用于同轴传输线的故障检测系统的制作方法

本发明涉及一种能够检测和定位同轴传输线中的火花和降级（degradation）的系统。

背景技术：

除了其他之外，本系统还应用于基于通过同轴传输线连接到天线的信号产生器（具有或不具有接收器的发射器）的发射或发射/接收系统。本发明可以被有效地（usefully）应用于移动数据网络中的广播站和发射器的监视和诊断，包括：

•用于fm模拟无线电广播的发射站；

•用于数字无线电广播（dab）的发射站；

•用于以任何标准（dvbt、atsc和所有未来演进）的数字tv广播的发射站；

•移动电信网络。

如图1中所图示，同轴传输线通常是一对具有相同轴和不同直径的圆柱形导体，其中导体之间的空间由以电介质常数为特征的电介质材料填充。

通常，由线传输的信号将被称为“服务（service）”。

根据应用，传输线可以具有若干种不同的特性。如已知的那样，传输线的电磁特性由内径和外径“d”和“d”以及电介质常数确定。“ℓ”代表同轴电缆的长度。

以下公开内容将涉及通用同轴结构，但是适用于来自填充有任何种类的电介质、固体或气体的柔性电缆的任何种类的同轴线。广播塔中使用的电缆必须处理非常高的功率水平，并且通常是填充有气体（具有和不具有加压）的刚性的同轴电缆。内部导体和外部导体之间的对准通过合适的垫片（spacer）62（例如以ptfe（teflon®）盘的形状）来保证，如图2中所示。

在基于同轴传输线的无线传输系统中，两种物理现象可能导致系统的故障或甚至对操作者带来安全风险：同轴电缆/线中的火花（电介质放电）和同轴电缆/线的降级（直至故障）。

火花

每条同轴线呈现击穿（breakdown）阈值，即可以在不导致电介质击穿（和随之发生的电介质放电）的情况下施加的该线的两个导体之间的电位差的最大值。

适用于内部导体的最大电压取决于线的几何尺寸和填充线的电介质材料。在存在具有足够高的峰值功率以克服电压阈值的射频信号的情况下时，电介质中将发生击穿，从而产生电弧并将信号的能量释放在通常连接到地的线的外部导体上。通常，传输线的设计考虑预期在线中流动的最大峰值功率，并且线大小被尺寸设计为（dimensioned）具有适当的裕量，以便避免超过阈值并导致电介质放电。然而，由于引入了可能导致线中的驻波的反射，因此若干因素可能影响系统的性能，降低击穿阈值和/或增加施加到内部导体的峰值电压。

如图2中所图示，这些因素的示例是：

•由于过度的机械应力而导致的导体的变形，其具有随之发生的圆柱形对称性的损失；

•由于老化和热循环而导致的线中的导体和/或塑料（通常为teflon®）零件的变形；

•机械零件的构造中的缺陷；

•维护操作期间的意外损坏；

•由站内的动物（老鼠、鸟）造成的损坏；

•安装期间安装中的人为错误；

•线内部存在湿气、灰尘、不需要的材料。

火花伴随着在线中的电介质中流动的大电流，从而在很短的时间内在金属（通常是铜）壁上释放高能量。该影响可能对线的金属壁造成永久损坏，从长期来看造成性能的损失以及甚至物理破坏，其具有高功率系统中的潜在的危险后果（整体系统故障、火灾、爆炸）。

降级/故障

在先前的部分中作为示例列出的相同原因，如果没有造成击穿，可能对传输线的行为造成其他影响。在不可见位置中（例如啮齿动物）的意外损坏可能造成整体故障，这在复杂基础设施中运行的长传输线中可能难以定位。小变形、少量的不需要的材料、安装中的小缺陷在短期内可能是不可见的，并且具有太小的影响而无法启动（enable）火花。然而，仍然可能的是，例如，从电气的角度来看造成局部影响的性能的局部降级，可能被认为是与线串联的寄生电阻。因此，电阻将以热量的形式耗散不需要的功率的量。随着时间的推移（intime），该杂散的（spurious）散热可能导致局部过热，并且在最坏的情况下，达到塑料零件的熔点，从而导致突然的且潜在破坏性故障。

在先前的部分中描述的两个问题目前面临着不同的方法。

用于检测火花的当前解决方案基于火花的给定物理效应，即基于：

•声学效应。事实上，在线上产生电弧造成典型的“喀哒”声，该“喀哒”声可以由线中的特定传感器检测到。

•带外电磁发射。在存在火花的情况下，大量的能量从跨电弧转移，导致许多频段中的辐射的发射。检测到由tv/无线电信号所占范围之外的频率中的发射将是火花的存在的指示器。

然而，这些解决方案对于检测线中火花的存在可能是有效的，但是它们中没有能够定位线中火花的确切位置。

tdr技术被广泛用于电缆故障定位。tdr的原理是在电缆的一端上传输测试信号，该信号是宽带脉冲，收听回波，并且不相干地测量时间延迟。这些技术允许以低空间分辨率和幅度准确度检测电缆中的不连续点。

