CC BY
16
Былин А.Р., Былина М.С., Глаголев С.Ф. Пути повышения разрешающей способности
импульсных измерений
Для локализации иеоднородностей и повреждений широко используют импульсный метод измерения [1. 2], основанный на зондировании кабельных цепей короткими импульсами. Импульсные приборы, реализующие этот метод измерения, называют рефлектометрами во временной области.
При исследовании кабельных цепей импульсным методом обычно наблюдается много иеоднородностей, импульсы, отраженные от которых, могут накладываться друг на друга, затрудняя локализацию отдельных иеоднородностей. В данной работе рассматриваются два альтернативных пути повышения разрешающей способности импульсного метода: использование биимпульсного зондирующего сигнала и специальной обработки зарегистрированной рефлекто грам мы.
Различают стыковые, концевые и внутренние (в пределах строительной длины) неоднородности. По характеру неоднородности можно разделить на перепады волнового сопротивления. резистивные, емкостные, индуктивные и комплексные [1,2], которые могут включаться в линию параллельно и последовательно. На практике чаще всего встречаются перепады волнового сопротивления и резистивные неоднородности. Их особенностью является то, что их импульсная характеристика по обратному потоку соответствует по форме импульсной характеристике линии #(/)сдлиной. равной удвоенному расстоянию до неоднородности 2/п:
2
•ехр
4т /2Л
ЧТ0 'я
/-и
, при />/,,( 1)
где и/1) - форма зондирующего импульса, г -коэффициент отражения от неоднородности.
Известно [1,2], что искажения отраженных от иеоднородностей импульсов возрастают с увеличением расстояния до иеоднородностей пропорционально квадрату этого расстояния. Отраженные импульсы расширяются, а их амплитуда уменьшается. Для уменьшения длительности отраженных импульсов можно использовать биимпульсный зондирующий сигнал или биимпульс (рис. 1), который представляет собой два прямоугольных импульса противоположной полярности с одинаковыми площадями 5(т /2 и различными в общем случае длительностями и /, сумма которых равна лт [4]. Для биимпульса справедливо:
иМ) =
0.55,т
0.55,
0.
0 <К1_
г< 0,Г>Г
(3)
и
0.5БШ
0.
I.
где /, = 2т, • 1п - время задержки выходного импульса относительно зондирующего (с), т0 -удельная конструктивная постоянная кабельной цепи (с/км:). Значения параметров т0 и т} для различных кабельных цепей приведены в [3].
Для расчета формы отраженного импульса на входе рефлектометра «,(*) без учета шумов и помех можно использовать выражение:
«2(/)=г.|Ы1(/-т)*(т-Г3>/т, (2)
Рис. 1. Биимпульс
Особенностью такого сигнала является отсутствие у него постоянной составляющей.
Были проведены расчеты формы сигналов, отраженных от обрывов, для кабельных цепей ТПП-0.4 различной длины при прямоугольном и биимпульсном зондирующих сигналах (рис. 2). Из рис. 2 видно, что при биимпульсном зондирующем сигнале резко уменьшается длительность отраженного сигнала, на который
практически не влияет отношение /+ //. Вве- отношении // = 1 и Бт = 100 В не. Видно,
дем коэффициент для оценки эффективности что существует оптимальная длительность
использования биимпульсного зондирующего биимпульса, обеспечивающая максимальный
сигнала по сравнению с прямоугольным: коэффициент эффективности. Оптимальная
ц { длительность биимпульса увеличивается при
Кф = г у1, (4) увеличении расстояния до неоднородности
"г 2 примерно пропорционально квадрату этого
где и„ 11г - амплитуды, 1и„ 1цг - длительности расстояния.
на уровнях т ■ и, и т ■ б"при использовании ПРИ использовании зондирующего биим-
прямоугольного и биимпульсного зондирую- пульса отраженный от неоднородности сигнал
щего сигнала. имеет нежелательный отрицательный выброс.
