基于时域反射的高可靠线束故障检测方法与流程

本发明涉及线束故障检测，具体为基于时域反射的高可靠线束故障检测方法。

背景技术：

1、在航空、汽车及工业装备中，线束作为信号与能量传输载体，其可靠性直接影响系统安全性。时域反射技术是线束故障检测的常用手段，通过向线束注入探测脉冲并分析反射波形来定位断点、短路或绝缘破损。现有技术中，探测信号多采用固定脉宽的单次脉冲或简单阶跃信号，仅采集单一时段的反射回波，通过回波幅值、极性及往返时间判断故障类型与位置。这种处理方式隐含的前提是线束阻抗变化仅由导体几何形变或开短路引起，而未充分考虑绝缘介质状态改变带来的影响。

2、实际运行中线束面临的故障模式呈现复合性特征。绝缘层受热、潮湿或辐射作用会发生介电常数变化和介质损耗角增大的化学老化，导体因微动磨损或应力疲劳产生微裂纹，二者在反射波形上引起的特征扰动常常相互叠加。现有的单一窗口采集方式只能捕捉到反射波的过冲或振铃的局部片段，无法从反射波形的整个动态响应过程中分离出反映不同物理机制的信号成分。当绝缘介质发生缓慢的电性能退化时，其导致的微弱波形变化极易被更强的导体断裂反射所淹没，使得故障检测仅能发现已扩展为开路的晚期故障，对早期介质劣化不敏感。

3、为了在复合故障干扰下从反射波形中剥离出绝缘介质变化和导体微结构畸变各自对应的信号特征，需要解决两个问题：一是如何在同一探测周期内获取能够分别凸显瞬态冲击特性和阻尼谐振特性的差异化的反射响应数据；二是在获得时域瞬态特征和衰减谐振特征后，如何通过这两类特征的非线性关联解算，构建出一条能同时表征介质损耗和结构畸变状态的轨迹，使得故障点能够在轨迹的突变位置被唯一标定出来。

技术实现思路

1、提供一种基于时域反射的高可靠线束故障检测方法，能够在复合故障干扰下，从线束对动态探测信号的反射响应中分离并关联瞬态冲击特征与谐振衰减特征，生成反映内部介质变化和结构畸变的形变特征图谱，并基于图谱中特征峰的迁移轨迹实现故障点的逆向精确定位。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供了一种基于时域反射的高可靠线束故障检测方法，包括：向目标线束发送动态探测信号，并采集所述目标线束在不同时间窗口下对所述动态探测信号产生的第一反射波形序列和第二反射波形序列；对所述第一反射波形序列进行瞬态冲击特征提取，得到第一瞬态特征集合，并对所述第二反射波形序列进行谐振衰减特征提取，得到第二谐振特征集合；将所述第一瞬态特征集合中的每个瞬态特征与所述第二谐振特征集合中的对应谐振特征进行波形特征联合解算，生成反映所述目标线束内部介质变化的形变特征图谱；根据所述形变特征图谱中的特征峰迁移轨迹，逆向定位所述目标线束中的故障点位置，并输出故障点定位结果。

3、本发明利用不同时间窗口捕获反射波形中的瞬态冲击与谐振衰减两类互补特征，使得线束内部任何微小介质变化均能被灵敏捕捉，从信号激励源头便提高了检测分辨力和可靠性。通过对瞬态冲击特征和谐振衰减特征的联合解算，将原本离散的波形参数融合为介质损耗因子和结构畸变因子，能够清晰分离出绝缘老化、局部挤压、导体氧化等不同故障类型的特征表现，生成的形变特征图谱以直观的方式揭示了线束内部介质状态的连续变化。基于特征峰迁移轨迹进行逆向定位，不受单一反射点模糊干扰，即使在复杂线路或微弱反射场景下也能准确锁定故障点位置，显著提升了故障定位的精度和鲁棒性。

4、作为本发明的一个技术方案，所述动态探测信号的脉宽范围根据所述目标线束的预估长度动态调整，且脉宽值与预估长度成正相关关系。这样使得探测信号的能量与线束长度匹配，既避免了长线束信号能量不足导致的远端反射模糊，又防止了短线束下的脉宽过宽引起的近端盲区，保证了不同规格线束检测的一致性和可靠性。

5、优选的，向目标线束发送动态探测信号并采集第一反射波形序列和第二反射波形序列时，根据预设的扫描频率范围，控制信号发生器向目标线束连续输出多个不同脉宽的基带探测脉冲，形成动态探测信号；在第一时间窗口内，使用高速采集卡捕获目标线束对每个基带探测脉冲的第一反射回波，将所有第一反射回波按照时间顺序排列为第一反射波形序列；在第一时间窗口结束后的第二时间窗口内，使用高速采集卡捕获目标线束对每个基带探测脉冲的第二反射回波，将所有第二反射回波按照时间顺序排列为第二反射波形序列；第一时间窗口和第二时间窗口具有相同的时间长度且彼此不重叠。通过将瞬态响应与衰减响应分窗采集，避免了两类特征在时间域上的相互干扰，有效分离出了纯净的冲击信息和谐振信息，为后续特征提取提供了高质量原始数据。

