信号分析范文

信号分析范文（精选12篇）

信号分析 第1篇

1.1频率和调制格式

GPS卫星发射L1和L2两种波段的载波,L1(1 575.42 MHz)上调制有P码、C/A码及导航电文,L2(1 227.6 MHz)上仅调制了P码和导航电文。该文只研究L1频率上的C/A码。L1频率上的GPS信号为:

1.2 C/A码产生

C/A码是码速率为1.023 MHz的二相调制信号,主瓣两个零值之间的频谱宽度是2.046 MHz。每个码元的长度大约为977.5 ns。为了和P码信号对应,L1载频上的GPS卫星信号传输带宽大约为20 MHz,因此,所传输的C/A码就包括主瓣以及很多旁瓣。整个码周期包括1 023个码元,持续1 ms,因此C/A码的时长为1 ms。

C/A码的相关性是其最重要的特性,包括以下两个方面。

(1)不同C/A码的互相关值约等于零,所有的C/A码都几乎与其他的C/A码不相关,即:对于卫星i和j,其C/A码的互相关性为:

不同卫星产生的C/A码的互相关是非常低的,接近于0。高自相关峰和低互相关峰可以提高信号的捕获灵敏度,为了在强信号中检测出弱信号,强信号的互相关峰必须比弱信号的自相关峰值低。

(2)C/A码的自相关只有在相关间隔为0时存在峰值,即两个相同的C/A码序列只有完全对齐时才可以得到一个相关峰值,自相关峰值的最大值是1 023,等于C/A码的长度。C/A码的自相关函数为:

在接收机中正是利用C/A码的自相关的这种性质来移动本地C/A码的相位,使本地C/A码和接收信号的C/A码相位对齐, 获得更高的处理增益,将深埋在噪声中的信号检测出来。

1.3功率特性

GPS信号在接收时的强度由天线的发射功率,天线波瓣宽度, 卫星到接收机的距离和接收天线的有效面积决定。GPS卫星天线的发射功率为478.63 W,即26.8 d BW。如果接收天线具有单位增益,有效面积是:

接收功率可表示为:

考虑到有大气层造成信号的损失,一般在地球表面,接收功率大约为-160 d BW。

2 Galileo信号特性

Galileo系统的每颗卫星都发射6种信号,分别是E5a、E5b、 E6P、E6C、L1P、L1F。Galileo系统提供5种服务,分别是公开服务(OS,Open Service)、商用服务(CS,Commercial Service)、生命安全服务(SOL,Safety of Life Service)、公共特许服务(PRS, Public Regulated Service)以及搜索与救援服务(SAR,Search and Rescue Support Service),该文仅研究Galileo L1F信号。

Galileo L1F信号和GPS L1信号的中心频率重合,L1F信号是用于公开服务,免费对所有用户开放的。L1F信号包括数据通道(L1B)和引导通道(L1C),导航电文的码速率为125 b/s,采用了前向纠错编码,编码后的速率为250 b/s。两个通道的伪码码长均为4 029个码元,是GPS C/A码的4倍,码速率为1.023 Mb/s,因此码周期为4 ms。L1C信道上还有次级码,次级码与伪码进行模2加, 码长为25 bit,重复周期和伪码相同为4 ms。L1F信号可以表示为:

3 Galileo L1F信号与GPS L1 C/A码信号的比较

在跟踪灵敏度方面,发射Galileo L1F信号的卫星携带了更多载荷,卫星信号的发射功率将比L1 C/A码信号提高3d B-5d B, 从而提高了保持正确跟踪所需的信噪比;而且L1F信号可以利用没用调制导航电文的引导通道L1C与L1B联合跟踪的方法有效的提高跟踪灵敏度。

跟踪可靠性是指跟踪环路只利用码的自相关峰的主峰来跟踪信号的能力。C/A码自相关旁瓣至少比主瓣低21.6 d B,但在复杂环境下,这个差值仍然太小,多址干扰会造成非常大的影响。L1F信号的伪码长度是4 092个码片,是C/A码的4倍,这大大提高了自相关性能,但不利的是由于BOC调制产生相关副峰,比主峰低6 d B,在低信噪比的情况下,将可能造成错误的捕获和跟踪。

由于信号的功率谱远离载波中心频率时,易于减轻热噪声对码跟踪环路的影响,抗干扰能力强,故采用了BOC(1,1)调制的Galileo L1F信号的跟踪精度要比C/A码高。

GPS L1 C/A码信号与Galileo L1F信号的功率谱比较,L1F信号采用了BOC(1,1)调制,这种调制方法谱的主瓣分裂成两部分,对称地位于副载波频率,如上图所示,Galileo L1F信号的主瓣刚好位于GPS L1信号的两边,这样就实现了Galileo与GPS的频谱分离,从而减小了两个系统间的干扰。

参考文献

[1]Dennis M Akos,Ene A,Thor J.A Prototyping Platform for Multi-Frequency GNSS Receivers[C]//Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.2016.

[2](美)Nesreen I.Ziedan,著.弱信号全球导航卫星系统接收机[M].张欣,译.国防工业出版社,2008.

[3]刘舒莳,唐斌,唐卫涛,等.中频GPS信号模拟器的软件实现[C]//第十四届遥测遥控年会.2006.

[4]巴晓辉,李金海,陈杰.不需要辅助信息的室内GPS信号捕获算法[J].电子技术应用,2006(9):130-132.

[5]Ledvina B M,Psiaki M L,Powell S P,et al.A RealTime Software Receiver for the GPS and Galileo L1Signals[C]//ION GNSS.2006.

信号分析 第2篇

摘 要：铁路信号集中监测系统目前在铁路有着广泛的应用，它已经成为每个站必须配备的辅助信号设备，由于其技术的逐步成熟，行业标准的逐步完善，是一套电务职工日常维修设备的必要辅助系统。

关键词：信号集中监测；隐患排查；故障分析

中图分类号：TN911 文献标识码：A

铁路电务信号集中监测系统是电务部门运用越来越广泛的一个设备维护辅助系统。随着铁路维修制度的逐步改变，设备维修只能在天窗点内进行，由于维修天窗点时间的不足、日常又不能进行开盖检查设备，所以很难保证设备的良好运行。近年来随着系统中设备监测项目的逐步增加，通过运用系统实时监测的特点，可以发现大量的信号设备安全隐患，为信号设备实现状态维修提供了可靠的数据依据。信号工可以利用监测系统提前发现设备问题，做到有针对性地重点检修设备，最大化地利用有限的天窗时间。下面通过现场的实际运用分析来讲解一下系统的多方面运用方法。

一、利用监测系统发现道岔设备安全隐患

目前的信号集中监测系统对道岔设备主要采集的数据有动作电流数值、动作功率数值、定位表示交流电压数值、反位表示交流电压数值、定位表示直流电压数值和反位表示直流电压数值。通过各种数据的横向对比，可以发现道岔不同部位发生的不同问题。利用道岔动作电流曲线发现配线错误问题

2015年曹妃甸西站因站改需要对站内电缆进行割接，割接电缆后，施工人员对各类设备进行了单项连锁试验，连锁关系全部正确。但在电缆割接后，职工日常巡视微机监测发现11#、13#道岔动作电流曲线偶尔发生异常。通过对所有道岔曲线进行对比综合分析后，发现只有11#、13#道岔同时扳动时、两组道岔的电流曲线均异常。

车间人员查看电缆割接前道岔的电流曲线，11#、13#道岔同时扳动时，各相电流曲线均正常，动作电流在1A左右。查看电缆割接后道岔的电流曲线，发现4月27日18点04分35秒扳动13#道岔，A相电流超标、动作电流在4A左右、持续时间约26秒；B相电流升高、动作电流在1.5A左右；C相电流升高、动作电流在1.2A左右。4月27日18点04分43秒扳动11#道岔，A相电流降低、动作电流在0.5A左右；B相电流升高、动作电流在1.5A左右；C相电流超标、动作电流在3.7A左右、持续时间约26秒。由于两组道岔的控制电缆在同一根电缆中，初步分析怀疑电缆是否有接地短路点。由于道岔站场位置离机械室比较远，道岔的控制电缆采用的是双芯并用，车间利用天窗点对两组道岔的控制电缆进行了绝缘对地摇测，未发现有电缆绝缘不良问题。车间又分别对两组道岔电缆甩线进行通断核对试验，发现11#道岔的X5与13#道岔的X1有一芯电缆交叉上错。对错误配线进行倒接后，再同时操纵两组道岔，道岔的动作电流曲线恢复正常。利用道岔表示电压曲线发现设备性能不良问题

2016年2月18日涿鹿车间通过微机监测发现涿鹿站5#道岔定、反位直流表示电压由21V降为约16V。对道岔的表示电路进行分析认为定反位表示电路的公共部分存在问题，公共部分中怀疑点最大的就是表示二极管性能不良，天窗点中对5#道岔的表示二极管进行更换后表示电压全部恢复正常。对更换下的表示二极管进行测试发现表示二极管两个并联使用的陶瓷电阻有一个存在内部断线问题。

总之，我们日常通过分析道岔的各种监测曲线，可以发现不同类型的设备安全隐患。通过动作功率曲线可以发现道岔解锁困难、中途转换卡阻、尖轨入槽困难、道岔表示缺口不适等问题。当道岔扳动时，动作功率曲线升高后一直不回落，可以判断为道岔解锁困难，道岔无法进行转换，通过现场查找杆件是否有卡阻进行处理。当道岔扳动转换途中，动作功率曲线有突然的升高或者小毛刺等现象时，可以判断为转换途中有卡阻的地方，一般情况是滑床板缺油或者杆件在转换途中有异物磨卡。当道岔在即将转换到位时，动作功率曲线有突然的升高现象，可以判断为尖轨入槽不顺，一般情况是基本轨有肥边或者尖轨有吊板问题，此种情况需及时联系工务部门进行病害整治，才能彻底解决此类问题。利用道岔表示电压曲线可以发现表示二极管性能不良、道岔动静接点虚接、表示回路电缆虚接等问题。当道岔表示电压曲线下降了一定数值后保持平稳，可以判定为道岔表示二极管性能不良，及时进行更换即可解决此类问题。当道岔表示电压曲线存在细微波动时，可以判断为表示接点虚接或者回路中有电缆虚接部位，此类问题需要进行现场检查，逐步进行排除处理。

二、利用监测系统发现ZPW-2000A轨道电路设备安全隐患

目前的信号集中监测系统对ZPW-2000A轨道电路设备主要采集的数据有功出电压、功出电流、主轨入电压、主轨出电压、小轨入电压、小轨出电压、送端分线盘电压、受端分线盘电压。可以通过各项数值的综合分析判断为室内、室外设备问题。利用受端电压发现室外设备短路问题