0.025 0.020
0.015
0.010
0.005
МЛ в
25
км
100
НС
МКС
МЛ В
о
-0.005
а
1п = 0.5 км £„= 500 не
0.5 1
£, мке
мл в
МЛ В
/ 1
к
Я V 1 = 175 км_ )00 не _
/ V п
/ % и
3 ■
0.5 1 1.5
МКС
0 003 0.002
0.001 о
-0 001
^--
* — 1.5 км 1000 не — 4
2~/
3 ~
2 4
мке
Рис. 2. Отраженные от обрыва сигналы, рассчитанные для прямоугольного (1) и биимпульсных (2-4) зондирующих импульсах при 5,м= 100 В не: 2-г+//. = 0.6. 3-1+/г_= 1,4 - /+/г. = 1.4
На рис. 3 показаны зависимости коэффициента эффективности от длительности биимпульса для различных расстояний до обрыва кабельной цепи ТПП-0.4. Расчет проведен при
Для его уменьшения можно модифицировать биимпульс. изменив соотношение площадей положительной 5, и отрицательной его
ип+ г ¡т-
частей в сторону увеличения площади поло-
жительной части. Были проведены расчеты коэффициента эффективности и отношения и/ит для различных значений отношения которые показали что, увеличивая , можно добиться существенного уменьшения отрицательного выброса ценой некоторого снижения коэффициента эффективности.
5 /5
ип+ ип-
отношение 5 /5
|т+ I
Рис. 3. Зависимости коэффициента эффективности от длительности бинмпульса для /+// = 1 при следующих расстояниях до обрыва: 1 -1К — 0.25 км, 2 - /„ - 0.5 км.
3-/ =0.75 км. 4-/ = 1.5 км
п п
Для различных расстояний до неоднородности в кабеле ТПП-0.4 были проведены расчеты зависимостей К „ и II /II от отношения
- г
5ш>+/5((ь при длительностях биимпульса. оптимальных для каждого из этих расстояний. Было обнаружено, что эти зависимости дня различных расстояний совпадают (рис. 4). Из рис. 4 видно, что с увеличением отношения быстро
уменьшается амплитуда отрицательного выброса и при 5/т+/5т = 1.19 он исчезает. При этом коэффициент эффективности сохраняет достаточно большое значение - около 9.
1 о 12 1.1 1.4 15
и/и,
Рис. 4. Зависимость коэффициента эффективности и отношения £/Д/ от отношения /5,т при оптимальной длительности зондирующего импульса
Реальная рефлектограмма регистрируется при определенной, выбранной оператором, длительности зондирующего биимпульса. Эта длительность является оптимальной для конкретного расстояния. Для неоднородностей. расположенных ближе этого расстояния, на отраженном сигнале будет наблюдаться отрицательный выброс. Для оптимального и больших расстояний отрицательного выброса не будет.
Использование биимпульсного зондирующего сигнала позволяет существенно повысить разрешающую способность импульсного метода. Под разрешающей способностью понимается минимальное расстояние между двумя неоднородностями. которое дает возможность различить их на рефлектограмме [5].
Для объективной оценки разрешающей способности был введен специальный коэффициент разрешения (рис. 5):
И,
и,
тах тах
и,
тт тах
Рис. 5. Напряжения сигнала обратного потока, входящие в выражение (5)
К,
ти-2
2 (и
2тттах ^2тт
^2тах тах + ^2тт тах
(5)
Будем считать, что неоднородности различимы, если коэффициент разрешения превышает 0.13.
Были проведены расчеты сигналов, отраженных от двух близко расположенных неоднородностей в кабельной цепи ТПП-0.4, имеющих один и тот же знак коэффициента отражения, при зондировании биимпульсом и прямоугольным импульсом. Расчеты проведены для оптимальных длительностей биимпульса, то есть для / =0.25 км-/ =75 не; для / =0.5 км-/ =300
п и п и
нс. Отношение площадей положительной и отрицательной частей биимпульса 5(т+/51т выбрано равным 1.19. Некоторые результаты расчетов приведены на рис. 6.
