Разработка и исследование методики количественной оценки внутренних неоднородностей кабельных цепей методом импульсной рефлектометрии

Актуальность исследования и состояние вопроса.

Неоднородности волнового сопротивления реальных двухпроводных линий связи ухудшают качество передачи за счет образования обратного и попутного потоков. Нормирование неоднородностей кабельных цепей (КЦ) в процессе производства кабелей и эксплуатации линейных трактов является необходимым условием обеспечения высокого качества предоставляемых услуг связи.

Неоднородности в КЦ возникают из-за несовершенства технологий I производства, прокладки и монтажа кабеля. Распределение внутренних неоднородностей по длине линии несет много полезной информации для изготовителей кабелей, строительных и эксплуатирующих организаций. Эта информация до настоящего времени практически не используется. Внутренние неоднородности связаны с выбранной конструкцией кабеля, а также отклонениями от нее. Неоднородности, вызванные конструкцией кабеля, называют также структурными. Отклонения в диаметрах проводников и шагах скрутки, изменения взаимного расположения проводников, толщины и параметров изоляции приводят к внутренним неоднородностям.

Теория длинных линий была разработана в 19 веке для однородных цепей. Учитывались только концевые неоднородности. В последнее десятилетие 19 века для уменьшения затухания в воздушных и кабельных линиях связи стали использовать по предложению выдающегося инженера Пуппина включение в линии, так называемых, пуппиновских катушек, которые являются сосредоточенными неоднородностями. Переходы от воздушных к кабельным линиям связи и обратно, соединения между собой цепей с разными волновыми сопротивлениями приводят к существенным стыковым неоднородностям. Были разработаны методы расчета прохождения сигналов, затухания, входного сопротивления в частотной области для неоднородных линий с конечным количеством известных неоднородностей. Дальнейший шаг в теорию неоднородных линий связан с учетом внутренних неоднородностей, которые носят случайный характер. Проблемы количественной оценки внутренних неоднородностей приобрели актуальность в связи с внедрением в сороковых — пятидесятых годах 20 века коаксиальных радиочастотных кабелей. Проводились исследования влияния конструкции и технологии производства кабелей на их волновое сопротивление и отклонения от номинального значения. Определялись оптимальные конструкции, технологии производства и монтажа кабелей, возникли новые способы измерения, в том числе и импульсный метод [1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8].

Исторически первым методом определения параметров неоднородных цепей был частотный, основанный на том, что неоднородности волнового сопротивления создают отраженные волны (обратный поток), которые на ближнем конце линии вызывают резонансы, частоты которых определяются номинальными параметрами линии и расстоянием до неоднородности. Эти методы используются до сих пор и часто сводятся к измерению зависимости входного сопротивления от частоты. Для измерений может использоваться дифференциальный мост. Однако частотные методы, несмотря на трудоемкость мало информативны. По частотной зависимости входного сопротивления трудно количественно определить параметры неоднородностей, т. е. коэффициент отражения и расстояние до неоднородности.

С 1950;х годов развивается более совершенный и наглядный импульсный (рефлектометрический) метод измерений. Простой в реализации, обладая высокой производительностью, данный метод позволяет определить характер и коэффициент отражения от сосредоточенной неоднородности, различить несколько неоднородностей и расстояние до каждой из них.

Уже в первых работах, посвященных импульсному методу, прослеживается желание описать каждое отражение, его величину, характер, распределение неоднородностей по длине кабеля, ввести статистические характеристики. Однако уровень элементной базы того времени, и отсутствие доступных вычислительных средств ограничивали возможности анализа.

Несмотря на это были достигнуты значительные результаты в теории неоднородных линий, введены понятия обратного и попутного потоков.

Импульсный метод анализа неоднородностей в настоящее время широко используется для определения характера и местоположения неоднородностей и повреждений магистральных, зоновых и местных кабелей связи, кабелей вещания и оповещения, локальных вычислительных сетей, структурированных кабельных систем, силовых электрических кабелей, кабелей технологических сетей. Рефлектометрический метод применяется в системах оперативного дистанционного контроля трубопроводов, тестирования полупроводниковых схем, при геотехнических и геологических исследованиях, тестирования электропроводки самолетов. Разработаны новые типы приборов: вейвлет рефлектометр, рефлектометр на основе непрерывного сигнала, рефлектометры, использующие сложные шумоподобные зондирующие сигналы, системы импульсного мониторинга кабельных линий [9,10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17].