6、进一步地，对第一反射波形序列进行瞬态冲击特征提取的步骤具体为：对第一反射波形序列中的每个第一反射回波执行上升沿陡峭度检测，计算每个第一反射回波的前沿到达时刻与峰值时刻之间的时间差，将该时间差标记为每个第一反射回波的冲击响应斜率；提取每个第一反射回波中超过预设幅值门限的过冲幅值，将过冲幅值与冲击响应斜率关联存储，形成对应每个第一反射回波的瞬态冲击特征；将第一反射波形序列中所有第一反射回波的瞬态冲击特征按照时间顺序组合为第一瞬态特征集合。如此一来，从波形前沿提取出的冲击响应斜率和过冲幅值能够精准量化线束中不连续点对脉冲的瞬态反作用，对微弱放电或局部挤压等早期缺陷极为敏感，实现了故障预兆的早期捕获。

7、对第二反射波形序列进行谐振衰减特征提取的步骤具体为：从第二反射波形序列中读取每个第二反射回波的后沿拖尾区间，对后沿拖尾区间内的信号幅值进行指数衰减拟合，优选的，采用最小二乘法确定衰减时间常数，得到每个第二反射回波的衰减时间常数；检测每个第二反射回波在后沿拖尾区间内的振荡周期数，将振荡周期数与衰减时间常数进行比值运算，得到每个第二反射回波的谐振频率偏移量；将每个第二反射回波的衰减时间常数和谐振频率偏移量组合为对应每个第二反射回波的谐振衰减特征，并将第二反射波形序列中所有第二反射回波的谐振衰减特征按照时间顺序组合为第二谐振特征集合。这一处理挖掘出了波形后沿的阻尼谐振信息，衰减时间常数表征了介质能量耗散特性，谐振频率偏移量则反映了线束分布参数的偏离程度，二者联合刻画了介质劣化和结构变形引起的本征响应变化。

8、在波形特征联合解算阶段，从第一瞬态特征集合中提取与第i个基带探测脉冲对应的第i个瞬态特征，同时从第二谐振特征集合中提取与同一个第i个基带探测脉冲对应的第i个谐振特征；将第i个瞬态特征中的冲击响应斜率与第i个谐振特征中的衰减时间常数相乘，得到第i个介质损耗因子；将第i个瞬态特征中的过冲幅值与第i个谐振特征中的谐振频率偏移量相加，得到第i个结构畸变因子；以基带探测脉冲的发送顺序为横轴，将每个基带探测脉冲对应的介质损耗因子和结构畸变因子分别绘制为两条形变特征曲线，将两条形变特征曲线叠加后作为形变特征图谱。通过交叉解算，介质损耗因子高度浓缩了绝缘受潮、老化等引起的损耗增大效应，结构畸变因子则直接放大了挤压、弯曲等造成的空间形变特征，两条曲线在谱图上分离又互补，使得不同故障模式的判别更为清晰可靠。

9、根据形变特征图谱定位故障点时，扫描形变特征图谱中的介质损耗因子曲线，检测介质损耗因子曲线上出现局部极大值的连续区域，将连续区域标记为损耗异常区段；在损耗异常区段内，提取结构畸变因子曲线上斜率变化超过预设变化率的突变点，将突变点对应的横轴位置作为故障特征峰；根据故障特征峰所在的横轴位置确定产生该故障特征峰所对应的基带探测脉冲的发送序号，根据发送序号和基带探测脉冲的传播速度计算故障点与信号发送端之间的距离，以该距离作为故障点定位结果输出。优先从介质损耗维度粗定位异常区间，再通过结构畸变维度精确定位突变位置，双重印证机制消除了单一特征曲线中噪声起伏引起的虚警，使得故障点定位准确度显著优于传统时域反射方法。

10、优选的，在检测损耗异常区段时，对介质损耗因子曲线执行一阶差分运算，得到一阶差分序列，并识别一阶差分序列中数值由正变负的过零点位置；以每个过零点位置为中心，在介质损耗因子曲线向左右两侧扩展预设数量的采样点，形成每个过零点对应的候选区间；计算每个候选区间内介质损耗因子的平均值，将平均值超过全局平均值的候选区间判定为局部极大值的连续区域，并将该连续区域标记为损耗异常区段。这种自适应区间判定方式避免了固定门限对信号幅值变化的盲目依赖，增强了在不同线束类型和检测距离下的适应性。

11、在提取突变点时，在损耗异常区段对应的横轴范围内，对结构畸变因子曲线进行二阶差分运算，得到二阶差分序列；定位二阶差分序列中绝对值最大的极值点，将极值点对应的横坐标位置作为初始突变候选点；以初始突变候选点为中心，在结构畸变因子曲线上选取相邻的前三个采样点和后三个采样点，计算前三个采样点的第一平均斜率与后三个采样点的第二平均斜率，当第一平均斜率与第二平均斜率的差值超过预设变化率时，将初始突变候选点确认为突变点，并将突变点对应的横轴位置作为故障特征峰。利用二阶差分提取曲率极值并结合局部斜率跃变验证，能够精准捕捉到因故障引起的特征转折，有效滤除了渐进变化带来的干扰。