然而，当前可用的tdr仪器无法在电缆操作（即提供服务信号（在我们的情况下为tv或无线电））时提供故障定位。为了应用仪器，必要的是，停止服务，断开发射器，并且连接仪器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于检测导致同轴电缆或线的火花和/或降级（故障）的因素的设备，其免除或至少减轻了已知设备的限制。

本发明的特定目的是提供能够在同轴电缆或线正在操作时操作的检测设备。

本发明的另一个目的是提供检测设备，该检测设备能够提供同轴电缆或线中的因素和/或火花/电弧的更准确的位置。

根据本发明，这些目的通过权利要求1的设备来实现。从属权利要求涉及本发明的特殊实施例。

提议的解决方案特别地提供：

•注入的信号与通过监视的同轴电缆/线传输的tv/无线电信号（服务中测量）共存；

•由于相干接收器而带来的空间中的高分辨率和幅度中的高准确度

•对所监视的同轴电缆/线的行为（例如技术特征）的小且快速的变化的检测。

附图说明

借助于通过示例的方式给出并由附图图示的实施例的描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1示出了同轴传输线的视图；

图2示出了在同轴传输线内部产生的火花的示意示图，该同轴传输线具有沿线的电弧和缺陷；

图3和图4示意性地示出了对同轴电缆/线中的电弧的存在和位置以及相应地沿线的反射的分布的偏差的检测；

图5示出了反射信号和基线信号（表示同轴电缆或线的理想行为）之间的示例性比较。

图6示出了通过以给定的二进制序列调制（乘以）载波信号来产生调制信号。

图7示出了对接收信号的解调，以便提供同相（i）和正交（q）信号。

图8示出了同相（i）和正交（q）信号与给定二进制序列的相关性。

具体实施方式

图1和2示出了典型的刚性同轴传输线，如在用于vhf和uhf信号的无线电和电视广播塔中使用的那些刚性同轴传输线。本发明特别适用于监视这样的设备（installation），但不限于此，并且可以被用于确定任何可能的传输线中的故障。由于本发明的检测系统依赖于超宽带宽发射，因此它可以被成功地用于各种各样的传输线中。

提议的检测系统（设备）由制导雷达（即雷达信号在传输线内部传播）组成。该系统产生在服务信号的范围之外的载波频率下的一系列雷达脉冲，以便避免引入任何干扰。

该系统包括被配置成在传输线（波导，诸如同轴电缆或同轴线）内部的预定方向上发射雷达信号的发射器和被配置成捕获散射雷达信号（即朝向发射器反射的雷达信号）的雷达接收器。发射器和接收器可以（基本上）沿着传输线在相同位置处操作，并且被封装在能够发射和接收的组合雷达设备30中。合适的雷达耦合器32（如图3和图4中所图示）被用于与服务20一起在传输线中（例如在靠近发射器且更远离天线的电缆的末端处）发射信号。

预定的传输方向优选地基本上平行于传输线的纵轴（例如，一对圆柱形导体的轴），特别是（至少）在发射器的操作位置处。

在优选实施例中，所使用的雷达信号是超宽带（uwb）雷达信号。uwb雷达信号以天线传输为特征，针对该天线传输，发射信号带宽超过500mhz或算术载波频率的20％中的较小者，如由国际电信联盟（itu）在itu-rsm.1755-0建议中定义的那样。

与包括若干个扩频无线电信号的其他源不同，uwb无线电信号不对相同频带中的常规窄带和载波传输造成（provide）干扰（或造成至少不可察觉的干扰），因为uwb雷达信号被扩展在更大的频带上。

例如，对于在uhf范围（例如470-800mhz）中或在fm范围（例如88-108mhz）中操作的传输系统，雷达信号在以250mhz为中心的载波上调制，所述载波具有在125mhz的范围内的带宽，因此具有0.5的分数带宽（fractionalbandwidth），远高于上面提到的定义中的限制。

uwbr产生非常短的脉冲（在小于10ns持续时间的范围内）。与其他扩频技术不同，脉冲的短持续时间产生宽的带宽，其中，宽的带宽是时域或频域中特定技术的结果，旨在在频谱上扩展信号的能量。雷达信号的持续时间和重复周期将比典型的火花持续时间小得多。与服务信号20的载波功率相比，雷达信号的幅度被保持足够低，以便不超过带外发射限制。

由雷达系统产生的信号将通过耦合器32被注入到传输线中，耦合器32对于从发射器到天线的服务信号20的传播将基本上是透明的，并且将允许将雷达频率与传输线耦合。脉冲在同轴线中传播，并且反射（回波）由线中的任何不连续点产生。不连续点可能是机械的（塑性元素、变形、弯曲等）或电气的。由于电介质击穿而导致的线中电弧的存在是强的电气不连续点，其与连接线的两个导体的非常小的电阻（几乎短路）相当。

图3图示了雷达信号在传输线中的可能传播。雷达设备30在传输线中从发射器的端（tx）朝向天线（ant）发射信号。在线中的每个不连续点处，信号的部分被反射并返回到雷达耦合器32（箭头40）。优选实时地由雷达设备30对在每个脉冲之后接收的回波（反向散射信号）进行分析，并且提取两个信息：线中的电弧（50）的存在和位置（参见图3），其中知道tof（飞行时间）（即回波的延迟），可以计算位置，因为线中的传播速度是已知的，并且取决于填充线的材料的电介质常数。

