基于螺旋平行傳輸線的時(shí)域反射監(jiān)測(cè)技術(shù)研究張楊鍇李青曹

1、基于螺旋平行傳輸線的時(shí)域反射監(jiān)測(cè)技術(shù)研究 張楊鍇 李青基金項(xiàng)目：1、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60772008)“地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形的分布測(cè)量傳感器及技術(shù)”；2、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41376111）“海底沉積物和陸架邊坡位移原位長(zhǎng)期觀測(cè)的傳感方法研究”；3、國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題（2012BAK10B05-3）“巖土體變形分布式光電復(fù)合傳感與測(cè)量技術(shù)研究”。作者簡(jiǎn)介：張楊鍇（1991-），男，浙江省諸暨市人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)方向研究。李青（*通訊作者）（1955-），男，浙江省杭州市人，教授，主要從事檢測(cè)技術(shù)方向研究。 曹波 賈生堯 童仁園（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 3

2、10018）摘要：針對(duì)山體滑坡、泥石流等巖土災(zāi)害，通過(guò)基于螺旋平行傳輸線的TDR(Time-Domain Reflectometry)技術(shù)，設(shè)計(jì)出的窄脈沖發(fā)生電路，返回波信號(hào)調(diào)理電路和高速采樣模塊，運(yùn)用等效采樣法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集，完成了時(shí)域反射監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)，并對(duì)反射波形進(jìn)行了實(shí)時(shí)對(duì)比研究; 將螺旋平行傳輸線埋入山體，當(dāng)山體內(nèi)部發(fā)生形變，引起螺旋平行傳輸線相應(yīng)拉伸，拉伸點(diǎn)的特性阻抗隨之變化，運(yùn)用TDR技術(shù)對(duì)螺旋平行傳輸線進(jìn)行測(cè)量分析，可得螺旋平行傳輸線變形數(shù)據(jù)，相應(yīng)的反映了山體表面的變形；反射波形的實(shí)時(shí)對(duì)比研究表明，將時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用于螺旋平行傳輸線形變監(jiān)測(cè)行之有效且效果明顯.關(guān)鍵詞：山體；螺

3、旋平行傳輸線；時(shí)域反射；特性阻抗；等效采樣Time-Domain Reflectometry monitoring technology research based on spiral parallel transmission lineZhang Yangkai Li Qing Cao Bo Jia Shengyao Tong Renyuan(China Jiliang University, Institute of mechanical and electrical engineering, Hangzhou 310018 ,China)Abstract：Aiming at the m

4、easurement of landslides, mudslides and other geotechnical hazards, narrow pulse circuity, return signal conditioning circuitry and high-speed sampling module , which can achieve the signal acquisition and complete a TDR monitoring instrument system by using equivalent sampling method and then under

5、take comparative study of the real-time reflection waveform，were designed by means of the TDR technology which based on spiral parallel transmission line . Spiral parallel transmission line is buried in the mountain. When the deformation occurs in the mountain, the parallel transmission line is corr

6、espondingly stretched, and the characteristic impedance of the tensile point is changed. Then using TDR technology to measure and analyze the parallel transmission line, the deformation data of the parallel transmission line which can correspondingly reflect the deformation of the surface of the mou

7、ntain can be got. The comparative study of the real-time reflection waveform testified that using the TDR technology to monitor spiral parallel transmission lines deformation is effective and obvious.Key words：mountain;spiral parallel transmission line; TDR ;characteristic impedance; equivalent samp

8、ling0 引言山體滑坡、邊坡崩塌等巖土類災(zāi)害長(zhǎng)期以來(lái)威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，廣大科研工作者針對(duì)山體滑坡預(yù)警，山體表面變形量測(cè)量做了許多工作，也依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)提出了許多種解決方案，其中大致有三種常見的方案，第一，GPS測(cè)量技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可通過(guò)測(cè)量滑坡點(diǎn)上各坐標(biāo)的位移變化測(cè)得山體變形，但在山體上布點(diǎn)是有限的，若山體變形位置遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn)，無(wú)法造成測(cè)量點(diǎn)位移，便無(wú)法測(cè)得山體變形情況；第二，基于分布式光纖測(cè)量，這種測(cè)量方法雖能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，但光纖往往應(yīng)用在橋梁大壩建筑這種微變形測(cè)量方面，變形量非常有限，對(duì)于能引起山體滑坡的這種變形量較大的山體變形，光纖將拉斷【1】；第三，拉伸傳感器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量，此種測(cè)量