Большой вклад в теорию процессов распространения импульсных сигналов, формирования обратного потока в неоднородных цепях внесли отечественные ученые В. А. Андреев, С. И. Баскаков, С. М. Верник, Г. В. Глебович, А. Д. Ионов, И. П. Ковалев, Э. Л. Портнов, A.A. Абрамов,.

B.JI. Бакинский, А. П. Осадчий, Н. И. Сосфенов, В. К. Спиридонов и другие. Следует отметить работы И. В. Ляхова и В. Н. Семенова. Одной из наиболее полных последних работ в области анализа неоднородностей является работа А. Д. Ионова [18], в которой на основе единого подхода рассмотрена теория нерегулярных электрических и оптических кабелей связи и статистический метод их исследования.

Большой вклад в разработку импульсного метода измерений внесли Б. П. Богданов, A.C. Воронцов, Г. В. Демьянченко, А. Я. Усиков, Г. М. Шалыт, П. А. Фролов, H.A. Тарасов, И. Иванцов, В. М. Горохов, М. С. Былина,.

C.Ф. Глаголев, В. Б. Рудницкий и другие.

За рубежом этой тематикой занимаются A. Clunie (Англия) М. Turvey, W. Blohm (Германия), Paul Smith, Cynthia Furse, John Pickerd, Kan Tan,.

Joe Rowell Joel Dunsmore, Les Brabetz (США), Bernardo Celaya de la Torre (Канада) и другие.

Наиболее полной и обобщающей весь предыдущий материал по импульсным измерениям неоднородностей коаксиальных кабелей на сегодняшний день является работа А. С. Воронцова, П. А. Фролова, опубликованная в 1985 г. [19]. В работе изложены принципы импульсных измерений, приведены параметры зондирующих импульсов, даны описания импульсных приборов и методов измерений, заложены основы обработки и анализа результатов импульсных измерений. Однако особенности импульсных измерений на симметричных кабелях в работе практически не рассмотрены. Последние десятилетия характеризуются ростом производства и расширением области применения симметричных высокочастотных кабелей для широкополосного доступа, для локальных сетей (LAN-кабелей) и кабелей для структурированных кабельных систем (СКС). Не рассмотрены также вопросы компьютерной обработки рефлектограмм.

После 1985 года отечественными авторами серьезных обобщающих работ по теории и практике импульсных измерений не опубликовано, хотя и вышло немало статей по отдельным вопросам, что подтверждает актуальность дальнейшего развития этого метода измерений. Многие изготовители измерительных приборов ведут собственные исследования, однако неохотно публикуют свои результаты и технические решения.

В настоящее время в стране эксплуатируется значительное количество импульсных приборов иностранного (Tektronix, Rise Bond, Hewlett Packard, Bicotest и др.) и отечественного (ОАО «Стелл», ЗАО «Эрстед», «Связьприбор», «Аналитик-ТС» и др.) производства [20, 21, 22].

Современные импульсные приборы являются цифровыми и позволяют передавать зарегистрированные рефлектограммы в компьютер, это создает предпосылки для последующей цифровой обработки рефлектограмм и позволяет получать дополнительную количественную информацию о повреждениях и неоднородностях. Однако набор функций, реализуемых существующими программами обработки рефлектограмм, поставляемыми вместе с приборами, очень ограничен.

Многие возможности импульсного метода описаны в литературе, но не используются в измерительной практике, и даже не реализованы в аппаратуре отечественного и зарубежного производства. Расширение функциональных возможностей импульсных приборов, улучшение их метрологических характеристик и ознакомление специалистов с этим являются важными и актуальными задачами [23,24,25,26,27].

Разработанные в данной работе алгоритмы обработки рефлектограмм, программное обеспечение, теоретическая и экспериментальная проверка их эффективности также являются актуальными.

В современной системе стандартов неоднородности кабелей нормируются преимущественно в частотной области. Проведенные в данной работе исследования показали, что такой подход имеет ряд недостатков. В частности частотные характеристики не дают информации о характере и распределении неоднородностей.

Несмотря на то, что стандарты определяют параметры кабеля преимущественно в частотной области, проводить измерения и анализировать данные можно как в частотной, так и во временной области. Результаты измерений обычно представляются последовательностью отсчетов значений в частотной или временной области. Математический аппарат прямого и обратного преобразования Фурье дает возможность преобразовывать данные из временной области в частотную и обратно.

В сравнении с частотной областью, измерения и анализ во временной области имеют несколько преимуществ:

1. Результаты измерений во временной области, представленные в виде рефлектограммы, более привычны и интуитивно понятны человеку. Рефлектограмма отображает зависимость изменений волнового сопротивления от расстояния и позволяет выявлять повреждения, определять их местоположение и характер.