2015年3月30日大同南区间0144G主轨出电压波动达60MV～70MV，通过查看送端分线盘电压、受端分线盘电压判断为室外问题，首先怀疑是轨道区段内的补偿电容有性能不良的，或者是送受端调谐线存在虚接问题。车间人员到达现场对调谐线及补偿电容进行了细致的检查，没有发现明显的问题。继而车间重新对线路进行了检查，发现线路外侧有工务部门新卸的一小段钢轨，钢轨正好放在了几根地锚拉杆上部，经过初步分析是新卸的备轨短路地锚拉杆，形成第三轨道通路，造成了轨道区段的电压波动，如图1所示。

分析原因：ZPW-2000A轨道区段中有均匀分布的补偿电容，对轨道上传输的轨道电压起到补偿作用，以便实现轨道信号的长距离传输。如图所示新卸的钢轨放在了线路的外侧，刚好放在了地锚拉杆绝缘与钢轨的中间，中间这一部分拉杆是没有绝缘性能的，当新轨分别与第一个和第三个地锚拉杆短路时，相当于形成了第三条轨道通路，中间会有3个补偿电容被短路掉，不再起到补偿作用。由于短路点没有形成死短路，所以在监测系统中主轨出电压表现为波动的形态。此种设备隐患很容易同调谐线虚接、补偿电容虚接问题混淆，需要现场进行实地检查判断。利用各项监测数据快速判断故障点

2016年4月6日，铁炉村中继站至下庄区间2960G红光带，由于大秦线上有很多长大区间，交通不便，所以当区间发生设备故障时，首先需要通过监测系统的各项参数值判断区分室内外问题。这样可以压缩很大一部分故障处理时间，减少故障给行车带来的损失。上述故障发生时，通过微机监测查看2960G分为3个轨道区段，2960AG功出电流正常、主轨出电压正常；2960BG、2960CG的功出电流为零、主轨出电压为零；可以判断问题在2960AG处。进一步查找分析，2960AG处在区间分界处，它的主轨接收设备在下庄站，它的小轨接收设备在铁炉村中继站，通过查看中继站2960AG的小轨出电压是正常的，可以判定为小轨站联条件没有送出的问题。车间人员分别赶到下庄和铁炉村中继站机械室查找，发现是站联电缆的问题，找到提前核对好的备用电缆进行倒接，倒接后故障恢复。

我们日常利用信号集中监测系统可以对电源屏、信号机、轨道电路、道岔等信号设备进行实时监控，动态的发现设备使用情况，对于一些无法人工发现的设备隐患，可以通过监测系统进行综合分析判断。同时可以为电务人员提供大数据支持，电务人员利用监测系统对信号设备电气特性进行日、月、年的动态分析，通过分析设备使用状态做到有针对性的周期维护，减少了一大部分设备故障。作为铁路信号系统的新设备新技术，熟练使用信号集中监测系统是每一名电务人员必备的业务知识，合格的信号工必须能够利用监测系统发现设备安全隐患和快速判断设备故障部位。

参考文献

方波和脉冲信号之分析 第3篇

关键词：方波信号；脉冲信号；傅立叶级数

中图分类号：TN781 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2015）06-187-001

1.讨论的必要性

近年来，学生在做计数器这个实验时，经常将方波信号当作脉冲信号使用，导致实验结果产生奇怪的错误。从方波信号和脉冲信号的波形上看，两者确实很相似，为什么方波信号不能作为脉冲信号使用，要了解和认识这个问题，不妨从付里叶级数和数字电路这两方面进行讨论分析，找出它们的联系和区别。

2.从付里叶级数的角度进行分析

从方波信号和脉冲信号的波形上看，脉冲信号是关于Y轴对称的偶函数；而方波信号可以看成是脉冲信号沿Y轴下移1/2单位所得到的，它既是偶函数、又是奇谐函数。通过对它们进行付里叶级数展开，发现它们的频率谱线极为相似，谐波的幅度都是以1/n规律收敛的；两者的区别只在于当脉冲的（w=2π/T时，谱线为0；而方波的w=2nw1，谱线为0。

3.从数字电路角度去分析

数字电路主要是由组合逻辑电路和时序逻辑电路器件组成的。脉冲的概念是在讲述时序逻辑电路的基本单元一触发器时引进的，触发器是在脉冲触发作用下翻转工作的，所以，时序电路必须有一个脉冲信号输入端。脉冲是通过与一些逻辑门的连接、起到控制时序电路工作的作用。

如果了解逻辑门的物理结构，就可以知道脉冲信号的实质。在数字电路中，我们讲的TTL电路是指制做在一个硅片上的、它的输入和输出都是三极管的电路，此时的三极管不是起放大作用的，而是起到一个导通或截止的开关作用。它的输入量和输出量只有低电位（ov-0.7V，用0表示）和高电位（3.6V-5V，用1表示）两种状态，数字电路由此得名。脉冲是加到门电路输入端的输入信号，但它不是时序电路的逻辑运算量，而是起到控制时序电路工作的作用，脉冲信号本质还是一个0或1的数字量。

这样可以知道，由于数字电路的输入端要求的输入信号电压量范围是OV-5V，而方波信号有一部分的电压为负值，如果将方波信号作为脉冲输入信号，它的电压超出了门电路规定的范围，门电路不能按正常的逻辑关系工作，导致时序电路产生一些不符合逻辑规律的结果。

4.体会

信号分析 第4篇

一、利用监测系统发现道岔设备安全隐患

目前的信号集中监测系统对道岔设备主要采集的数据有动作电流数值、动作功率数值、定位表示交流电压数值、反位表示交流电压数值、定位表示直流电压数值和反位表示直流电压数值。通过各种数据的横向对比, 可以发现道岔不同部位发生的不同问题。

1利用道岔动作电流曲线发现配线错误问题

2015年曹妃甸西站因站改需要对站内电缆进行割接, 割接电缆后, 施工人员对各类设备进行了单项连锁试验, 连锁关系全部正确。但在电缆割接后, 职工日常巡视微机监测发现11#、13#道岔动作电流曲线偶尔发生异常。通过对所有道岔曲线进行对比综合分析后, 发现只有11#、13#道岔同时扳动时、两组道岔的电流曲线均异常。

车间人员查看电缆割接前道岔的电流曲线, 11#、13#道岔同时扳动时, 各相电流曲线均正常, 动作电流在1A左右。查看电缆割接后道岔的电流曲线, 发现4月27日18点04分35秒扳动13#道岔, A相电流超标、动作电流在4A左右、持续时间约26秒;B相电流升高、动作电流在1.5A左右;C相电流升高、动作电流在1.2A左右。4月27日18点04分43秒扳动11#道岔, A相电流降低、动作电流在0.5A左右;B相电流升高、动作电流在1.5A左右;C相电流超标、动作电流在3.7A左右、持续时间约26秒。由于两组道岔的控制电缆在同一根电缆中, 初步分析怀疑电缆是否有接地短路点。由于道岔站场位置离机械室比较远, 道岔的控制电缆采用的是双芯并用, 车间利用天窗点对两组道岔的控制电缆进行了绝缘对地摇测, 未发现有电缆绝缘不良问题。车间又分别对两组道岔电缆甩线进行通断核对试验, 发现11#道岔的X5与13#道岔的X1有一芯电缆交叉上错。对错误配线进行倒接后, 再同时操纵两组道岔, 道岔的动作电流曲线恢复正常。

2利用道岔表示电压曲线发现设备性能不良问题

2016年2月18日涿鹿车间通过微机监测发现涿鹿站5#道岔定、反位直流表示电压由21V降为约16V。对道岔的表示电路进行分析认为定反位表示电路的公共部分存在问题, 公共部分中怀疑点最大的就是表示二极管性能不良, 天窗点中对5#道岔的表示二极管进行更换后表示电压全部恢复正常。对更换下的表示二极管进行测试发现表示二极管两个并联使用的陶瓷电阻有一个存在内部断线问题。

总之, 我们日常通过分析道岔的各种监测曲线, 可以发现不同类型的设备安全隐患。通过动作功率曲线可以发现道岔解锁困难、中途转换卡阻、尖轨入槽困难、道岔表示缺口不适等问题。当道岔扳动时, 动作功率曲线升高后一直不回落, 可以判断为道岔解锁困难, 道岔无法进行转换, 通过现场查找杆件是否有卡阻进行处理。当道岔扳动转换途中, 动作功率曲线有突然的升高或者小毛刺等现象时, 可以判断为转换途中有卡阻的地方, 一般情况是滑床板缺油或者杆件在转换途中有异物磨卡。当道岔在即将转换到位时, 动作功率曲线有突然的升高现象, 可以判断为尖轨入槽不顺, 一般情况是基本轨有肥边或者尖轨有吊板问题, 此种情况需及时联系工务部门进行病害整治, 才能彻底解决此类问题。利用道岔表示电压曲线可以发现表示二极管性能不良、道岔动静接点虚接、表示回路电缆虚接等问题。当道岔表示电压曲线下降了一定数值后保持平稳, 可以判定为道岔表示二极管性能不良, 及时进行更换即可解决此类问题。当道岔表示电压曲线存在细微波动时, 可以判断为表示接点虚接或者回路中有电缆虚接部位, 此类问题需要进行现场检查, 逐步进行排除处理。

二、利用监测系统发现Z P W-2000A轨道电路设备安全隐患

目前的信号集中监测系统对ZPW-2000A轨道电路设备主要采集的数据有功出电压、功出电流、主轨入电压、主轨出电压、小轨入电压、小轨出电压、送端分线盘电压、受端分线盘电压。可以通过各项数值的综合分析判断为室内、室外设备问题。

1利用受端电压发现室外设备短路问题

2015年3月30日大同南区间0144G主轨出电压波动达60MV~70MV, 通过查看送端分线盘电压、受端分线盘电压判断为室外问题, 首先怀疑是轨道区段内的补偿电容有性能不良的, 或者是送受端调谐线存在虚接问题。车间人员到达现场对调谐线及补偿电容进行了细致的检查, 没有发现明显的问题。继而车间重新对线路进行了检查, 发现线路外侧有工务部门新卸的一小段钢轨, 钢轨正好放在了几根地锚拉杆上部, 经过初步分析是新卸的备轨短路地锚拉杆, 形成第三轨道通路, 造成了轨道区段的电压波动, 如图1所示。

分析原因:ZPW-2000A轨道区段中有均匀分布的补偿电容, 对轨道上传输的轨道电压起到补偿作用, 以便实现轨道信号的长距离传输。如图所示新卸的钢轨放在了线路的外侧, 刚好放在了地锚拉杆绝缘与钢轨的中间, 中间这一部分拉杆是没有绝缘性能的, 当新轨分别与第一个和第三个地锚拉杆短路时, 相当于形成了第三条轨道通路, 中间会有3个补偿电容被短路掉, 不再起到补偿作用。由于短路点没有形成死短路, 所以在监测系统中主轨出电压表现为波动的形态。此种设备隐患很容易同调谐线虚接、补偿电容虚接问题混淆, 需要现场进行实地检查判断。