и7, мВ
и ,, мВ
Г] = 1 = Л =0.25
\ А1-- = 52 м
Г \
\
0.3 Об 0.7 0.8 0.9 1 1п , км
и 2 , мВ
1
Г; — Г] — и ¿з Л/= 1Я »»
\
1 V V
0.25 0.3 0.35 0.4
1п , км
и у , мВ
Рис. 6. Сигнал обратного потока кабельной цепи с двумя неоднородностями. расположенными на расстоянии Л1 друг от друга при зондировании ее прямоугольным импульсом (слева) и биимпульсом (справа). Расчет произведен для кабельной цепи ТПП-0.4 при следующих расстояниях до первой неоднородности: а - 0.25 км; б - 0.5 км, в - 0.75 км и значениях зондирующего биимпульса: а - 5(т+ =37.5 не В; б - =150 нс-В (длительность прямоугольного импульса выбиралась равной
По результатам расчетов получена зависимость разрешающей способности от расстояния до первой неоднородности при использовании зондирующего биимпульса оптимальной длительности (рис. 7). Для сравнения на этом же рисунке приведена аналогичная зависимость, рассчитанная для прямоугольных зондирующих импульсов с длительностями, равными половине длительности соответствующих би-импульсов. Из рис. 7 видно, что использование биимпульсов позволяет существенно улучшить разрешающую способность.
Основным достоинством использования биимпульсного зондирующего сигнала является возможность улучшения разрешающей способности в реальном масштабе времени
путем регистрации нескольких рефлекто-грамм неоднородного кабельного участка биимпульсами с оптимальными для данного расстояния длительностями. К сожалению, существующие импульсные приборы используют, как правило, только прямоугольный зондирующий импульс. Поэтому рассмотренные преимущества не могут на них быть реализованы.
В данной работе предлагается методика последующей обработки цифровых отсчетов зарегистрированной рефлектограммы. позволяющая преобразовать ее в "биимпульсную" рефлектограмму — рефлектограмму, которая могла бы быть получена при использовании зондирующего биимпульса.
А',, м
и,. в
100 Ю0 900 1000 1200 1Ю 1600 18СО ЛЛО
1.1, и
Рис. 7. Зависимости разрешающей способности от расстояния до первой неоднородности при использовании в качестве зондирующего сигнала биимпульса оптимальной длительности (1) и прямоугольного импульса (2)
Общая идея обработки основана на том, что неоднородная кабельная цепь является линейной и рефлектограммы, полученные при ее зондировании прямоугольными импульсами одинаковой длительности и амплитуды, но различной полярности, отличаются только знаком. Задержка зондирующего импульса на определенное время приводит только к смещению рефлектограммы на то же самое время. Поэтому рефлектограмма, полученная при использовании биимпульса в качестве зондирующего сигнала, может рассматриваться как сумма двух рефлектограмм, полученных при зондировании кабельной цепи прямоугольными импульсами одинаковой длительности, но разной полярности и смещенных друг относительно друга на время, равное их длительности.
На основании этого представления предложен алгоритм обработки рефлектограммы, зарегистрированной с помощью прямоугольного зондирующего импульса. В соответствии с алгоритмом исходная рефлектограмма инвертируется. сдвигается на время, равное длительности зондирующего прямоугольного импульса. и домножается на коэффициент, который соответствует оптимальному соотношению площадей положительной и отрицательной составляющих эквивалентного биимпульса. Полученная таким образом рефлектограмма суммируется с исходной (рис. 8).
Рассчитанные ранее сигналы обратного потока при прямоугольном зондирующем импульсе были обработаны по предлагаемому алгоритму. Обработанные сигналы сравнивались с сигналами, рассчитанными при тех же условиях для зондирующего биимпульса удвоенной длительности. Было обнаружено, что эти сигналы полностью идентичны.
■ ~г~ -- I Исшдмм Г
паст* обр
/
i 1 1 Едови/та - -'-
0 03 04 0< 0« 10 12 1.4 14 II 30
I. ш
Рис. 8. Предлагаемая методика обработки зарегистрированной рефлектограммы
К. у. е.