2. Измерения во временной области позволяют исключить некоторые методические погрешности принципиально неустранимые в частотной области.

3. Измерения во временной области более информативны. Позволяют получить статистические характеристики неоднородностей, распределение их по длине линии.

4. Техническая реализация рефлектометра проще, а стоимость примерно в два, три раза меньше, чем кабельного тестера.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является расширение функциональных возможностей импульсного метода измерений и разработка методики количественной оценки параметров внутренних неоднородностей КЦ. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. Построение математической модели неоднородной КЦ, позволяющей в частотной и временной областях теоретически исследовать процессы формирования обратного потока.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование существующей методики количественной оценки неоднородностей КЦ в частотной области и выявление ее недостатков.

3. Экспериментальное исследование различных неоднородных КЦ импульсным методом во временной области и установление пригодности метода для количественной оценки параметров внутренних неоднородностей.

4. Разработка алгоритмов обработки сигнала обратного потока, позволяющих получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ.

5. Разработка макета измерительного устройства и программного обеспечения для количественной оценки внутренних неоднородностей КЦ.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы теоретические методы математического анализа и компьютерного моделирования, математической статистики и цифровой обработки сигналов, экспериментальные методы измерения параметров кабельных цепей в частотной и временной областях.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной являются:

1. Предложенная и разработанная математическая модель обратного потока на входе неоднородной КЦ в частотной и временной областях.

2. Впервые предложенная и исследованная методика количественной оценки неоднородностей КЦ во временной области методом импульсной реф л ектометрии.

3. Впервые предложенный способ обработки сигнала обратного потока, позволяющий получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ.

4. Результаты экспериментальных исследований различных неоднородных КЦ, полученные с помощью предложенной методики.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Создана новая методика количественной оценки внутренних неоднородностей на основе импульсного метода измерений, позволяющая сравнивать качество различных кабелей, а также однотипных кабелей различных изготовителей.

2. Создано программное обеспечение для расширения функциональных возможностей существующих цифровых импульсных рефлектометров, совместимое с форматом записи отечественных приборов РЕЙС-205 и РИ-20М, позволяющее обрабатывать зарегистрированные рефлектограммы и получать статистические характеристики распределения внутренних неоднородностей КЦ.

3. Исследованы методические погрешности импульсных рефлектометров с несимметричным выходом при их подключении к симметричным КЦ и разработаны практические рекомендации по их устранению.

4. Разработано и исследовано электронное устройство для подключения существующих рефлектометров с несимметричным выходом к симметричным кц.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, математического моделирования, разработанные технические решения, программы и устройства используются разработчиками импульсных приборов: ЗАО «Эрстед» (г. СанктПетербург), ООО «Измерительная техника связи», (г. Санкт — Петербург). Они также могут быть использованы разработчиками импульсных приборов в следующих организациях: ЗАО «Стелл» (г. Брянск), завод «Электроприбор» (г. Тверь).

Результаты исследований используются организациями, строящими и эксплуатирующими кабельные линии связи: ОАО «Лентелефонстрой», ОАО Ростелеком (г. Санкт-Петербург), ЗАО «Связь-электро» (г. Санкт-Петербург).

Предложенные математические модели, алгоритмы и разработанное программное обеспечение использованы в научных исследованиях НИИ «ЛО НИИС», учебном процессе кафедры Линий связи СПб ГУТ.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались:

• на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2007 (2 доклада), 2008 (1 доклад), 2009 (2 доклада), 2010 (2 доклада) и 2011 (1 доклад) годах,.

• на Всероссийских конференциях «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений» в 2008 (1 доклад) и 2009 (2 доклада), 2010 (2 доклада), 2011 (1 доклад) годах,.

• на научно-технической конференции «Кабели и линии связи-2010. «Волоконно-оптические системы и сети широкополосного доступа», г. Санкт-Петербург, 2010 год (1 доклад),.

• на научно-технической конференции «Кабели и линии связи — 2010. Системный подход к проектированию, строительству и эксплуатации», г. Анапа, 2010 год (2 доклада).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 2 статьи опубликовано в научно-технических журналах, включенных ВАК I.

РФ в перечень изданий, в которых должны публиковаться основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Получен патент на полезную модель № 97 831 от 23.03.2010 «Устройство оценки количественных и статистических характеристик внутренних неоднородностей электрических кабелей».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований и теоретического анализа существующей методики количественной оценки неоднородностей в частотной области на основе предложенной математической модели обратного потока.