2利用各项监测数据快速判断故障点

2016年4月6日, 铁炉村中继站至下庄区间2960G红光带, 由于大秦线上有很多长大区间, 交通不便, 所以当区间发生设备故障时, 首先需要通过监测系统的各项参数值判断区分室内外问题。这样可以压缩很大一部分故障处理时间, 减少故障给行车带来的损失。上述故障发生时, 通过微机监测查看2960G分为3个轨道区段, 2960AG功出电流正常、主轨出电压正常;2960BG、2960CG的功出电流为零、主轨出电压为零;可以判断问题在2960AG处。进一步查找分析, 2960AG处在区间分界处, 它的主轨接收设备在下庄站, 它的小轨接收设备在铁炉村中继站, 通过查看中继站2960AG的小轨出电压是正常的, 可以判定为小轨站联条件没有送出的问题。车间人员分别赶到下庄和铁炉村中继站机械室查找, 发现是站联电缆的问题, 找到提前核对好的备用电缆进行倒接, 倒接后故障恢复。

我们日常利用信号集中监测系统可以对电源屏、信号机、轨道电路、道岔等信号设备进行实时监控, 动态的发现设备使用情况, 对于一些无法人工发现的设备隐患, 可以通过监测系统进行综合分析判断。同时可以为电务人员提供大数据支持, 电务人员利用监测系统对信号设备电气特性进行日、月、年的动态分析, 通过分析设备使用状态做到有针对性的周期维护, 减少了一大部分设备故障。作为铁路信号系统的新设备新技术, 熟练使用信号集中监测系统是每一名电务人员必备的业务知识, 合格的信号工必须能够利用监测系统发现设备安全隐患和快速判断设备故障部位。

参考文献

[1]李萍.铁路信号集中监测系统[M].北京:中国铁道出版社, 2012.

[2]张胜平.铁路信号集中监测系统原理及应用[M].北京:西南交通大学出版社, 2013.

手机无信号故障分析 第5篇

手机无信号故障分析

手机没信号1：手机没信号,打不了电话.先用手动搜网,看是否能收到网络(中国移动或中国联通),若收到就检查发射部分电路,若收不到就检查接收电路.手机没信号2：手机没信号:看开机电流,若电流跳动得很慢(约两秒以上),一般是射频电路问题,重点检查VCO,AFC,RI/Q等.手机没信号3：手机没信号:看开机电流,若电流不怎么跳动,重点检查接收部位的IQ信号是否正常.手机没信号4：手机没信号:看开机电流,若电流不跳动,重点检查CPU和软件.信号时有时无1：信号时有时无:看有信号时能否打电话,若能打一般是接收或发射性能不好,重点检查天线触点和天线开关。

信号时有时无2：信号时有时无:看有信号时能否打电话,若一打电话信号就掉下来,一般是发射部分有问题.重点检查功放、天线开关、VCO等.信号时有时无3：信号时有时无:看有信号时能否打电话,若不能打并且信号不会掉,在国产机或水货(韩国)机,很多是软件问题,但也有功放坏的,可以把功放拆下飞线试试.信号时有时无4：信号时有时无:水货(韩国)机和国产机就要看显示屏的反应,多数《呼叫失败》是发射部分或软件有问题,有可能就先重写码片部份资料再作下一步判断.

当前铁路信号设备可靠性分析 第6篇

摘要：进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的快速发展和社会的日趋稳定，我国城市化进程处于不断加快的上升过程中中，各地之间的交流日益频繁，铁路作为连接各地之间的重要交通桥梁，铁路工程的发展水平也有了显著的提高，为国民经济的快速发展做出了巨大贡献。在整个铁路工程运行过程中铁路信号设备作为其中的重要组成部分，发挥着极其重要的作用，但是依旧存在许多的缺陷和不足，尤其是针对当前我国铁路信号设备在可靠性方面的研究。因此，本文主要对当前铁路信号设备的可靠性进行分析，为能够获得更加真实、全面的数据，对铁路信号设备的故障因素根据具体情况提出了有效的处理措施。

关键词：铁路信号；设备；可靠性；研究

铁路列车的行车安全离不开铁路信号设备，它是保证铁路列车安全运行的重要基础设施，其可靠性直接对火车的运行安全和运输效率产生重要影响。在我国，对铁路信号设备可靠性的研究相对其他重要领域起步较晚，所以发展速度比较缓慢。因此，为了能够为我国铁路信号设备可靠性进一步发展的道路扫清障碍，实现可靠性指标能够系统化、全面化的重要目标，国家必须越来越重视铁路信号设备的可靠性，不断加深对铁路信号设备可靠性的研究，伴随着我国社会科技的不断进步，提升铁路信号设备各个环节的可靠性，努力改变当前铁路信号设备可靠性的现状。

一、当前铁路信号设备可靠性的研究现状

第一，关于铁路信号设备可靠性方面制定的标准规范相对较少，在提法上也相对简单。在我国，国防和航天两大领域是最早开始进行可行性研究的，其可靠性标准的制定也是在参考美国的相关标准基础上实行的，进过几十年的发展，不断对其中可靠性工程的每个阶段的开展和实施进行比较细致的、科学的规定。对铁路信号设备可靠性的研究开始于二十世纪九十年代，而且是由铁路部门自己在毫无参考依据的基础上制定的相关行业标准，所以其中对铁路信号设备的可靠性标准少之又少，相对比其他国家的可靠性标准，显得十分的粗略，导致这个标准规范很难在实际应用过程中发挥应有的指导和引领作用。当前为进一步对铁路信号设备可靠性的深入分析，将其可靠性工程主要分为四个重要阶段，分别是论证阶段、方案制定阶段、可靠性研制与定型以及产品的生产、使用和维护阶段，而且需要对每个阶段的工作项目的实施步骤进行详细标准规定。

第二，可靠模型的不合理，未根据具体情况进行正确的选择。过去的十几年来，我国对铁路信号设备可靠性的研究主要是依据大数据的指数分布来处理的，忽略了对具体实际情况的研究分析。在这个过程中大部分都是依靠电子类产品的数据进行操作，采取最简单的分布方法，在受到环境应力影响的情况下，能够保证其数据的偶然失效，不至于出现明显的损耗失效期。但是这类机械型产品具有显著的累积效应，容易随着使用年限的增加，出現疲劳损耗性失效，所以将指数分布作为铁路信号设备的可靠性模型是不太可取的。必须在可靠性的实际运行工作中，抓住机械产品的故障出现大致趋势，最大限度的对指数分布进行简化处理，然后分析其发展趋势，重视各个故障模式的性质，根据具体情况对可靠性模型进行正确的选择。

第三，不具备全面的、系统的可靠性指标体系。产品的可靠性指标是其设计指标的重要组成部分之一，是对产品的考核验收的重要依据，应当和其他的功能性指标一起列入产品合同和研制任务书当中。铁路信号设备系统的可靠性对铁路系统的安全运行发挥着指导和引领的重要作用，对我国国民经济生活中的各个层面都有直接的关系，所以必须严格的要求铁路信号设备的可靠性。但是我国的铁路信号设备可靠性指标不够全面，受到很多因素的影响，比如铁路信号设备的研制、生产、使用、验收过程中管理的规范性。由此可见，铁路信号设备的可靠性关乎整个产品从研发到生产再到使用和维护的整个过程，所以必须深入对铁路信号设备可靠性的研究分析，改变现状。

二、改变当前铁路信号设备可靠性分析的处理措施

第一，针对当前我国关于铁路信号设备可靠性所制定的标准规范较少，且提法相对简单的问题，铁路部门可以参照其他行业的可行性标准来制定适合铁路信号设备可靠性发展的标准。铁路信号设备的可靠性标准是指导和规范其可靠性工程开展的有力武器，当前我国除了在国防和航空两个重要领域已经建立了比较完善的可靠性标准体系外，随着时代的不断发展，在电力、家电等民用行业领域也有了适合自己发展的可靠性标准体系。作为关系到我国国民经济发展命脉的铁路部门，面对威胁自身发展进步问题上的不足，必须采取措施制定规范的、科学的铁路信号设备可靠性标准。

第二，建立全面的、系统的可靠性指标体系。如何促进我国当前铁路信号设备可靠性的进一步深入研究和发展，最重要的就是在结合铁路行业自身特点的基础上，借鉴其他可靠性发展较好领域的相关规定，提出一个建立可靠性指标体系的方法。在这个过程中，其具体步骤可分为以下四个阶段，首先，对铁路信号设备进行需求分析，主要是考察铁路信号设备的各项功能、使用环境、保障条件在可靠性维修性方面的需求；其次是建立铁路信号设备故障判别准则，因为铁路信号设备在使用过程中由于产品质量的不合格以及维修过程中的处理不当容易导致的安全事故频繁发生，对铁路运行系统产生不容忽视的影响；再其次是进行可靠性、维修性参数的选择，需要注意的是在铁路系统中，对铁路信号设备的选用参数一定要简化，根据有关标准进行重点考虑相关参数操作；然后是在进行最终的合同指标确认之前，对铁路信号设备的可靠性及维修性的靠靠指标进行确认。

第三，在其他方面的努力。国家政府可以将铁路信号设备的可靠性作为一门系统工程来开展相关活动，将可靠性一直贯穿于铁路信号设备的整个生命周期中，这意味着铁路部门必须转变对铁路信号设备可靠性的发展观念，改变原来仅仅是依据批量生产的产品时候对铁路信号设备的可靠性进行评估的做法，而是采取措施从根本上提高铁路信号设备的可靠性。在根据具体情况选择正确的可靠性模型的基础上，注重对可靠性相关数据的收集工作，将铁路信号设备生命周期中的各项数据按照它的实际物理背景进行收集，整理存入数据库中，并对其进行研究分析，结合不断发展的科学技术，尝试着研究适合铁路信号设备的可靠性分析软件，对相关数据进行优化检验，并利用功能强大的分析软件实现对铁路信号设备的可靠性进行预测分析。还可以建立第三方可靠性评估机构，提高可靠性验收结果的公平公正程度。

结语：基于铁路信号设备在铁路运行过程中的重要作用，必须加强对其可靠性的研究分析，为当前处于初级阶段的铁路信号设备可行性分析评估提供一个新的思路及发展方向，即铁路信号设备可靠性完整体系的建立，并朝着这个目标更加深入的开展可行性相关项目，真正发挥其指导好引领的作用。