图4示出了沿线传播并产生多个回波的雷达信号，每个回波被特定的不连续点反射。在该示例中，产生返回信号的不连续点是垫片盘62，但是任何其他不连续点，包括污染、外来物体、有缺陷的接触、急剧弯曲等等，将在反向散射信号中产生特征（signature）回波，这使得能够标识由于前面部分中列出的原因中的任何原因导致的线的健康状态的降级。

每个脉冲将产生复杂的回波，这由来自线中每个不连续点的回波的合成产生。可以绘制所得到的信号，以将反射水平表示为距雷达发射器的距离的函数。优选地，将返回回波与表示线的理想行为的基线信号进行比较。

图5是参考信号80和从传输线81获得的可能的回波信号的曲线图。为了比较的清楚起见，参考信号80被人为地向下移位。水平轴是时间轴，但是由于信号在传输线中的传播速度是已知的，因此时间被表示为距离。参考信号80呈现多个低水平峰值以及指示来自天线的反射的最终峰值88，所述低水平峰值可能受到（standfrom）来自垫片绝缘体62的不可避免的反射的影响。信号81与参考信号80的比较指示两个位置85和86，所述两个位置85和86产生比参考显著更强的回波。这些位置可以从相应回波的时间延迟准确地确定。

为了以高准确度计算回波的tof，采用了相关算法。接收到的信号被解调以提取原始的二进制信息，并且结果将由传播返回到雷达源的所有散射信号之和给出。给定发射信号：

接收到的信号将是：

其中和分别是由线中所有不连续点所散射的信号的延迟和反射系数。

将两个信号相关，对应于不连续点的位置的的值将在相关结果中给出峰值。在存在火花的情况下，预期结果是与火花的位置对应的相关结果中的强烈变化。该变化在时间上将是有限的。代之以，由于机械效应导致的小的降级将以相关结果的小偏差的形式被检测到，其在时间上具有特定的增加趋势。

检测系统

该检测系统基于采用相位调制的脉冲的序列，相对于经典的脉冲雷达，这使得能够显著增加信号能量，而不降低与短脉冲相关联的时间/空间分辨率。通过将二进制序列（每个比特对应于0°或180°的相移）应用于载波频率来获得相位调制。该应用的实时处理的核心是接收信号与传输序列之间的相关性，该相关性是估计返回回波的飞行时间的基础。

返回回波的幅度和飞行时间将因此提供导致火花和/或降级（故障）的因素的存在及其相对位置（即相对于发射器和/或接收器的操作位置的位置）。

借助适当的序列设计（例如二进制golay码），构建以很高的信噪比、良好的分辨率和雷达响应函数中的极低的旁瓣为特征的信号是可能的。旁瓣与相关算法的错误结果（即：对不连续点的空间距离的错误估计）的概率直接相关

相位调制

如图6中所图示，期望的载波频率下的正弦载波110乘以特定的二进制序列120。结果是传输0-180°相位调制信号140来感测电缆。

可以使用二进制相移键控（bpsk）来实现乘法器105。

特定的二进制序列120充当扩频码，并且可以是提供良好的自相关和互相关特性的伪随机噪声码。

解调

图7图示了可能的解调方案，在本发明的框架中，该解调方案可以被用于处理从传输线接收的回波信号。这样做的目的是提取与二进制序列有关的信号的分量，忽略其高频（载波）部分。

这最初涉及从接收信号140（在雷达频带中）产生同相基带信号150（i）和正交基带信号151（q）。

如图7中所图示，将接收信号140乘以载波频率110和具有90°相移的载波频率115，以分别获得同相基带信号150和正交基带信号151。

如图8中所图示，i和q信号最初可以由低通滤波器单元进行滤波，以去除由解调过程导出的高频分量。所得到的信号被馈送到相关器220，相关器220将它们与二进制调制代码120相关，以获得包含关于现有目标（例如，电弧、损坏等）的所有信息的电缆的复杂相关响应。

申请人惊奇地发现，基于前向纠错码，特别是基于线性纠错码（例如，二进制golay码）的二进制序列提供了具有自相关和互相关特性的uwb雷达信号，从而提供了高效的解调。

例如，可以通过产生伪随机二进制序列并且然后通过在该伪随机二进制序列上应用前向纠错码、特别是线性纠错码（例如二进制golay码）来获得二进制序列。

参考编号

20服务

30制导雷达

32耦合器

40信号路径

50火花

53缺陷/污染/故障点

60外部导体

62电介质盘/垫片

65中央导体

80基线测量

81电流测量

85在109m处降级

86在182m处降级

88来自天线的反射

105乘法器

110载波

115具有90º相移的载波

120调制二进制序列

140调制信号

150同相基带信号

151正交基带信号

160同相滤波信号

161正交滤波信号

210低通滤波器

220相关器

230目标响应