_ J V
ir» \ Рефл е кто ф а мма \ г после обработки 1
230 300
I. М
320
340
У, у.е.
20
-10
Ц Исходи 1 рефлектоп 13М рамки
J
Рефл« поел* [гограмм |б|МбОТН и ны, н
300 520
540 560
580 (500 620 640
I, М
Рис. 9. Применение предлагаемой обработки к экспериментально зарегистрированным рефлекто-граммам кабельных цепей ТПП-0.4. оборванных на расстоянии 254 м (а) и 502 м (б)
Эффективность предложенной методики была проверена экспериментально. С помощью цифрового импульсного прибора РИ-20м регистрировались сигналы, отраженные от не-однородностей. расположенных на различном расстоянии в кабельной цепи ТПП-0.4. Зарегистрированные рефлектограммы обрабатывались по предложенному алгоритму. Некоторые
из полученных результатов представлены на рис. 9. Видно, что предлагаемая обработка значительно улучшает разрешающую способность импульсного метода.
Авторы надеются, что представленные результаты исследования будут полезны специа-
листам. занимающимся профилактическими и аварийными измерениями на медножильных кабельных линиях, разработчикам новых импульсных приборов и создателям программного обеспечения к существующим цифровым импульсным приборам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронцов A.C., Фролов П.А. Импульсные измерения коаксиальных кабелей связи. — М.: Радио и связь. 1985. — 96 е.. ил.
2. Былина М.С., Глаголев С'.Ф. Определение характера повреждения или неоднородности по рефлектограмме кабельной цепи. — Труды учебных заведений связи № 168. СПб, 2002.
3. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий связи. — М.: Радио и связь. 1986. — 104 е., ил.
4. Шалыг Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. — М.: Энергоиздат. 1982. — 312 с., ил.
5. Тарасов H.A. Использование метода импульсной рефлектометрии для определения повреждений кабельных линий. [Электронный ресурс] / "СТЭЛ Л ". — Электрон, дан. (1 файл) — [199-]. — Режим доступа http://reis.narod.ruymetod.hlm. свободный. — Яз. рус.
6. Былина М.С., Глаголев С.Ф. Повышение точности и информативности импульсного метода измерений. — Сборник трудов 4-й Всероссийской конференции "Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений — СТЛКС". СПб. 2005. — 6 с.
Сидоров Ю. Е., Лаврентьев Н. В. Обнаружитель радиосигналов в каналах связи
с неизвестными характеристиками замираний
Одними из наиболее быстро развивающихся областей информационных технологий являются беспроводные сети и системы сотовой связи. Их работа неразрывно связана с обнаружением и различением в шумах сигналов, подверженных искажениям и замираниям, что характерно для функционирования каналов радиосвязи.
Существенной особенностью задач обработки сигналов в радиотехнических системах является использование для их решения вероятностно-статистического подхода, что обусловлено случайным характером процесса взаимодействия электромагнитных волн с атмосферой и подстилающей поверхностью, наличием ошибок в коэффициентах и переменных, описывающих процесс распространения радиосигналов, и различного рода помех. В этих условиях важно найти такой алгоритм обработки, который позволил бы решить задачу наилучшим в некотором смысле (или оптимальным) образом.
Теоретической базой для синтеза систем обработки радиосигналов должна быть теория статистических решений, дающая единый подход к выбору оптимальных правил обработки случайных сигналов. Эта теория впервые сформулирована в конце 30-х и в 40-е годы XX века в работах А. Вальда [1]. В последующие годы усилиями советских и зарубежных ученых была в основном закончена теория принятия решений, основанная на использовании различных критериев качества решающих процедур (Байе-са, минимакса, максимальной апостериорной вероятности, максимального правдоподобия и др.) и ставшая классической [2]. Однако для ее применения требуются обширные априорные сведения о моделях и статистических характеристиках сигналов и помех, что на практике далеко не всегда бывает.
Таким образом, классические методы синтеза характеризуют потенциальную эффективность систем обработки радиосигналов