参考文献：

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[2] 崔瑞通.铁路信号设备机械结构（设计）的现状及发展的研究[J].铁路通信信号工程技术.2004（03）

[3] 王灵芝，徐宇工，张家栋.铁路设备关键零部件的可靠性分析模型及其应用研究[J].铁道学报.2008（04）

[4] 李永华，卢碧红，兆文忠.铁路重载货车RCM管理体系理论框架研究[J].大连交通大学学报.2009（02）

常见短波数字信号分析 第7篇

1 短波信号概述

短波概指频率在3MHz~30MHz范围内的电磁波,短波通信主要是通过天波传输和地波传输,受到电离层的影响,信号在通过信道容易产生多径时延以及扩散等现象,因此接收信号不仅受到信道的影响,还会受到背景噪音的影响。

电离层是短波信号的开放的信道,具有背景噪声起伏、频谱动态变化、难以发现有用信号和信号类型丰富的特点,在短波信号中不仅存在着数字信号以及模拟信号等,还存在扩频、复合调制等信号。短波信道是一种色散信道,具有频域性和时域性常会因为环境因素导致短波通讯受到影响,短波信号在传播的过程中因为途经的影响,在各路径中的传输不相同,信号随机变化。短波频段内存在大量的短波信号,资源紧张,造成信道之间干扰严重,短波信号传输主要采取的是数字调制技术,可以分为幅度键控、相位键控等,调制信号模型采用附属表示为,式中A代表信号幅度,P(t) 代表矩形脉冲。

短波信号是通信系统的重要组成部分,在传输中可能会发生衰落以及扩散等现象,接收信号依照表示,式中t代表时间变量,对于短波信号的研究主要集中在涮罗、干扰以及噪音方面。

2 短波信号宽带预处理技术

在实际的短波通信环境中,宽带演算算法需要棉纶更加复杂的环境,一般情况下,接收信号的噪声为色噪声背景并不平坦,若是采用水平门限进行检测很有可能导致处在强干扰噪音的信号虚检,或者是导致一些弱信号的漏检,因此针对存在起伏不定的噪声环境,采取直接水平门限的设置方面并不合适。采用宽带检测短波信号通常采取自适应门限,同时还要求算法具有融合处理的能力。

在短波信 号的检验 中把信号 的频谱图看 作为一维 灰度图像,灰度对应信 号幅值,维度对应 频率域。一维灰度图像f(x),设定几何AB均是定义在Z上的凸集 合,同时集合A属于集合B,一维灰度柔性形态学膨胀定义为,在运算中能够实现对函数的膨胀和腐蚀,即使面对复杂的通信环境也能通过控制参数k的变化得出最佳的运算结果。

在宽带信 号进行噪 声基底白 化中采用顶 帽变换出 去噪声,定义为,式中Ob(x) 代表在标准形态学下的噪声基底,将柔性形态学应用到经典的顶帽变换中,然后估算出噪声基底,实现白化处理噪声基底,算法流程为中频信号→功率谱估计→顶帽变换→水平门限设置→检测结果。

未验证短 波信号宽 带检测算 法,截取短波宽频段信号处理,中心频段为5.92MHz,带宽8M,截取噪声 变化大的一段数据处理,算法处理结果见图1所示,图中灰度 结构元素 为1×6的集合{1,1,2,2,1,1},内核灰度为 {2,2}。根据实际宽带接收信号的采样点数以及所占用的采样点数的管理来选取柔性形态学中结构元素,一般结构元素的长度是实际窄带信号长度的1/5,在本研究中为了保留信号强度,选取2:1的强度比值。依照水平门限直接检验和本研究的方法检测4个已知信号,实际测量参数信号1中心频率为3.313MHz,调制类型未知,信噪比粗估计为8d B,信号2中心频率为5.984MHz,调制类型AM信号,信噪比粗估计为5d B,信号3中心频率为9.620MHz,调制类型AM信号,信噪比粗估计为5d B,信号4中心频率为10.238MHz,调制类型AM信号,信噪比粗估计为7d B。水平门限检验概率结果为 :信号1为82,信号2为90,信号3为62,信号4为71. 本研究算法极爱经验概率结果为 :信号1为96,信号2为98,信号3为92,信号4为94.

3 数字信号调制方式的识别

依照信号循环密度中峰值的分布、数目等可以识别出信号,进而精确的估算MPSK信号以及MASK信号的载 波频率。计算信号的归一化循环谱密度为,依此来提取谱峰的峰值以及位置,若是信号为MFSK信号,谱峰数目就会大于1,若是存在两个谱峰,信号就可以判定为FSK2信号,若是存在3个以上的谱峰就是FSK4信号。设定单峰样式的样本序号为P,载波频率fc=P/NTs,架设瞬时幅度为a(n),标准偏差,比较门限t1与σa,若是t1<σa,表示信号为MASK信号,若是t1>σa,表示信号为MPSK信号。

对于MPSK信号而言,一般情况下 可以根据 循环密度 的峰值识 别,调试符号 对应着星 座相位,星座图上的MPSK调制信号 采用表示,当M的值为2时,对上式进行变化存在一根明显的谱线,当M为4时,同理进行八次方验算。对于QPSK若是仅仅进行平方验算处理,就会导致nЛ可变相位,导致频谱普贤出现多条。

假设有组采样率为9600Sa/s的数据文件,数字信号映射方式为二进制,数字信号是8PSK、BPSK或者QPSK的一种,依照本研究的识别方法进行藐视。先对信号做平方验算,再进行FET变换,频谱图中在3600Hz左右若是存在明显单根谱线,就表示调制方式为BPSK,若是不存在就表示非BPSK调制。在不存在的情况下在做四次方运算,在频谱图在7200Hz出是否存在单根谱线,表示调整方式为QPSK,不存在就为8PSK。需要指出的是8PSK也能通过这种方式识别出来,采样率只有9600Hz,载频往往会达到14400Hz。

本设计短波宽带系统包括硬件部分和软件部分,硬件部分为数字接收机,软件部分采用的是Labview软件开发工具,模块提供的硬件指令供软件模块调用,包括中心频率、采样率等的设置,系统的主体部分值人机交换软件平台,实施检测模块能够上实现实时接收8MHz的宽带数据,在操作界面提供多种检验模式,处理宽带数据还包括了跳频信号的分选和还原,针对促发信号的窄带检验设置独立的检验和参数提取平台。系统设计了窄带信号多路采集模块更好的满足实际工作的需求,基于SOL Server数据库将信号信息录入到管理库中,实现独立分析的功能。

表1是实际参数与检测结果的对比,适当选取宽带频谱的分辨率保证信号频谱的实时显示,受到信号环境的影响,测量值与实际参数之间存在一定误差,但是满足信号检测的要求。利用短波宽带多通道数据接收机的采集功能采集某频段的多个频点,并进行实际测试,序号1信号,起始点最大偏差 -6,漏警0,虚警0,终止点,最大偏差 -4漏警0,虚警0 ;序号2信号,起始点最大偏差 -5,漏警0,虚警0,终止点,最大偏差 -4,漏警0,虚警0 ;序号3信号,起始点最大偏差 -9,漏警0.004,虚警0.003,终止点,最大偏差5,漏警0.003,虚警0.005 ;序号4信号,起始点最大偏差 -10,漏警0.013,虚警0.011,终止点,最大偏差7,漏警0.010,虚警0.009. 在低信噪比的情况下,检测会出现漏警现象,主要是因为噪声起伏大,但是测试结果仍然能够满足实际检测的需求。

4 结束语

铁路信号综合防雷分析 第8篇

铁路信号设备易遭雷电袭击, 造成设备的损坏或误动, 影响铁路运输生产。因此, 信号设备必须对雷电予以防护。

信号设备往往与电缆线路或钢轨连接在一起, 雷电通过电缆线路、钢轨袭击信号设备, 因此必须对雷电进行防护, 防止和减少雷害, 进一步提高设备的可靠性。目前信号设备越来越普遍地采用电子器件, 它们承受雷害的能力更小, 必须有完善的防雷措施。

1 铁路信号设备雷电防护分析

铁路信号设备遭受雷击过电压和过电流的类型主要可分为3种, 即:直击雷、感应雷和传导雷。结合信号设备的分布特点及雷电攻击的途径分析, 铁路信号设备雷电防护存在以下特点。

1) 信号设备占地面积较大, 且很多设备分布在山区、旷野等易遭受雷电攻击的地区。

2) 铁路的钢轨是雷电流的良好导体, 与钢轨连接的相关铁路信号设备, 如信号机、轨道电路、电动转辙机等较容易受到雷电流的威胁。

3) 雷电防护的原则是“等电位”, 由于机房存在多类接地系统, 其冲击接地电阻不均衡, 在雷击发生时, 雷电流引起地电位差, 也容易造成“地电位反击”, 使人员或设备遭受损害。

从以上分析中可以看出:为了提高铁路信号设备安全性及机房设备、计算机的运行可靠度, 整个车站信号设备的雷电防护一定要有良好的避雷设施、下引线和统一的接地网, 采取完善的直击雷、感应雷防护措施。同时必须在供电系统、信号采集传输系统、计算机网络系统、机房接地系统等进行可靠有效的防护, 在拦截、分流、均衡、接地、布线、布局等方面做完整的、多层次的综合防护。

2 铁路信号综合防雷的原则

铁路信号防雷综合整治总的原则是:经等电位连接, 使过电压 (或电流) 以最直接的路径尽快泄漏到大地, 达到保护设备的目的。电磁兼容防护总的原则是:利用室内的金属物有机地构成一个“法拉第笼”, 进行接地连接。站场综合防雷设计本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则, 达到防御或减轻雷电灾害、提高防雷安全度的目的。

3 铁路信号综合防雷方案

3.1 既有机房建筑物直击雷防护和屏蔽

信号机械室的建筑物采用法拉第笼进行电磁屏蔽, 法拉第笼由屋顶避雷网、避雷带、引下线和接地系统构成。计算机联锁机房采用室内法拉第笼屏蔽。

3.2 室外信号设备直击雷防护和屏蔽

包含信号设备的箱、盒、柜等壳体应具有良好的电气贯通和电磁屏蔽性能, 壳体内设专用接地端子 (板) 。室外信号设备的金属箱、盒壳体必须接地, 屏蔽电缆的金属屏蔽层应接地。

3.3 接地系统

1) 一般要求。

信号设备应设安全地线、屏蔽地线和防雷地线, 上述地线均由共用接地系统的地网引出;室内信号设备的接地装置应构成网状 (地网) ;接地导线上严禁设置开关、熔断器或断路器。