9、方法的缺陷與第一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)相似，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量無(wú)法涵蓋整個(gè)山體表面，從而無(wú)法進(jìn)行全面的測(cè)量，且測(cè)量精度有限。因此本文提出一種基于螺旋平行傳輸線的時(shí)域反射監(jiān)測(cè)技術(shù)，運(yùn)用螺旋平行傳輸線作為傳感器，分布于山體各位置，并結(jié)合時(shí)域反射技術(shù)，使之能對(duì)山體地表位移實(shí)行有效的精確的監(jiān)測(cè)。基于螺旋平行傳輸線的TDR技術(shù)簡(jiǎn)介本文使用螺旋平行傳輸線式的變形線分布測(cè)量傳感器（以下簡(jiǎn)稱螺旋線）作為傳感器，螺旋線的結(jié)構(gòu)是在圓截面彈性絕緣體線的圓柱面上密繞單根漆包線線圈的漆包線內(nèi)層線圈， 再在漆包線內(nèi)層線圈外再裹一層中間彈性絕緣體層， 在中間彈性絕緣體層上再繞上與內(nèi)層線圈相同繞向、 相同線間距的單根的漆包線外層線圈， 在漆包

10、線外層線圈上再裹一層外彈性絕緣體層， 內(nèi)外層漆包線線圈形成了螺線的傳感器【2】。如圖1所示。圖1 螺旋平行傳輸線理想狀態(tài)下的螺旋線是一種均勻傳輸線，根據(jù)電磁學(xué)的傳輸線理論，在傳輸線的一端發(fā)送一個(gè)電脈沖，它就會(huì)沿著該傳輸線線路傳輸，若線路正常且終端匹配的負(fù)載阻抗與線路的特性阻抗相同，則發(fā)送的電脈沖被負(fù)載吸收無(wú)反射回波；反之若傳輸線路有故障，則由于故障點(diǎn)阻抗發(fā)生變化，不再與傳輸線路的特性阻抗一致，便會(huì)產(chǎn)生反射回波【3】。均勻傳輸線的反射系數(shù)X滿足： X=（ZX-ZC）/(ZX+ZC) （1）式中ZX是均勻傳輸線任何一截面處的阻抗、ZC為傳輸線的特性阻抗。當(dāng)均勻傳輸線終端接入負(fù)載時(shí)X滿足：X =（Z

11、1-ZC）/(Z1+ZC)e-2X （2）Z1是均勻傳輸線終端的負(fù)載阻抗、是傳播常數(shù)、X是均勻傳輸線任何一截面處到終端的距離。當(dāng) Z1ZC（即 ZXZC )時(shí)X=0；可見，若令以均勻平行傳輸線制作的螺旋線的終端的負(fù)載阻抗Z1等于ZC時(shí)，當(dāng)螺旋線的X處的特性阻抗ZC發(fā)生變化，即ZXZC、X0， 則有反射現(xiàn)象發(fā)生。螺旋平行傳輸線某一位置的特性阻抗Z2是由該位置的分布電感L2和分布電容C2確定的，它們的關(guān)系如下： （3）當(dāng)受測(cè)得螺旋平行傳輸線收到拉伸或扭曲時(shí)發(fā)生局部變形，變形部位的分布電感、分布電容的參數(shù)發(fā)生變化，因而可以通過(guò)分布電感與分布電容變化表明螺旋線變形程度。TDR技術(shù)采用的基本原理是“脈沖

12、反射”法，因此基于螺旋平行傳輸線的TDR技術(shù)能對(duì)螺旋線的變形監(jiān)測(cè)起到理想的效果。2 時(shí)域反射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成TDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括窄脈沖發(fā)生電路，反射波信號(hào)調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集模塊，485通信模塊與上位機(jī)，如圖2所示。圖2 TDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2.1 窄脈沖信號(hào)發(fā)生電路隨著電信號(hào)在介質(zhì)中不斷傳播，必然會(huì)產(chǎn)生能量的損耗，能量損耗大大限制了監(jiān)測(cè)的距離，加大了裝置的信號(hào)分辨難度，因此需增加電脈沖的幅值。脈沖的時(shí)間寬度也對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有影響，若脈沖時(shí)間寬度為t，則在t時(shí)間內(nèi)返回的反射脈沖與發(fā)射脈沖重疊導(dǎo)致無(wú)法區(qū)分，從而不能測(cè)出故障點(diǎn)的距離，出現(xiàn)測(cè)量盲區(qū)。假設(shè)電信號(hào)在銅導(dǎo)體內(nèi)的波速V=200m/us，發(fā)射t =10ns

