李昕 陶義建 張媛

摘要：飛機(jī)機(jī)載電氣傳輸通道的故障定位一直是難題，簡單的電網(wǎng)故障經(jīng)常需要花費(fèi)大量的時間及人力進(jìn)行機(jī)上排查。因此，快速準(zhǔn)確的機(jī)載電網(wǎng)故障定位技術(shù)在飛機(jī)研制生產(chǎn)及后期維護(hù)過程中具備極高的研究價值。本文首先分析了時域反射技術(shù)目前存在的主要問題，進(jìn)而詳細(xì)介紹了時域反射技術(shù)在機(jī)載電氣通道故障定位中的解決方案，討論了時域反射技術(shù)在機(jī)載電器通道中的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：時域反射；電氣通道；故障定位

Keywords：time domain reflectometry；electrical channel；fault location

0 引言

飛機(jī)電網(wǎng)是機(jī)載設(shè)備功率傳輸和信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，承擔(dān)了機(jī)上所有電信號的傳輸及分配任務(wù)，其安全可靠性直接關(guān)系到飛機(jī)的安全性及可靠性。隨著計算機(jī)技術(shù)及高集成化的電子元器件的飛速發(fā)展，為減輕飛行員非戰(zhàn)斗工作負(fù)載，各機(jī)載系統(tǒng)的智能化程度不斷提高，導(dǎo)致機(jī)載光電網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，機(jī)載線纜總長度持續(xù)增加，電網(wǎng)單點失效的風(fēng)險也隨之加劇。在飛機(jī)生產(chǎn)及使用過程中，當(dāng)出現(xiàn)電線中部斷線、因絕緣層破損造成短路等故障時，由于失效電線往往不可見或不可達(dá)，導(dǎo)致此類故障的排除一定涉及大量的成品及附件、線束的拆裝，工作量大，耗時長。因此，針對電氣通道中傳輸故障點的定位及故障類型的判斷，一直以來都是飛機(jī)電氣系統(tǒng)工程技術(shù)人員的重要課題。

1 時域反射測量技術(shù)

時域反射測量（TDR）技術(shù)是在高速脈沖技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種非常有效的測量技術(shù)，其工作原理如圖1所示。

若將TDR視作一臺小型的一維雷達(dá)，只需要一個高速脈沖信號發(fā)生器作為信號源，一臺取樣示波器作為接收裝置和顯示器就可以搭建完成。如圖1所示，由脈沖信號發(fā)生器發(fā)出的快邊沿信號注入傳輸線，若傳輸線阻抗連續(xù)，階躍信號就會沿著傳輸線持續(xù)向前傳播；若傳輸線出現(xiàn)阻抗變化，階躍信號就有部分反射回來，其余部分仍繼續(xù)傳播。因阻抗變化反射回來的信號與后續(xù)新注入的階躍信號疊加時，示波器就可以采集到這個信號。

其中，L為信號輸入點到反射點的距離；V為信號在通道中的傳播速度；Δt為入射波與反射波間的時間間隔。

TDR技術(shù)早期主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，尤其是在電話線路故障定位方面。隨后，基于行波法、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的電纜線路故障定位方法被廣泛研究，并應(yīng)用于長距離的輸電或信號線路及民用電網(wǎng)故障定位工作中，然而針對航空機(jī)載電網(wǎng)短距高精度的故障定位方面的應(yīng)用尚不多見。近幾年，基于高速脈沖信號源及高速采樣示波器的發(fā)展，TDR技術(shù)在與航空領(lǐng)域應(yīng)用場景類似的計算機(jī)及其他消費(fèi)電子設(shè)備上的軟排線通信品質(zhì)測量及故障定位方面已有了相關(guān)的成功應(yīng)用經(jīng)驗。

2 時域反射技術(shù)在機(jī)載電氣通道故障定位中的解決方案

根據(jù)機(jī)載電氣通道短距高精度的測試特點，本文提出了關(guān)鍵測試指標(biāo)，并分析影響測試指標(biāo)的關(guān)鍵因素，最終在分析之上給出一個可行的機(jī)載電氣通道故障定位測試解決方案。

2.1 機(jī)載電氣通道故障定位測試需求指標(biāo)分析

首先是通道長度。普通民用電信傳輸網(wǎng)絡(luò)或民用電網(wǎng)一般距離較長，動輒千米長，而機(jī)載電路的傳輸距離相對較短，通常為幾十米的量級，在距離較短的情況下要獲得更高的準(zhǔn)確度，需要測試系統(tǒng)有更高的分辨率。