2) 地网。

地网由各接地体、建筑物四周的环形接地装置相互连接构成。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成, 应环绕建筑物外墙闭合成环, 受条件限制时可敷设成“U形”或“L形”, 机械室不是独立建筑、两侧有其他建筑时, 在信号楼前后设“一字形”接地装置, 但应尽可能沿建筑物周围设置, 以便与地网连接的各种引线就近连接。

3) 贯通地线。

贯通地线在信号机房建筑物一侧每隔2～3 m用50 mm2裸铜线与环形接地装置连接, 两端各连接2次, 设置贯通地线的区段, 站内的各种室外信号设备的各种地线均应就近与贯通地线连接。

3.4 接地汇集线及等电位连接

1) 控制台室、继电器室、防雷分线室 (或分线盘) 、机房和电源室 (电源引入处) 应设置接地汇集线。接地汇集线宜采用大于30 mm×3 mm紫铜排, 可相互连接成条形、环形或网格形, 环形设置时不得构成闭合回路。

2) 电源室 (电源引入处) 防雷箱处、防雷分线室 (或分线盘) 处的接地汇集线应单独设置, 并分别与环形接地装置单点冗余连接。

3) 室内走线架、组合架、电源屏、控制台、机架、机柜等所有室内设备必须与墙体绝缘, 其安全地线、防雷地线、工作地线等必须以最短距离分别就近与接地汇集线连接。

4) 走线架不得布置成环型, 已构成闭合回路的可加装绝缘。在不构成闭合回路的前提下, 必须保持走线架在电气上的连续性, 接地汇集线栓接, 连接螺栓采用Φ8 mm铜质, 并不得少于3枚, 组合架侧螺栓不少于2枚。

5) 机房面积较大时, 可以设置与地网单点冗余连接的总接地汇集线。控制台室、继电器室、计算机房的接地汇集线可分别与总接地汇接线单点连接, 也可相互连接后与总接地汇接线单点连接。

3.5 设置信号设备专用防雷保安器

1) 信号电源系统防护。

在电务综合开关箱的输入端设置I级电源防雷箱;在电源屏电源输入端设II级防雷箱 (将既有防雷箱改造) 。既有模块电源屏已有防雷, 不再增加。

2) 信号机。

信号机包括进站信号机、预告信号机、出站信号机、通过信号机, 进路信号机外线需采取防雷措施, 信号机的所有去线、回线, 在分线盘的相应端子上, 每线加装防雷保安器, 作为纵向防护。

3) 灯丝报警、站间或场间联系电路、半自动闭塞电路、方向电源电路。

灯丝报警外线、站间或场间联系电路外线、半自动闭塞电路外线、自动闭塞区段的方向电路外线, 在分线盘处对应的端子上, 每线加装防雷保安器, 作为纵向防护。防雷保安器型号按照电源参数不同选用。

4) 480轨道电路。

轨道电源:轨道送电电源在分线盘处相应的端子上, 每束 (对线) 加装防雷保安器, 进行横纵向 (横向/纵向) 防护。

轨道电路室内受电端:轨道电路室内受电端, 在分线盘处对应的端子上, 每个受电端 (对线) 分别安装防雷保安器, 进行横纵向 (横向/纵向) 防护。

轨道电路室内送电端:无电码化电路区段, 不设轨道电路室内送电端防雷。二线制电码化电路区段, 轨道电路室内送电端, 在分线盘处对应端子上, 每个送电端 (对线) 分别安装防雷保安器, 对电码化设备进行横纵向 (横向/纵向) 防护。四线制电码化区段, 不设轨道电路室内送电端防雷。电码化发送通道在分线盘处对应端子上, 每个发送通道 (对线) 分别安装防雷保安器, 对电码化设备进行横纵向 (横向/纵向) 防护。

5) 计算机联锁视频信号线防护。

计算机联锁系统的上位机位于微机房, 而远端控制台显示器位于行车室, 它们的图像输入信号端口由于线路很长, 雷击时很容易造成雷电感应, 一旦显示器遭到雷击损坏, 将给铁路的安全运行造成很大的威胁, 可在A、B上位机显示卡输出口前, 分别串接1只视频口信号防雷保安器, 相应地在远端显示器视频口前也串接1只同规格的视频口信号防雷保安器。

摘要：随着现代化科技飞速发展, 铁路信号设备电子化程度大幅提高, 先进的设备在雷雨季节能否安全稳定的运用, 是摆在我们面前的一个新课题。雷击放电诱发电磁脉冲过电压和过电流会经电源系统、信号传输通道等途径损坏信号设备, 直接威胁铁路正常的安全生产。所以, 加强信号设备防雷工作尤为重要。

关键词：铁路信号,防雷,安全,危害

参考文献

[1]王祥, 郑发正.石油库防雷技术及案例剖析[M].北京:中国石化出版社, 2007.

[2]林瑜筠.铁路信号基础[M].北京:中国铁道出版社, 2007.

[3]付开道.基于专家诊断系统的铁路信号设备维护管理[J].设备管理与维修, 2011 (1) .

信号分析 第9篇

当今的数字电路设计中,随着用户需求的提高、半导体工艺的不断发展,处理器芯片的速度越来越快、密度越来越大、面积越来越小[1]。与低速数字电路设计相比,高速数字电路设计不仅要保证电路原理图设计的正确性,还要考虑当数字信号的上升时间减小到一定程度时,无源元件的电容、电感特性所导致的信号完整性问题。如果信号完整性问题在电路设计中被忽略,将会导致系统不稳定或无法运行,甚至整个设计都要被推翻,极大地降低了设计效率[2]。

所以,为了提高高速数字电路设计的首次成功率,信号完整性问题得到了越来越普遍的关注。这里结合OMAPL138的高速信号处理系统,对如何解决高速数字电路中的信号完整性问题进行了具体的阐述。

1 系统简介

该系统是基于OMAPL138的高速信号处理系统,OMAPL138是整个系统的核心。OMAPL138是美国德州仪器(TI)新推出的DSP+ARM双核架构的高性能处理器,其主频最高可达456 MHz,支持浮点运算,不仅具有DSP超强的数字信号处理能力,又面向应用,具备ARM的丰富外设接口的特点,其外设接口包括EMIFA、EMIFB,UART,EMAC等[3]。DSP核和ARM核通过片内共享内存区域进行相互通信[4]。

系统硬件结构图如图1所示。系统包括NAND FLASH模块、DDRⅡ模块、VME总线模块、串口模块和网口模块。除了VME总线模块需要通过FPGA进行EMIFA到VME的接口转换外,其他模块都与OMA-PL138相应的外设接口直接连接。其中,NAND FLASH模块用于存放引导程序、内核和文件系统;DDRⅡ模块用于系统运行时过程文件和临时数据的存储[5];VME总线模块和网口模块用于与其他系统的数据通信;串口模块用于连接上位机,系统调试时,可以打印调试信息。

该系统应用在光刻机的物镜控制箱中。系统工作时,首先通过网口接收数据采集卡发送的物镜中镜片的位置、温度等信息,然后经由OMAPL138进行高速数据处理,最后通过VME总线向驱动板卡发送处理后的数据,由驱动板卡对镜片的位置、温度等进行调整。

2 信号完整性分析与仿真

常见的信号完整性问题主要包括:单条传输线的信号反射、相邻传输线之间的信号串扰、时序控制以及电源完整性问题等。

在该系统中,高速信号的信号完整性特性主要表现在OMAPL138与DDRⅡ的接口上,DDRⅡ的时钟最高可达312 MHz,地址、数据和控制信号频率为时钟的1 2,即156 MHz。下面主要以此接口为例,对信号完整性进行分析,并在Cadence软件环境下进行仿真说明。

2.1 单条传输线的信号反射

对于单条信号线来说,几乎所有的信号完整性问题都来源于信号传输路径上的阻抗不连续性所导致的反射。解决信号反射问题有三种方法:降低系统时钟频率、缩短PCB走线和端接阻抗匹配。第一种降低了系统的运行效率,第二种需要增加PCB板的层数,提高了设计成本,显然这两种方法都不可取,第三种是最有效的解决方法。端接阻抗匹配包括源端端接和终端端接,源端端接主要应用于消除二次反射;终端端接又可分为并联匹配、戴维宁匹配、交流中断匹配、二极管匹配和串联匹配[6]。几种匹配方式中,只有串联匹配最适用于大规模并行总线的的阻抗匹配应用,所以对于DDRⅡ的地址、数据和控制总线都采用串联端接阻抗匹配。

图2所示为使用Cadence软件的Sig Xplorer组件对156 MHz的DDRⅡ数据线未接串联端接电阻时的仿真图,由图中可以看到由于反射产生0.3 V左右的过冲。图3所示为在传输线上增加22Ω的串联端接电阻(阻值大小的确定与OMAPL138的输出阻抗和板层结构有关,即输出阻抗与串联端接电阻的和等于传输线的阻抗),图中显示信号质量得到极大的改善,没有幅度较高的过冲。

2.2 相邻传输线间的信号串扰

形成串扰的原因有两种,分别是电感性耦合和电容性耦合,它们会导致向前、向后两种类型的串扰。串扰的产生和强度大小取决于传输线中电流的变化和走线的距离,电流变化的越快、走线距离越近,耦合就越强,串扰就越严重。因此,解决串扰问题的方法有两种,分别是降低信号速率和增加走线间距。由于降低信号速率会影响系统的性能,所以应采用增加走线间距的方式来减小相邻传输线间的信号串扰。

图4所示为Cadence软件环境下,312 MHz的DDRⅡ时钟线对其相邻间距为5 mil的走线产生串扰的仿真波形,图中显示产生了幅度最大约为±150 m V的串扰电压。图5所示为相邻间距为15 mil时串扰的仿真波形,图中显示产生了幅度最大约为±40 m V的串扰电压,串扰明显减小,说明增大相邻传输线间距可以有效的降低串扰。需要说明的是,由于PCB板的面积和成本问题,相邻传输线间距不能无限增大,要根据实际情况选择最优方案。

2.3 时序控制

在高速数字电路设计中,对时序的要求非常严格,具体时序要求包括信号发送端的时序、传输路径上的延时和信号接收端的时序。在PCB的实际设计中,就要通过控制传输线的阻抗和传播延时满足信号发送端和接收端对信号建立时间和保持时间的要求[7]。

在本系统中,OMAPL138和DDRⅡ分别作为信号的发送端和接收端,通过查阅芯片数据手册[8]和计算传输线阻抗及延时,把相关信号线分为时钟线、控制线、地址线和数据线四组,每一组线都需要等长设置,且长度不能超过1 200 mil,控制线比时钟线长最大100 mil,但不能短,线宽设定为4.5 mil,阻抗控制在50~75Ω范围内。

