算与其对应的缺陷位置xn：
上述计算得到的xn即为频率分量fn对应的缺陷与所述入射点之间的距离。
本发明还提供一种评估被测电缆7局部缺陷严重程度的方法。如附图4所示的功率谱中任何高于0db的尖峰均可认定其所在位置存在局部缺陷。但是该处的峰值不能直接用于评估局部缺陷的严重程度，因为峰值还会受缺陷点与入射点的距离、信号在被测电缆7中的衰减以及扫频信号带宽的影响。
定义一个状态指标dnorm(degreeofnormalizeddegradation)用于评估被测电缆7缺陷的严重程度。附图5使用功率谱图像给出了dnorm的定义：任何局部缺陷处的尖峰都会在被测电缆7终端的另一侧产生一个镜像峰，这个镜像峰是由缺陷处与被测电缆7终端之间的二次反射产生的，该镜像峰所在的位置与被测电缆7终端之间的距离与局部缺陷与被测电缆7终端之间的距离相等，已知被测电缆7长度为d，局部缺陷的位置为x，则这个镜像峰距离被测电缆7入射点的距离为2×d-x。缺陷位置产生的峰的峰顶与镜像峰的峰顶通过一条直线相连，该直线的斜率用于表征回波峰的幅值沿电缆长度方向的变化趋势。设tp为被测电缆7终端的峰值，dnorm定义为缺陷峰沿趋势线至终端峰处与tp的差值。该方法可以有效补偿缺陷处产生的回波沿被测电缆7长度方向的衰减量，dnorm的绝对值越大，则表明缺陷处产生的回波越强，缺陷越严重。通常将dnorm绝对值大于10作为被测电缆7局部缺陷的判据。对同一根电缆，不同时间检测到的dnorm可以用于跟踪缺陷部位的劣化趋势。
参见附图4和附图5，在本实施例中，被测电缆7的长度为d＝30.5米，测得局部缺陷的位置与入射点的距离x＝22.3米，则镜像峰的位置为2×d-x＝38.7米，连接功率谱图中横坐标为22.3米以及38.7米处两峰的峰顶形成趋势线，dnorm定义为在横坐标为30.5米处，该趋势线与电缆终端的峰值在纵坐标上的差值。
本发明通过扫频方法测量并计算扫频段内被测电缆7阻抗的频谱，并在频域内对谱函数进行变换，在新域中实现对缺陷的定位，本发明与现有的电缆故障定位技术相比，抗噪性强、适用性广，并且能评估被测电缆7缺陷的严重程度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。