13、時(shí)間寬度的脈沖，所對(duì)應(yīng)的銅導(dǎo)體距離為：S=Vt /2=1m即在1m范圍內(nèi)的故障點(diǎn)反射脈沖不能被識(shí)別，此時(shí)盲區(qū)就為1m。儀器發(fā)送脈沖越寬，盲區(qū)越大。減小脈沖寬度便能減小盲區(qū)提高精確程度，但脈沖越窄，它所包含的頻率成分越高，線路損耗越大，反射脈沖幅值越小，畸變?cè)絿?yán)重【4】。因而脈沖的幅值與時(shí)間寬度要根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)而設(shè)定。由于螺旋線的漆包線密繞結(jié)構(gòu)（內(nèi)部漆包線長(zhǎng)度與外部線長(zhǎng)比例約為50:1），從而避免了脈沖幅值與脈沖時(shí)間寬度之間的矛盾，即脈沖時(shí)間寬度越窄幅值越難提高。因而采取時(shí)間寬度稍寬幅值較大的窄脈沖。利用隧道二極管的跳變性質(zhì)與斬波放大電路結(jié)合可以得到ns甚至ps級(jí)的窄脈沖。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的方波周

14、期，可以調(diào)節(jié)窄脈沖的寬度。如圖3所示：先通過(guò)FPGA的一個(gè)I/O口輸出一個(gè)固定頻率的方波，然后進(jìn)入隧道二極管激發(fā)電路，激發(fā)隧道二極管產(chǎn)生階躍跳變，階躍波進(jìn)行斬波放大后成為一個(gè)窄脈沖，一個(gè)周期清零一次，下個(gè)周期重復(fù)發(fā)出窄脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)FPGA方波的頻率調(diào)節(jié)窄脈沖的頻率。 圖3 窄脈沖發(fā)生電路框圖運(yùn)用這種方法能產(chǎn)生脈寬10ns以內(nèi)幅值15V以上的窄脈沖2.2 回波調(diào)理電路 由于窄脈沖的發(fā)出端和信號(hào)接收端為同一端口，發(fā)射窄脈沖也需與傳感器進(jìn)行阻抗匹配，且由于發(fā)射的窄脈沖經(jīng)過(guò)被測(cè)傳感器產(chǎn)生的回波信號(hào)微弱、噪聲較多、阻抗不匹配等原因不能由A/D直接進(jìn)行采樣，必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理，所以在窄脈沖發(fā)出端與螺旋線

15、之間必須有阻抗匹配與耦合電路，在耦合電路與A/D之間還必須有信號(hào)放大電路，過(guò)濾低頻信號(hào)，放大所需的高頻信號(hào)，使所需信號(hào)能被A/D順利接收。2.2.1 變壓器耦合電路如圖4為變壓器耦合電路，發(fā)生的窄脈沖由右側(cè)的“IN”入口輸入，“OUT1”與“OUT2”分別連接螺旋線的內(nèi)層與外層漆包線，“OUT3”與后面的高頻放大電路相連。窄脈沖信號(hào)發(fā)出后，通過(guò)T1的L1側(cè)線圈作用于L2、L3，在L2、L3上產(chǎn)生大小相同極性相反的電脈沖，L2線圈上的電脈沖進(jìn)入內(nèi)部阻抗平衡電路，L3線圈上的電脈沖通過(guò)“OUT2”輸入被測(cè)螺旋線的外層漆包線，由于L3的作用，此時(shí)L5線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與L3線圈大小相近方向相反的電脈沖，