设计中,主要通过蛇形走线的方式对线长进行控制,从而满足信号发送端和接收端的时序要求,图6所示为PCB板在某信号层上的蛇形走线。

2.4 电源完整性

在高速数字电路设计中,电源系统的稳定性是解决一切信号完整性问题的前提。现今高速器件BGA封装的普遍使用,以及电源需求的多样化和复杂化,使得高速数字电路设计必须采用多层板。PCB板层叠结构的设置需要遵循的原则包括:应有良好、连续的参考层,以有效控制走线的阻抗;走线应尽量靠近相应的参考层,以减小串扰,同时减小信号的回路面积,从而使电磁干扰降到最低;需要成对的参考层,形成的平面电容不仅对电路的去耦很重要,并且能够有效的抑制差模和共模噪声信号导致的电磁干扰[9]。在本系统中,考虑到整体设计需求和设计成本,采用6层板的层叠结构,在Cadence软件环境下的板层设置如图7所示。

关于电源完整性,在高速数字电路设计中,旁路电容和去耦电容的使用也非常重要。其作用主要包括:为各种噪声提供流通到地平面的低阻抗通路;当电源波动较大时,通过储能为器件供电,保证电源的稳定性。在本系统中,有源器件的每个电源引脚与地之间都布置了0.1μF的电容,同时整个电路板上布置了若干大容量钽电容。需要注意的是,电容的位置要尽量靠近器件的电源引脚;电容引脚走线尽可能短,因为引线越长,电感性的越强,电容的作用就越小。

3 结语

现代高速数字电路设计中,信号完整性问题扮演着越来越不可忽视的角色。基于OMAPL138的高速信号处理系统,在测试中,没有发现因为信号完整性问题而使系统运行不稳定的情况。实践证明,分析信号完整性问题的产生原因,通过仿真得到解决信号完整性问题的方案,可以有效地防止反射、串扰等信号完整性问题对高速数字电路系统的运行产生影响,极大的提高了高速数字电路设计的一次成功率。

摘要：以基于OMAPL138的高速数字信号处理系统为例,分析了信号完整性在高速电路设计中的重要性及问题产生原因,通过仿真提出了信号完整性问题中的反射和串扰的解决方案,并具体阐述了在实际工程设计中如何控制高速信号的时序,以及如何保证电源系统的完整性。实践证明,高速数字电路设计中,保证信号完整性可以有效的保障系统的稳定运行,提高设计的一次成功率。

关键词：信号完整性,OMAPL138,反射,串扰,电源完整性

参考文献

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[4]栾小飞.OMAPL138双核系统的调试方案设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012(1):16-19.

[5]赵海舜,王志平,季晓燕.基于Cadence的DDRⅡ仿真设计[J].电子科技,2010,23(8):5-8.

[6]邱燕军,申功勋.基于DSP+FPGA的高速信号采集与处理系统的信号完整性分析[J].测控技术,2007,26(12):8-10.

[7]覃婕,阎波,林水生.基于Cadence_Allegro的高速PCB设计信号完整性分析与仿真[J].现代电子技术,2011,34(10):169-171.

[8]Texas Instruments.OMAP-L138 C6000 DSP+ARM processor[EB/OL].[2010-05-30].http://www.ti.com/product/omap-l138.

脉冲涡流信号检测与分析 第10篇

脉冲涡流检测方法由于具有频谱较宽、无需耦合介质、检测所需的时间比较短且无污染等特点而在近表面、亚表面的检测和评估中有较突出的优越性[1]。

集肤效应的存在使得脉冲涡流检测方法具有局限性,例如,被检测材料的缺陷只有在其距检测面5mm以内时脉冲涡流检测方法才能给出较准确的结论,如果超过10mm则无法实现准确检测,这成为脉冲涡流检测较厚导体深层缺陷的瓶颈[2]。本文采用增强激励电流的方式在激励线圈上产生较大的瞬时激励功率,增大磁场变化量,进而使得传感器能获得变化更显著的瞬态感应电压。

1 脉冲涡流检测方法原理

图1所示为脉冲涡流检测方法的工作原理。采用重复宽带脉冲电流对导体进行激磁时,电流突变而感应出脉冲磁场,同时,在脉冲磁场作用下,导体中有电流场形成且电流场具有衰减的特点。显然,在距离缺陷比较远的位置,电流场的分布应该是均匀的,而电流线也同样是彼此平行的。但由于缺陷处电流流过时电阻会增大,缺陷中心位置的电流线变得稀疏,电流会向缺陷的边缘偏转。从垂直检测表面的方向看,电流向缺陷的两端汇集,致使工件表面的磁场发生变化。位于缺陷一侧的电流大致呈逆时针方向流动,产生指向工件表面方向的磁力线;位于缺陷另一侧的情形则相反。分析瞬态感应电压的变化就能得到导体中缺陷的尺寸、类型和结构等重要信息[3]。

2 实验系统设计

为了产生大的电流脉冲,对低压大功率的电源进行斩波。为了模拟工件上的缺陷,在10mm厚的钢板表面加工出不同深度和长度的矩形凹槽。采用圆柱状探头,采取激励线圈缓慢放电的方式检测钢板表面;采用矩形探头,采取激励线圈瞬间放电的方式检测工件的亚表面。采用两片霍尔传感器构成差分输入,采用AD620来完成放大、采集信号和滤波的功能。

2.1斩波电路的设计

所设计电路中的激励线圈的电流比较大,选择对6V/50A/300W开关电源进行斩波的方式获取大电流脉冲。电路中功率MOSFET选择IFR1010,其导通电阻Ron=11mΩ,最大导通电流ID=85A,漏源击穿电压VDSS=55V,导通电阻小,电流余量大,开关速度快。采用函数发生器产生栅极驱动信号,斩波电路如图2所示。

当开关S1处于断开状态时,功率MOSFET对激励线圈这一感性负载进行斩波。在电流导通情况下,激励线圈中有电能存储;而在关断情况下,激励线圈中存储的电能会在很短的时间内放电,于是尖峰电压在它的两端出现[4]。随着涡流检测技术的不断发展,像尖波等波形将有可能被用来作为激励信号[5]。在此理论基础上,观察该尖峰下涡流磁场的变化情况。当开关S1闭合时,功率管导通,线圈储能;当开关S1断开时,二极管快速恢复放电,这样可以消除激励线圈两端的尖峰电压。

2.2检测探头设计

激励线圈的形状对脉冲涡流检测影响较大。矩形线圈的感应涡流场渗透得比较深,有利于检测距表面比较深的缺陷[6]。因此,圆柱探头用于钢板表面探伤,矩形探头用于钢板亚表面探伤的结论可以成立。

2.2.1 激励线圈的设计

激励线圈要在大电流条件下工作,电源功率一定,线圈电阻值应尽量小,线径要求较大。圆柱形探头骨架的内高为22mm,外高为28.5mm,底座内径为23mm,底座外径为51mm。激励线圈采用ϕ0.75mm的漆包线绕制,共绕制4层,每层为25匝。室温条件下,理论阻值为0.325Ω,再加上线圈两端引线,实测阻值为0.6Ω。为了加大激励线圈产生的磁场能量,把磁性材料纯铁磁芯放进骨架里是一个可行的方法。

矩形探头骨架长45mm,宽30mm,高25mm,采用ϕ0.75mm漆包线绕制,绕制2层共62匝,室温条件下,理论阻值为0.390Ω,加上线圈两端引线,实测阻值为0.5Ω。同样,在骨架中安装了纯铁磁芯。

2.2.2 传感器的安装

鉴于脉冲涡流的分布状况,显然应该将霍尔传感器安装在信号较强的位置[7]。从仿真结果可以看出:圆柱形探头在工件中所产生的涡流呈对称分布,流动的方向则相反。由此可以看出,在线圈的底部和轴线的下方涡流几乎互相抵消,这在线圈轴线的下方表现得更为突出。涡流强度最大的区域位于线圈边缘的环形区域,因此我们应该将霍尔传感器放置于这个环形区域并紧贴钢板。为了提高检测的灵敏度,霍尔传感器以差分方式工作。检测时,一片霍尔传感器置于无缺陷处,另一片置于缺陷正上方。

矩形探头的两片霍尔传感器的距离为30mm,紧贴在激励线圈的底部,同样采用差分输出方式,检测时,一片置于无缺陷处,另一片置于缺陷正上方。

2.3实验钢板

实验钢板的材质为Q235低碳钢,长300mm,宽270mm,厚10mm。在钢板上加工不同规格的矩形槽以模拟钢板上的裂纹缺陷,矩形槽长度l均为20mm,宽度w分别为2mm和3mm,深度h分别为2mm、4mm、6mm和8mm。实验钢板剖面图见图3。使用圆柱形探头时,缺陷模拟钢板表面裂纹,探头在B表面移动以检测钢板表面;使用矩形探头时,缺陷模拟钢板亚表面裂纹,探头在A表面移动以检测钢板亚表面。缺陷深度是缺陷底部与检测面之间的距离。

2.4放大电路及数据采集

采用AD620集成运放电路放大霍尔传感器感应到的脉冲涡流瞬态感应电压信号,增益为100倍。

为了去除高频杂波的影响,采用了二阶有源低通滤波器,其截止频率为20kHz。使用分辨率16位采样速率每秒105次的PCI-1716L数据采集卡实现数据采集。

3 检测信号的小波去噪

系统应用硬件滤除高频噪声,但截止频率较高,为了便于提取瞬态感应信号的特征量,须配合软件滤波。采用小波分解重构的方法滤除高频噪声[8]。

小波变换具有如下特性:低频段具有高频分辨率及低时间分辨率,而在高频段具有高时间分辨率及低频分辨率,因此小波变换适用于滤除信号中夹带的噪声。在MATLAB小波工具箱中应用一维平稳小波消噪。实验发现,用db3小波进行5层分解重构对本系统的脉冲涡流信号滤噪效果较好。

实验过程中,所使用的激励信号的周期、瞬态感应信号即脉冲涡流瞬态感应电压信号的周期均为70Hz。数据采样频率为100kHz,在一个周期内采样1429个点,采样间隔为0.01ms。进行小波5层分解重构需1440点,加11个0值补充。在阈值选项中选择软阈值(即系统默认阈值)去除高频噪声。原始信号如图4a所示,滤噪后的信号如图4b所示。

4 脉冲涡流信号的归一化与分析

4.1圆柱形探头

在用圆柱形探头对钢板进行表面检测时,开关S1闭合,激励频率为70Hz,占空比为0.5,激励线圈两端电压的正向峰值为+6V,反向峰值为-1V,峰峰值为7V,线圈达到稳态时的电压为5V,稳态电流为8.3A。激励信号的上升沿与瞬态感应信号的下降沿对应,同时,激励信号的下降沿与瞬态感应信号的上升沿对应。针对宽度w为2mm,深度h分别为2mm、4mm、6mm和8mm的钢板表面缺陷,将圆形探头置于上述缺陷表面上,探头在4种缺陷处测得的单周期原始瞬态感应信号如图5所示。