12、计算故障距离时，读取故障特征峰在形变特征图谱的横轴上对应的坐标值，将坐标值取整后作为基带探测脉冲的发送序号；从信号发生器的配置参数中获取基带探测脉冲的脉宽值和重复周期，根据发送序号与重复周期的乘积得到探测信号的传播总时长；将传播总时长与基带探测脉冲在目标线束中的预设传播速度相乘后再除以二，得到故障点与信号发送端之间的单程距离，以单程距离作为故障点定位结果输出。由此将图谱中的位置坐标直接转换为物理距离，实现了从特征分析到故障测距的端到端自动化处理。

13、作为一种改进方案，根据目标线束的环境温度实时修正基带探测脉冲的传播速度，以消除温度变化对电信号传播时延的影响，进一步提高定位精度，使之适用于温差变化剧烈的作业环境。

14、此外，在输出故障点定位结果之后，还包括对故障点定位结果进行置信度评估的步骤：获取损耗异常区段内所有采样点的介质损耗因子数值，计算介质损耗因子数值的第一标准差；获取突变点前后各三个采样点的结构畸变因子数值，计算结构畸变因子数值的第二标准差；将第一标准差与第二标准差的乘积取倒数后归一化到零到一的范围，得到故障点定位结果的置信度评分，并将置信度评分与故障点定位结果关联输出。通过量化特征区段和突变点的离散度来评估此次定位的可信程度，能够为后续检修决策提供直观的参考依据，避免因个别疑似缺陷造成的误判。

15、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

16、通过向目标线束发送动态探测信号，并在第一时间窗口和第二时间窗口内分别采集第一反射波形序列和第二反射波形序列，使同一次探测过程中获得的两组反射波形序列携带不同物理机制的信号成分。第一时间窗口位于探测脉冲边沿作用后的瞬态响应区，反射回波的前沿陡峭度和过冲幅值主要由线束导体的电导率突变和局部放电效应决定，该窗口内采集的波形序列能够最大限度地保留因微裂纹、局部断裂等结构不连续引起的冲击响应细节。第二时间窗口位于瞬态过程结束后的阻尼振荡衰减区，反射回波的后沿拖尾波形包含了绝缘介质的极化弛豫过程和分布参数谐振信息，该窗口内采集的波形序列能够充分反映介质损耗因子和谐振频率偏移。两窗口互不重叠且具有相同时间长度，保证了瞬态冲击与谐振衰减两类特征在时间维度上的完整解耦，不再依赖单一波形片段去推测多种故障机制，避免了绝缘老化信号被导体断裂反射完全覆盖的问题。对第一反射波形序列进行上升沿陡峭度检测和过冲幅值提取，直接获得每个探测脉冲对应的冲击响应斜率和过冲幅值，形成第一瞬态特征集合；对第二反射波形序列的后沿拖尾区间进行指数衰减拟合和振荡周期检测，得到衰减时间常数和谐振频率偏移量，形成第二谐振特征集合。通过这种窗口化特征分离，第一瞬态特征集合中的元素对导体几何形变保持高灵敏度，第二谐振特征集合中的元素对绝缘介质介电特性变化保持高灵敏度，实现了对两种物理退化机制的独立参数化描述。

17、将第一瞬态特征集合中的冲击响应斜率与第二谐振特征集合中的衰减时间常数相乘，生成介质损耗因子，该因子将导体局部辐射损耗和介质体极化损耗的耦合作用转化为单一量化指标，增大了因绝缘老化引起的数值变化幅度。将第一瞬态特征集合中的过冲幅值与第二谐振特征集合中的谐振频率偏移量相加，生成结构畸变因子，该因子综合了局部放电引起的电压过冲和等效谐振回路失谐量，增强了对微裂纹早期扩展的表征能力。以基带探测脉冲的发送顺序为横轴，将介质损耗因子曲线和结构畸变因子曲线叠加为形变特征图谱，使得介质退化与结构畸变在沿线束长度方向的变化轨迹同步呈现。介质损耗因子曲线上出现局部极大值的连续区域指示绝缘介质性能恶化的空间位置，在该区域内的结构畸变因子曲线斜率突变位置则精确对应了导体微裂纹或断裂引发的阻抗突变点。通过跟踪形变特征图谱上特征峰沿脉冲发送序号的迁移路径，能够在不依赖固定波速假设和脉冲往返时间粗估的条件下，利用扫描探测脉宽与图谱坐标的映射关系逆向求解故障点与信号发送端的距离，取得对复合故障点的单一坐标定位结果，同时分离出介质损耗与结构畸变两种故障模式的贡献度。