除了通道長度外，使用時域反射技術(shù)對電纜測試時，被測對象的工作頻段也十分重要。對于低于10GHz的信號，使用時域反射法和頻域反射法的測試性能大致相當(dāng)；而當(dāng)信號負(fù)載頻率高于10GHz時，需要使用頻域測試方法，一般選用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

一般地，普通機(jī)載直流低頻（400Hz）或高頻線纜的工作頻段均低于10GHz，可視作DC直流系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)分辨率的影響因素

時域反射系統(tǒng)的分辨率是指在用TDR測試時能夠分辨的最小距離，即TDR能夠分辨的傳輸線最小長度，與TDR的上升時間關(guān)系較大。TDR產(chǎn)生一個快速脈沖邊沿，入射到待測器件中，通過采樣反射波來測量特征阻抗，而產(chǎn)生的快速脈沖邊沿本身有一個上升時間，上升時間在待測器件上對應(yīng)的電氣長度對于TDR來說是一個模糊區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，TDR儀器不能準(zhǔn)確測出待測器件的特征阻抗。所以，TDR上升時間是TDR分辨率的主要影響因素之一。

由式（5）可見，測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)接工裝用的電纜、連接器、接觸件及探針等對TDR系統(tǒng)測試精度關(guān)系重大。

2.3 測試要求

綜上所述，提出針對飛機(jī)電氣傳輸通道故障定位TDR測試系統(tǒng)的測試要求。被測對象：飛機(jī)電氣通道；被測對象長度：最短500mm；分辨率：50mm。

該要求長度指標(biāo)考慮了一般飛機(jī)機(jī)載電纜的實際物理尺寸；分辨率指標(biāo)除能較準(zhǔn)確地在機(jī)上進(jìn)行故障定位外，還能根據(jù)通道理論長度初步判定是否存在意外的通道中段開路故障。

2.4 系統(tǒng)配置解決方案

常用的Raychem公司SPEC55型導(dǎo)線的絕緣材料為聚四氟乙烯，其介電常數(shù)為2.55。因此，根據(jù)式（3）得到電脈沖在導(dǎo)體中的傳輸速度為1.8×1011mm/s。

因測試系統(tǒng)的水平分辨率要求50mm，根據(jù)式（4）得到系統(tǒng)上升時間Tsys為555ps。

3 時域反射技術(shù)在機(jī)載電氣通道故障定位中的應(yīng)用研究

根據(jù)上述討論，當(dāng)入射電脈沖在傳播過程中遇到阻抗不匹配點時，將產(chǎn)生反射。事實上，TDR采集到的反射信號攜帶了大量的被測線路信息，使根據(jù)反射波形判斷被測線路上每個點的阻抗特征變?yōu)榭赡堋?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/09/07/qkimageshkwghkwg202106hkwg20210629-7-l.jpg"/>

入射電壓（uincident）及反射電壓（ureflected）均可由TDR示波器得到，因此可以計算得出被測通道上任何一點的阻抗，進(jìn)而判斷線纜傳輸通道的質(zhì)量。

直觀的結(jié)果如圖2、圖3所示。

我們認(rèn)為，利用上述原理，可以用TDR代替目前行業(yè)大量使用的電纜測試儀。因目前的傳統(tǒng)測試儀均采用四線電橋法對機(jī)載電網(wǎng)進(jìn)行測試，得到整個通道的平均電阻值。雖然結(jié)果精確，但卻無法判斷被測通道是否在中間某點存在失效風(fēng)險，因為線纜的部分阻抗不匹配可能被其余部分補(bǔ)償。

此外，采用TDR的電纜測試儀測試速度更快，設(shè)計固態(tài)繼電器矩陣開關(guān)后，可實現(xiàn)自動掃描通道切換，理論上可以代替現(xiàn)有測試儀器完成機(jī)載線束接口系統(tǒng)的地面測試。

在反射波形識別經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，通過觀察反射波形，可以大體判斷機(jī)載電氣通道在何處出現(xiàn)了何種故障，如圖4所示。

4 總結(jié)

通過分析機(jī)載被測通道的特點，本文提出了測試需求，在分析了TDR測試系統(tǒng)在短距高精度測量上的主要測量誤差因素后，給出了一套可實現(xiàn)的測試儀器的集成解決方案。

根據(jù)上述分析，本文認(rèn)為時域反射技術(shù)輕便快捷，故障定位精度高，僅需單端接入被測電路，特別適合安裝環(huán)境復(fù)雜、可見性及可達(dá)性都不好的機(jī)載電氣傳輸通道的故障定位。

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