1.h=2mm 2.h=4mm 3.h=6mm 4.h=8mm

由图5可看出,瞬态感应信号的上升沿和下降沿变化比较明显。大激励电流产生强激励磁场,钢板被局部磁化,加之钢板边缘磁力线存在边际效应(分布畸变),因此会产生不同瞬态感应信号正半周期末端电压基准不同的现象,故需要对感应信号进行归一化处理。归一化既可用正半周期末端对齐的方法,也可用负半周期末端对齐方法。本文采用正半周期末端对齐的方法对正半周期瞬态感应信号的特征值进行分析。因h=2mm与h=8mm的缺陷距离钢板上下边缘近,边缘效应明显,中间两处h=4mm和h=6mm的缺陷距离钢板边缘较远,边缘效应小,因此,选择t=7ms处,h=4mm缺陷的感应信号幅值为基准,按此基准归一化另外三种深度缺陷的瞬态感应信号曲线(统一减或加该幅值基准)。归一化后的脉冲涡流波形如图6所示。由图6可见,表面缺陷越深,瞬态感应信号峰值越大。为正确分辨中间两处的缺陷,可以按峰值点出现的时间做出判断,起始时间点为单周期瞬态感应信号斜率最大的上升点。

1.h=2mm2.h=4mm3.h=6mm4.h=8mm

4.2矩形探头

用矩形探头进行钢板表面缺陷检测时,实验环境与圆柱形探头检测相同。断开开关S1,线圈稳态电压为5V,稳态电流为12.8A,电压峰峰值为66.8V,脉冲下降沿反向过冲电压为-60.8V。同样,针对宽度w为2mm、深度h分别为2mm、4mm、6mm和8mm的钢板表面缺陷,将矩形探头置于上述缺陷表面上,探头在4种缺陷处测得的单周期原始瞬态感应信号如图7所示。

1.h=2mm 2.h=4mm 3.h=6mm 4.h=8mm

用矩形探头测得的瞬态感应信号曲线同样需要做归一化处理。归一化方法同上,不同的是幅值基准选择值不同,矩形探头以信号在t=7ms时h=2mm的幅值(1.1V)为基准,归一化后的瞬态感应信号如图8所示。由图8可见,矩形探头测得的感应信号曲线对缺陷的判别区分度更强,在瞬间反向尖峰电压的激励下,矩形线圈的瞬态感应信号也出现尖峰。同时,与圆柱形探头相比较,尖峰电压值(t=0.42ms时)变化更明显,使得此类探头更适合判断钢板较深位置处的缺陷。另外,t=0.95ms时,不同深度的缺陷对应的电压差值亦区分明显,特定时间点不同缺陷深度对应的测量值如表1所示。

1.h=2mm2.h=4mm3.h=6mm4.h=8mm

在各曲线由峰值电压向基准幅值变化的过程中,h=2mm和h=4mm曲线不穿越基准幅值,h=6mm曲线和h=8mm曲线分别在t=0.62ms和t=0.55ms时穿越基准幅值。

5 结论

以脉冲涡流信号检测为探伤的理论基础,分别设计了圆柱形和矩形两种探头结构对钢板表面缺陷进行检测和分析,为提高不同深度缺陷检测的区分度和检测精度,提出施加不同波形强电流激励信号的技术手段,对脉冲涡流瞬态感应电压信号做小波滤噪处理并对脉冲涡流幅值进行归一化,以抵消钢板的局部磁化和边缘效应的影响。实验结果表明,本文提出的方法有效,脉冲涡流瞬态感应电压幅值可很好地反映较厚钢板表面与亚表面缺陷的深度,从而为长输石油管道的在线实时检测提供了理论依据和技术手段。

摘要：为了对较厚钢板进行缺陷检测,采用对低压大功率的电源进行斩波的方式产生大电流脉冲,设计圆柱形探头,采用激励线圈缓慢放电的方式检测钢板表面缺陷;设计矩形探头,采用激励线圈瞬间放电的方式检测钢板亚表面;对脉冲涡流瞬态感应电压信号进行小波滤噪和幅值归一化处理。实验结果表明,小波滤噪可以提高检测精度,对信号幅值进行归一化处理可以更直接地反映不同深度缺陷产生的曲线间的相互关系,大电流激励的脉冲涡流信号幅值能反映较厚钢板表面和亚表面缺陷深度。

关键词：较厚钢板,大电流脉冲,小波滤噪,幅值归一化

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信号分析 第11篇

关键词：现代铁路；信号设备；设备维护；安全保障

0 引言

我国对于铁路建设问题十分看重，投入了大量的资金应用于铁路建设工程中去。铁路事业的发展历史十分曲折，一路走来前辈付出了无数的心血。铁路信号设备是铁路运输系统的重要组成部分，也随着我国铁路事业的不断发展而前进。电子信息技术与铁路信号设备相融合，使得铁路信号设备的功能有所改善、可靠性有所增加。但是仍然存在一些不确定因素会对铁路信号设备的使用造成不良影响，所以相关维护工作就显得至关重要。

1 铁路信号设备组成

现代铁路信号设备主要分为三部分，第一部分是信号机。信号机会以固定的信号表达方式向人们传递一定信息。铁路在建设过程中不可避免的会穿过城市，与城市的某些街道相交叉，那么在日后铁路运行过程中就需要建立相应的防护区，火车运行速度很快，很难快速进入静止状态，防护区也成为危险性很高的区域。信号设备能够有效地加强对于该区域的管理，减少事故的发生，将防护区的防护作用良好的发挥出来。信号机众多可以根据信号机布置的位置、信号机的基本构造、信号机的主要用途等方式对其进行分类。

转辙机也是铁路信号设备的重要组成部分，转辙机设置在道岔位置，根据实际情况转换到定位或是相反的位置，能够正确的反映出道岔所在的实际位置，当道岔出现故障时，能够及时的发出警报反馈给技术人员，以便及时对轨道进行维护修理，确保火车行驶的正确性以及安全性。转辙机的分类方式也有很多，可以根据转辙机的运行速度进行分类，可以按锁闭岔道的方式对转辙机进行分类[1]。

轨道电路是现在铁路信号设备正常运行的基础，轨道电路能够时时检测列车的运行状态、火车在某一时间所处的位置，然后将所检测到的信息传送给信号机，通过相应的信号设备将降息传达给铁路工作人员，以便正确的控制火车运行，或是对一些事故及时的采取应对措施。

2 现代铁路信号设备性能与故障分析

2.1 信息机故障分析 当发现信号不好没有处于正常工作状态、失去作用时，需要对信号机及时的进行修理。在正处于降雨季节或是降雨量较多区域，需要每月对信号机进行机盖拆卸，查看信号机是否存在漏水的现象，避免内部结构受雨水的影响造成严重腐蚀或是短路现象，导致信号机损害。降雨量较少的区域需要根据实际情况确定检查周期，查看信号机内部构件的耗损情况，查看内部构件是否存在漏电、短路现象。检查工作完成后要注意信号机内部构件所处的位置，内部导线不能与电阻相接触，需要保持一定的距离，防止电阻过热使导线发生损坏。

当信号机内部的发光二极管发生严重故障需要及时进行维修时，只需要对信号机的光源进行更换就能够解除故障，恢复信号机正常工作状态。更换光源的主要操作为：首先，要应用工具卸下信号机机盖上的落实，取下机盖；同时卸下镜框上存有的四个M5-10的螺丝，将前置镜玻璃压圈和玻璃；同时卸下镜框上的四个M5-20的沉头螺丝，将镜框拆取下来，将信号机的后盖打开，用一字起子将光源连接的电源线取出，将故障电源拆去换上新的电源。信号机组装完成后需要输入电源进行检验。

信号机可能出现的故障其中包括LED灯源不能点亮、变压器烧坏、信号机内部漏水、信号机工作电流偏低或是信号机工作电流偏高等。LED光源不能点亮的原因有很多，首先，可能是因为变压器内有输入电压但是没有输出电压，发光二级管损坏可能是导致该故障发生的主要原因，同时还不可排除信号机的电源线接触不良。技术工作人员故障排除方法可以对电压器进行更换或是直接更换发光二极管，将电源线断开后重新连接。铁路信号机维护技术人员如果发现信号机存在漏水状况，需要检测机箱盖的密封箱是否存在损坏处，然后查看迹象四周的螺丝有没有拧紧，如果前置镜的固定螺丝松动也会导致信号机发生漏水现象。技术工作人员需要针对各个部位进行检查，如果密封圈损坏需要及时进行更换，然后对没有拧紧的螺丝通过特定的扳手对其进行修整，使信号机维护工作真正落实到位。

2.2 轨道电路维护

轨道电路维护可以主要分为量部分，第一部分是外部检查，第二部分是内部检查。外部检查工作内容包括：需要检查塞钉接续线道岔跳线是否处于良好运行状态，对轨距杆、道岔连接杆进行检查，查看箱盒内部是否存在漏水现象等众多内容。内部检查工作：内部检查工作较为复杂，需要工作人員肩负起自身的责任，对箱盒进行拆卸，对内部的各个构件都要进行仔细的检查，查看导线绝缘外皮是否存在破损的状况，如有破损需要及时更换。查看各个部位的螺丝腐蚀情况，以及连接的紧密程度。对轨道电路的电压进行调解时，因为轨道电路的受端电压是不能更改的，所以只能对输入电端的变压器进行调整。以铭牌上的数据为基本，在一送多受的区域，每一个受电端点之间的电压不能存在较大的差异，差距不能超过1V，然后对轨道受电端点的限流器进行调整，最终达到调节轨道电路电压的目的。

3 铁路信号设备安全保障分析

铁路作为我国的主要运输方式，铁路运输因为承载量大、运输速度快等特性，得到各界人士的青睐，并且应用铁路运输方式满足自身的运输需求。但是经常可以在媒体报道中看到有关铁路事故的报道，这些事故的发生有很多都是因为铁路信号设备故障造成的，对此必须要引起高度的反思。要吸取事故教训，并且引以为戒，各部门工作人员要将安全运输理念作为工作的基准点。首先，要建立相应的考核部门，对各部门的工作人员定期的进行专业技能考核，确保工作人员的专业水平达到工作需求标准。领导人员需要重视管理工作，集成人员需要配合管理工作，从而才能够保障工作的质量有所保障。对于铁路信号设备的检查力度无论怎么加强都不过分，将事故产生的机会扼杀在萌芽中。

4 结语

现代铁路信号设备在铁路运输系统中占据着十分重要的位置，只有不断加强对于信号设备的维护，提升安全保障，才能够有效的降低铁路运输事故发生的概率，才能够增加人们对于铁路运输方式的信赖，才能够不断促进我国铁路事业的发展。

参考文献：

[1]刘颖.铁路信号设备维护与安全保障[J].城市建设理论研究，2014（24）.

