李昕 陶义建 张媛

摘要：飞机机载电气传输通道的故障定位一直是难题，简单的电网故障经常需要花费大量的时间及人力进行机上排查。因此，快速准确的机载电网故障定位技术在飞机研制生产及后期维护过程中具备极高的研究价值。本文首先分析了时域反射技术目前存在的主要问题，进而详细介绍了时域反射技术在机载电气通道故障定位中的解决方案，讨论了时域反射技术在机载电器通道中的应用方向。

关键词：时域反射；电气通道；故障定位

Keywords：time domain reflectometry；electrical channel；fault location

0 引言

飞机电网是机载设备功率传输和信号传输的介质，承担了机上所有电信号的传输及分配任务，其安全可靠性直接关系到飞机的安全性及可靠性。随着计算机技术及高集成化的电子元器件的飛速发展，为减轻飞行员非战斗工作负载，各机载系统的智能化程度不断提高，导致机载光电网络日益复杂，机载线缆总长度持续增加，电网单点失效的风险也随之加剧。在飞机生产及使用过程中，当出现电线中部断线、因绝缘层破损造成短路等故障时，由于失效电线往往不可见或不可达，导致此类故障的排除一定涉及大量的成品及附件、线束的拆装，工作量大，耗时长。因此，针对电气通道中传输故障点的定位及故障类型的判断，一直以来都是飞机电气系统工程技术人员的重要课题。

1 时域反射测量技术

时域反射测量（TDR）技术是在高速脉冲技术迅速发展的基础上出现的一种非常有效的测量技术，其工作原理如图1所示。

若将TDR视作一台小型的一维雷达，只需要一个高速脉冲信号发生器作为信号源，一台取样示波器作为接收装置和显示器就可以搭建完成。如图1所示，由脉冲信号发生器发出的快边沿信号注入传输线，若传输线阻抗连续，阶跃信号就会沿着传输线持续向前传播；若传输线出现阻抗变化，阶跃信号就有部分反射回来，其余部分仍继续传播。因阻抗变化反射回来的信号与后续新注入的阶跃信号叠加时，示波器就可以采集到这个信号。

其中，L为信号输入点到反射点的距离；V为信号在通道中的传播速度；Δt为入射波与反射波间的时间间隔。

TDR技术早期主要应用于通信领域，尤其是在电话线路故障定位方面。随后，基于行波法、小波变换、神经网络等技术的电缆线路故障定位方法被广泛研究，并应用于长距离的输电或信号线路及民用电网故障定位工作中，然而针对航空机载电网短距高精度的故障定位方面的应用尚不多见。近几年，基于高速脉冲信号源及高速采样示波器的发展，TDR技术在与航空领域应用场景类似的计算机及其他消费电子设备上的软排线通信品质测量及故障定位方面已有了相关的成功应用经验。

2 时域反射技术在机载电气通道故障定位中的解决方案

根据机载电气通道短距高精度的测试特点，本文提出了关键测试指标，并分析影响测试指标的关键因素，最终在分析之上给出一个可行的机载电气通道故障定位测试解决方案。

2.1 机载电气通道故障定位测试需求指标分析

首先是通道长度。普通民用电信传输网络或民用电网一般距离较长，动辄千米长，而机载电路的传输距离相对较短，通常为几十米的量级，在距离较短的情况下要获得更高的准确度，需要测试系统有更高的分辨率。

除了通道长度外，使用时域反射技术对电缆测试时，被测对象的工作频段也十分重要。对于低于10GHz的信号，使用时域反射法和频域反射法的测试性能大致相当；而当信号负载频率高于10GHz时，需要使用频域测试方法，一般选用矢量网络分析仪。

一般地，普通机载直流低频（400Hz）或高频线缆的工作频段均低于10GHz，可视作DC直流系统。

2.2 系统分辨率的影响因素

时域反射系统的分辨率是指在用TDR测试时能够分辨的最小距离，即TDR能够分辨的传输线最小长度，与TDR的上升时间关系较大。TDR产生一个快速脉冲边沿，入射到待测器件中，通过采样反射波来测量特征阻抗，而产生的快速脉冲边沿本身有一个上升时间，上升时间在待测器件上对应的电气长度对于TDR来说是一个模糊区域，该区域内，TDR仪器不能准确测出待测器件的特征阻抗。所以，TDR上升时间是TDR分辨率的主要影响因素之一。

由式（5）可见，测试系统转接工装用的电缆、连接器、接触件及探针等对TDR系统测试精度关系重大。

2.3 测试要求

综上所述，提出针对飞机电气传输通道故障定位TDR测试系统的测试要求。被测对象：飞机电气通道；被测对象长度：最短500mm；分辨率：50mm。

该要求长度指标考虑了一般飞机机载电缆的实际物理尺寸；分辨率指标除能较准确地在机上进行故障定位外，还能根据通道理论长度初步判定是否存在意外的通道中段开路故障。

2.4 系统配置解决方案

常用的Raychem公司SPEC55型导线的绝缘材料为聚四氟乙烯，其介电常数为2.55。因此，根据式（3）得到电脉冲在导体中的传输速度为1.8×1011mm/s。

因测试系统的水平分辨率要求50mm，根据式（4）得到系统上升时间Tsys为555ps。

3 时域反射技术在机载电气通道故障定位中的应用研究

根据上述讨论，当入射电脉冲在传播过程中遇到阻抗不匹配点时，将产生反射。事实上，TDR采集到的反射信号携带了大量的被测线路信息，使根據反射波形判断被测线路上每个点的阻抗特征变为可能。

入射电压（uincident）及反射电压（ureflected）均可由TDR示波器得到，因此可以计算得出被测通道上任何一点的阻抗，进而判断线缆传输通道的质量。

直观的结果如图2、图3所示。

我们认为，利用上述原理，可以用TDR代替目前行业大量使用的电缆测试仪。因目前的传统测试仪均采用四线电桥法对机载电网进行测试，得到整个通道的平均电阻值。虽然结果精确，但却无法判断被测通道是否在中间某点存在失效风险，因为线缆的部分阻抗不匹配可能被其余部分补偿。

此外，采用TDR的电缆测试仪测试速度更快，设计固态继电器矩阵开关后，可实现自动扫描通道切换，理论上可以代替现有测试仪器完成机载线束接口系统的地面测试。

在反射波形识别经验积累的基础上，通过观察反射波形，可以大体判断机载电气通道在何处出现了何种故障，如图4所示。

4 总结

通过分析机载被测通道的特点，本文提出了测试需求，在分析了TDR测试系统在短距高精度测量上的主要测量误差因素后，给出了一套可实现的测试仪器的集成解决方案。

根据上述分析，本文认为时域反射技术轻便快捷，故障定位精度高，仅需单端接入被测电路，特别适合安装环境复杂、可见性及可达性都不好的机载电气传输通道的故障定位。

参考文献

[1]尹琦. 飞机导线故障检测与定位系统设计[D].成都：电子科技大学，2019.

[2]黄明俊，安磊，程道良. 信号反射技术在飞机线路故障快速定位中的应用[J].飞机设计，2020，40（5）：53-56.

[3]宋建辉. 基于时域反射原理的电缆测长若干关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.