16、并通過(guò)“OUT1”輸入被測(cè)螺旋線的內(nèi)層漆包線，而電感通直流阻交流隔開L3、L5兩端，保證脈沖輸出。調(diào)節(jié)L2與L4間的內(nèi)部平衡電路使其阻抗與被測(cè)螺旋線阻抗相近,則在發(fā)射脈沖的作用下,通過(guò)L2、L3影響，在L4、L5上產(chǎn)生一個(gè)大小相近,極性相反的電流信號(hào),T2的L6側(cè)線圈收到的信號(hào)極弱,達(dá)到了壓縮發(fā)射脈沖的目的，從而使發(fā)射脈沖對(duì)數(shù)據(jù)接收的影響降至最小。而當(dāng)螺旋線上反射脈沖到來(lái)時(shí)（反射脈沖同樣由“OUT1”與“OUT2”接收）,在L3與L5上產(chǎn)生大小相等,方向相反的電脈沖,回路電壓代數(shù)和為0，L2與L4間的內(nèi)部平衡電路不起作用,反射脈沖電壓通過(guò)T2的L5線圈以全部信號(hào)變換到L6上,通過(guò)“OUT3”輸

17、出至信號(hào)放大電路。該方法將發(fā)射信號(hào)抵消掉,而保留了反射信號(hào)。圖4 變壓器耦合電路2.2.2 高頻信號(hào)放大電路 如圖5所示，經(jīng)過(guò)變壓器耦合電路接收的反射信號(hào)，通過(guò)“OUT3”輸入至圖5左側(cè)“IN”中，變化的電壓信號(hào)通過(guò)Q1三極管發(fā)射級(jí)等幅度輸出，射極輸出可以提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)電阻，使其與耦合電路阻抗匹配。Q1輸出的電壓信號(hào)作用于Q2三極管的發(fā)射級(jí)，由于共基極放大電路的輸入阻抗小，通頻帶寬，信號(hào)頻率失真小，穩(wěn)定性好，因此選取Q2組成的共基極放大電路在此做高頻放大器。信號(hào)經(jīng)由Q2放大輸出至Q3，Q3對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整，使信號(hào)達(dá)到A/D接收幅值范圍。信號(hào)經(jīng)Q3調(diào)整后通過(guò)圖5右端“

18、OUT4”接入A/D，從而完成了信號(hào)的調(diào)理。通過(guò)調(diào)節(jié)圖5中各電阻與電容可調(diào)節(jié)增益信號(hào)的頻段，放大所需高頻信號(hào)，過(guò)濾低頻信號(hào)及其他噪聲。圖5 信號(hào)放大電路2.3 數(shù)據(jù)采集模塊2.3.1 等效時(shí)間采樣原理 由于螺旋線故障點(diǎn)位置相對(duì)于螺旋線自身是固定的，且螺旋線本身固定在地表土壤下，脈沖信號(hào)周期性的發(fā)出，則周期性的產(chǎn)生反射波信號(hào)，這就為等效時(shí)間采樣技術(shù)的運(yùn)用提供了空間，即周期性的接收反射波信號(hào)，重構(gòu)回波信號(hào)波形。等效時(shí)間采樣的基本原理是利用取樣技術(shù),把周期性或準(zhǔn)周期性的高頻、快速信號(hào)變換為低頻的慢速信號(hào)。在電路上只對(duì)取樣前的電路具有高頻的要求,大大降低采樣變換后的信號(hào)處理、顯示電路對(duì)速度的要求,簡(jiǎn)化

19、了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度【5】。由于螺旋線的內(nèi)外層密繞漆包線結(jié)構(gòu)，對(duì)采樣率要求并非過(guò)高，擬采用100MHZ采樣率，100MHZ采樣率的分辨率為1m，而螺旋線線長(zhǎng)與內(nèi)部漆包線長(zhǎng)度之比約為1:50，則螺旋線的分辨率為2cm，通過(guò)加大脈沖幅度等手段可以將螺旋線的分辨率提高至5mm1cm，這對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害較大變形的預(yù)測(cè)已經(jīng)足夠，因此該TDR裝置采用相對(duì)較為簡(jiǎn)易的順序等效采樣法。順序等效采樣的原理如圖6所示，其中f(t)為被測(cè)信號(hào)的N個(gè)周期,S(t)為采樣時(shí)鐘信號(hào)（上升沿觸發(fā)）,fS(t)為采樣脈沖作用下采集信號(hào)組成的低頻信號(hào)。被測(cè)信號(hào)f(t)為周期為T,采樣信號(hào)周期為T+T,t=0時(shí)刻采樣開始,采樣脈沖采集