爆破振动信号分析技术研究 第12篇

现代爆破技术越来越广泛地应用于矿山、水利、交通、隧道开挖等工程。在完成岩石爆破破碎的同时, 必会伴生爆破飞石、地震波、噪音、粉尘等爆破公害。爆破地震波对周围建筑物的影响即爆破地震效应产生的破坏作用可谓爆破公害之首, 爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重要研究课题。爆破振动信号的分析技术又是研究爆破振动控制的基础和前提。对实测的爆破地震波采用各种数字信号处理技术进行分析和处理, 提取信号的时频特征, 一直是爆破振动信号分析的主要研究方向之一。

爆破地震波作为一种由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的能量逐渐衰减的扰动, 所产生的振动信号具有短时、突变快等特点, 是一种典型的非平稳随即信号[1]。基于平稳信号理论的傅里叶变换在爆破振动信号分析中存在极大的局限性, 目前已出现了很多信号分析方法。本文将简单介绍现代爆破振动信号分析中常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换以及HHT变换在爆破振动信号处理中的应用, 并从时频局部化和分辨率等方面较为详细地阐述各种方法的优缺点。

2 傅里叶变换 (FT)

FT是信号分析的基础和处理中的经典技术, 是处理平稳信号最常用也是最主要的方法。函数f (t) ∈L2 (R) 的连续FT的定义为

FT是时域和频域之间相互转化的工具, 其实质把原信号f (t) 分解成许多不同频率的正弦波的叠加, 即得到f (t) 的频谱图。

FT具有良好的频域分辨率, 基函数易于分解, 且计算方便, 同时由于库利和图基开创了快速算法, 使其在爆破振动信号分析中的得到了广泛地应用。宋熙太[2]通过FT对大型洞室爆破实验进行分析, 指出爆破远区爆破振动波的各种成分可在时空上彼此分离;并认为远区波谱地震波的传播是一线性过程。E D Siskind论述了频谱成分和响应谱在采矿爆破振动中的应用。张奇等通过FT指出爆破地震波频谱特性与测点距离、传播路径、装药量等有一定的相关性。

但FT有以下不足:FT中的傅里叶系数都是常数, 不随时间变化, 因而只能处理频谱成分不变的平稳信号, 不能适用于非平稳信号;它是全时间域上的加权平均, 反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征, 不能提供任何局部时间段上的频率信息, 即存在时频域的局部化的局限性。

基于以上不足, 可以对FT进行改进: (1) 将变换系数视为随时间变化的, 级数求和由一重变为两重; (2) 使用能反映局部信号的变换。这就是以后的短时傅里叶变换和小波变换等的思想来源。

3 短时傅里叶变换 (STFT)

为克服FT的不足, Gabor于1946年引入了STFT。

STFT的基本思想是假定f (t) 在g (t) 的一段时间间隔内是平稳的, 用g (t) 去截取f (t) , 并将截下来的局部信号做FT, 即可得到b时刻的FT。不断移动窗函数g (t) 的中心位置b, 即可得到不同时刻的FT。这些FT的集合就是STFTf (ω, b) 。

马瑞恒和钱汉明等利用STFT讨论了时频分布在爆破振动信号处理中的应用。

STFT中只要基本窗函数g (t) 确定, 则时频分辨率也就固定了, 即STFT实质上是具有单一分辨率的分析。而要改变分辨率, 只能重新选择窗函数。但根据Heisenberg测不准原理, 时间分辨率和频率分辨率不能同时任意小。因此STFT中要取得较高的时间分辨率就要牺牲频率分辨率, 反之亦然。而对于爆破振动信号这样的非平稳信号, 在信号变换剧烈时, 必然含有迅速变化的高频分量, 这就要求较高的时间分辨率, 而在变化平缓时刻, 则要求较高的频率分辨率。STFT不能兼顾两者。这使得其在分析爆破振动信号时受到很大的限制。

4 小波变换 (WT)

为克服STFT分辨率上的单一性, 法国地质物理学家J.Morlet于20世纪80年代初提出了WT的概念。

对于任意的函数的WT为:

其中, 为小波基函数, a为尺度因子, τ为平移因子

WT同STFT相类似, 其出发点是一个基本小波 (即母小波) , 通过伸缩和平移变换处理, 派生出一系列的小波基函数, 将小波基函数作用于待分析信号, 就形成了WT。

WT能提供一种“自适应变化”的时频窗结构, 即窗口面积不变但时窗和频窗都可变的时频局部化分析方法。WT具有多分辨率特性, 通过适当地选择基本小波, 可以使WT在时频两域都具有表征信号局部特征的能力, 且能在时域和频域内同时得到较高的分辨率。

利用WT对爆破振动信号进行分析已引起了众多研究学者的关注。何军首先将小波分析理论应用到了爆破振动信号分析中。赵明阶应用WT-FT对爆破振动信号进行时频域分析, 从爆破振动信号中分离出真实的振动信号, 并对其频率特征进行精心分析。凌同华、李夕兵运用WT模极大值和时能密度法识别微差爆破中的实际延迟时间。

5 小波包变换 (WPT)

WPT是在WT的基础上进一步提出来的, 其基本思想是把WT中没有分解的高频部分也同样分解为高、低频部分。

设n是一个倍频程细化的参数, 则小波包可以简略地记为:

其中 称 为具有尺度指标j、位移指标k和频率指标n的小波包。将它与WT中的ÁÁÂ (t) 对比发现, WPT中增加了一个频率参数n, 正是n的作用, 使WPT克服了WT在时间分辨率高时频率分辨率低的缺陷。

WPT在爆破振动信号分析上应用极为广泛, 宋光明采用WPT对不同矿山中的深孔爆破数据进行分析, 得出了不同的爆破条件、传播介质、爆心距等对爆破振动信号的时频特征的影响。娄建武运用WPT对爆破地震波测试信号特征量提取, 分析了爆破地震波不同频带下小波包系数的衰减规律, 建立了基于不同频带小波包系数的爆破地震波预报模型。中国生利用WPT分析实测爆破振动数据, 建立了能考虑爆破振动强度、频率和齿数时间及受控建筑物本身的动态响应特性等因素综合的安全判据。

WT及WPT是目前分析爆破振动信号的最有效方法之一。但WT和WPT本质上是一种窗口可调的FT, 其窗内的信号必须是平稳的;小波基的有限长会造成信号能量的泄漏, 使信号的能量-频率-时间分布很难定量给出;小波基函数的选择具有多样性, 不同的小波基分析同一问题会产生不同的结果。

6 希尔伯特-黄变换 (HHT)

HHT是1998年由美国宇航局美籍华人Huang等提出的。HHT由EMD (经验模态分解) 法和Hilbert变换两部分组成, 核心是EMD。HHT变换从本质上讲是对一个信号进行平稳化处理, 即将时间信号经过EMD分解, 使真实存在的不同尺度的波动或趋势逐级分解出来, 产生一系列具有不同特征尺度的系列 (IMF, 本征模态系数) , 然后对每个IMF进行Hilbert变换, 从而进一步得到该信号的Hilbert谱、时频能量谱等。

HHT是近些年提出的适合处理平稳信号和非平稳信号的有效方法, 是对以FT为基础的信号处理方法的一大突破。HHT较之以前的信号处理方法具有诸多优点:它较依赖于先验函数基的FT及WT等更适合于处理非平稳信号, 是一种自适应的时频局部化分析方法, 没有固定的先验基底;它能精确地做出时间-频率图;它引入了瞬时频率的概念, 定义为相位函数的导数, 不需要整个波来定义局部频率, 因而可以实现在低频信号中辨别出奇异信号, 较WT有了明显的进步;第一次给出了IMF的定义, 指出IMF的幅度允许改变, 突破了传统的将幅度不变的简谐信号定义为基底的局限, 使信号分析更加灵活。

国内的一些学者已将HHT引入到了爆破振动信号分析当中, 张义平和李夕兵介绍了HHT的原理, 并用HHT对爆破振动信号进行滤波、消噪、时频分析等分析处理, 并与WT进行对比研究, 发现HHT法在分析爆破振动信号时较WT更具有适应性。陆凡东在分析石方爆破噪声产生机理的基础上, 利用HHT分析了有关爆破噪声记录, 探讨了石方爆破噪声的时频特性。

HHT比FT、WT等在处理爆破振动信号方面有了很大的改进与提高, 但由于其提出的时间不长, 在许多方面还存在问题:如何解决包络线不完全包络和因三次样条插值引起的过冲和欠冲;如何减少分解中由于端点摆动而引起的污染;如何保证EMD分解效果的唯一性和分解收敛标准的取值问题;以及如何解决其在高频区频率分辨率不高, 低频区出现不合理频率成分的问题等。

7 结论与展望

本文对FT、STFT、WT、WPT和HHT的原理进行了简略介绍, 并对几种方法的优缺点进行了比较, 并对其在爆破振动中的应用研究进行了概述。可以发现随着信号分析技术的不断发展, 采用先进的信号分析技术可以得到比以往更准确、详尽的信息数据, 对爆破振动信号和震动效应的认识也更加深刻, 从而可以建立更加准确的爆破震动效应的安全判据。

现代爆破信号分析处理技术对爆破震动效应的研究取得了一定的成果, 但尚有许多问题需要进一步的研究:

(1) 由于测量仪器和测量手段的限制, 目前实测的爆破振动数据都是爆源中远区的数据。因此可以研制更先进的工具以获取爆源近区的振动数据, 开展爆源近区地震波的传播规律研究。对爆破安全技术的发展和改善爆破效果具有重要的意义。

(2) 实测的爆破振动信号由于测量仪器和周围环境的干扰, 需要进行消噪处理, 但现在的消噪技术都不能有效地去除所有噪声同时保证不丢失有用成分。因此可对信号检测和滤波消噪技术进一步改进, 提高实测信号的精确度。

(3) 现在应用信号分析处理技术研究爆心距、单段装药量等因素对爆破振动的影响都是定性分析, 没有有关的具体参数形成一个综合考虑各种影响因素的安全判据表达式。确定统一判据的有关具体参数、爆破振动破坏新标准的建立有待以后更深入的研究和大量的实测资料的检验。

摘要：由于爆破振动信号具有短时非平稳的特点, 传统的傅里叶变换不能满足爆破振动信号的研究, 现已出现了很多信号分析方法。本文结合现代爆破振动信号分析常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换、HHT变换的原理分析了各种方法的优缺点, 并简述爆破振动分析技术的研究现状。

关键词：爆破振动信号,傅里叶变换,技术

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