— неоднородной КЦ.

2. Результаты многочисленных экспериментальных исследований неоднородных симметричных и коаксиальных КЦ импульсным методом, которые доказали, что в зарегистрированных рефлектограммах содержится количественная информация о распределении внутренних неоднородностей вдоль КЦ.

3. Результаты исследований современных отечественных рефлектометров, которые выявили инструментальные и методические погрешности измерений, и рекомендации для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения, а также измерителей, проводящих измерения в процессе строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений.

4. Впервые предложенная методика количественной оценки параметров внутренних неоднородностей КЦ во временной области методом импульсной рефлектометрии, ее теоретическое обоснование с помощью математической модели неоднородной КЦ и математического моделирования обратного потока неоднородной КЦ.

5. Алгоритмы обработки сигнала обратного потока неоднородной КЦ, позволяющие получить статистические характеристики распределения коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей КЦ.

6. Результаты исследований изготовленного макета устройства для количественной оценки внутренних неоднородностей кабельных цепей и разработанного для него программного обеспечения.

4.11. Выводы к четвертой главе.

1. Обоснован алгоритм и программное обеспечение для первоначальной обработки экспериментальных данных с целью формирования участка рефлектограммы, который несет информацию о внутренних неоднородностях КЦ. Первоначальная обработка включает выбор участка КЦ и длительности зондирующего импульса, а также процедуры устранения искажений рефлектограммы за счет «эффекта лыжи» и затухания сигнала обратного потока. В результате первоначальной обработки участок рефлектограммы представляет собой реализацию стационарного случайного процесса.

2. Разработано и отлажено программное обеспечение для вторичной обработки, т. е. для определения статистических характеристик случайного процесса по его реализации.

3. Разработано, запатентовано и реализовано устройство для количественной оценки статистических характеристик внутренних неоднородностей КЦ.

4. Доказана возможность по экспериментальной рефлектограмме, используя программу моделирующую неоднородную кабельную цепь, определить некоторые параметры реальной кабельной цепи, например среднее количество неоднородностей на единицу длины и СКО коэффициентов отражения от внутренних неоднородностей.

5. Показана возможность использования разработанной методики для количественной оценки ухудшения параметров КЦ при механических воздействиях на кабель.

Заключение

.

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Показано, что, несмотря на широкое внедрение оптических кабелей на магистральных, зоновых и местных сетях связи, электрические кабели связи будут использоваться в локальных, абонентских и телевизионных сетях по крайней мере в ближайшие десятилетия. При этом требования к качеству выпускаемых и уже проложенных кабелей растут. В связи с этим расширение функциональных возможностей и повышение точности методов и средств измерения остаются актуальными задачами.

2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования методов измерения параметров неоднородных КЦ в частотной и временной областях показали присущие частотным методам недостатки, которые могут быть исключены использованием рефлектометрического метода измерения во временной области.

3. Предложенная модель неоднородной КЦ, содержащей внутренние неоднородности, позволяет рассчитывать сигнал обратного потока, как в частотной, так и во временной областях с помощью разработанного программного обеспечения. Сравнение экспериментальной рефлектограммы или зависимости возвратных потерь от частоты с расчетами позволяет подобрать параметры модели КЦ, которые в наибольшей степени соответствуют эксперименту.

4. Проведенное исследование современных отечественных рефлектометров позволило выявить их недостатки, приводящие к инструментальным и методическим погрешностям. Сформулированы рекомендации для разработчиков импульсных приборов и программного обеспечения. Указанные рекомендации могут быть использованы при проведении профилактических и аварийных измерений в процессе строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений.

5. Разработан, изготовлен и исследован блок подключения симметричных КЦ к рефлектометрам с несимметричными входами, позволяющий исключить мертвую зону на рефлектограмме и некоторые погрешности. Предлагаемые технические решения могут быть использованы разработчиками новых импульсных приборов.

6. Впервые предложен алгоритм и разработано программное обеспечение для обработки рефлектограмм, зарегистрированных современными рефлектометрами и позволяющий количественно оценивать статистические параметры внутренних неоднородностей. Подробно проанализированы все этапы обработки рефлектограмм, включающие: выбор участка рефлектограммы для анализа, выбор оптимальной длительности зондирующего импульса, устранение «эффекта лыжи», коррекцию затухания обратного потока, расчет статистических характеристик распределения коэффициентов затухания.

7. Разработано, запатентовано и реализовано устройство для количественной оценки статистических характеристик внутренних неоднородностей КЦ.