20、數(shù)據(jù)fS(S0)，T+T時(shí)刻采集數(shù)據(jù)fS(S1),2(T+T)時(shí)刻采集數(shù)據(jù)fS(S2)，以此類推直到第N個(gè)（T+T）時(shí)刻采集數(shù)據(jù)fS(Sn)，此時(shí)采集數(shù)據(jù)與t=0時(shí)刻采集數(shù)據(jù)完全相同即fS(S0)= fS(Sn)，只是在時(shí)間上被延遲了N個(gè)T,通過(guò)把采集的信號(hào)重組,即可得到在時(shí)間軸上被放大的相似波形。步長(zhǎng)t越小,實(shí)時(shí)采樣的頻率越高,等效采樣的fS(t)頻率越低。從時(shí)間上看,f(t)被放大了N(T+t)/T倍。圖6 等效采樣原理2.3.2 等效采樣系統(tǒng)等效采樣系統(tǒng)由高速ADC、閃存RAM、FPGA 、STM32等構(gòu)成。如圖7所示，反射波信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后由信號(hào)放大電路中的“OUT4”輸入ADC進(jìn)行數(shù)模

21、轉(zhuǎn)化，高速ADC采樣時(shí)鐘由FPGA給出，并控制高速ADC存儲(chǔ)至RAM中，RAM中的數(shù)據(jù)由STM32讀取，最后通過(guò)485芯片與上位機(jī)通訊，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)作圖達(dá)到觀測(cè)效果。FPGA根據(jù)同一時(shí)鐘，同時(shí)發(fā)出窄脈沖，同時(shí)采集，從而達(dá)到等效采樣目的。 圖7 等效采樣系統(tǒng)因此，便完成了等效采樣，實(shí)現(xiàn)了ADC遠(yuǎn)超過(guò)自身采樣頻率的信號(hào)采樣。反射波形對(duì)比研究由于TDR裝置采用的是8位ADC，等效采樣率為100MHZ, 螺旋線線長(zhǎng)與內(nèi)部漆包線長(zhǎng)度之比約為1:50，因此數(shù)據(jù)格式：橫坐標(biāo)為內(nèi)部漆包線每隔1m一個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)螺旋線2cm一個(gè)數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為0255，對(duì)應(yīng)每個(gè)點(diǎn)的拉伸量。如圖8所示，選取長(zhǎng)度

22、約為1m的螺旋線，使用兩塊寬約4cm的木頭夾具分別距離脈沖發(fā)射口64cm和72cm將螺旋線夾緊，兩夾具內(nèi)側(cè)間距4cm，中間帶螺紋孔的四個(gè)卡鐵分別卡住木頭夾具的內(nèi)部四角，螺紋棒旋過(guò)卡鐵中的螺紋孔，中間游標(biāo)卡尺固定于木頭夾具的卡槽中，用于測(cè)量拉伸量。圖8 螺旋線拉伸裝置裝置如圖8安裝好后，使用此TDR裝置調(diào)整脈沖測(cè)量一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel繪圖產(chǎn)生波形，如圖9（左），然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩邊螺紋棒，使卡鐵推動(dòng)兩邊木頭夾具均勻遠(yuǎn)離至相距5CM，則兩木頭夾具間螺旋線被拉伸1CM，再運(yùn)用此TDR裝置相同脈沖測(cè)量，數(shù)據(jù)用Excel繪圖產(chǎn)生波形，如圖9（右），兩圖數(shù)據(jù)相減并標(biāo)定橫縱坐標(biāo)與螺旋線關(guān)系得到圖9（下）波形，可以清楚的看出，在距端口約70cm處有明顯的差值，且達(dá)到最大，通過(guò)觀察圖形的尖峰，便可精確判斷螺旋線拉伸形變位置，通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)定可以得知該形變位置的拉伸量。圖9中10cm-35cm處是由于發(fā)射脈沖過(guò)大引起反射脈沖超出最大接收范圍而造成的數(shù)據(jù)溢出，致使產(chǎn)生一定量的測(cè)量盲區(qū)（此段螺旋線無(wú)論如何拉伸數(shù)據(jù)相減后都為0，無(wú)法進(jìn)行拉伸觀測(cè)），而減小脈沖幅度雖能減小測(cè)量盲區(qū)但會(huì)造成拉伸變化量不明顯的負(fù)面效果，綜合考慮，以一定量的盲區(qū)換取測(cè)量的靈敏度，因?yàn)槊^(qū)基本出現(xiàn)于輸入輸出端口附近，可以通過(guò)多根螺旋線的