一种地铁漏缆故障检测平台设计与实现

地铁运输作为国家基础产业和交通运输体系的重要支撑，肩负着客货运输重任，为国家经济发展和人民生活提供可靠保障。铁路信号系统广泛使用的泄漏电缆，其结构与常规同轴电缆相似，电磁波在其内部纵向传输时能通过特定槽孔向外辐射，同时外部电磁场也可经槽孔耦合入电缆内部传输至接收端。作为保障铁路安全运行的“神经线”，漏缆连接沿线设备与电路，对运输正常运转至关重要[4]。然而研究表明，漏缆施工过程中损伤概率高达 80% 以上，主要体现为占比约 50% 的外护层划伤和约 40% 的芯线损伤。此外，施工中因槽位不当或漏缆本身质量问题导致的外皮损伤及老化等问题，均会引发运行故障，严重威胁铁路运输效率与安全。对于施工单位来说实现一种高效、便捷可视化的漏缆检测系统十分有必要。

我国针对地铁、铁路的漏缆监测有着广泛的研究。吴振飞在 2021 年利用蓝牙网络进行漏缆系统设计，主要是基于蓝牙网络费用低，并且不容易和外界其他网络进行干扰。但是蓝牙网络传输距离短，我国地铁线路较长，而且在传输过程中容易断网，给检测造成不便。华东大学的刘教授团队在2023 年进行反射系统的电缆故障检测，标注着我国自主研发的电缆故障检测进行新阶段，目前该方法已经被广泛用于地铁、铁路的故障检测。本文所述系统就是采用反射系数谱相关系数的电缆故障检测。

在此之后，我国的天津德力仪器公司和创远仪器公司都推出了成熟的故障检测设备，实现对漏缆远程检测。天津德力仪器公司生产的EM7000A 漏缆检测设备如图1 所示。

图1 漏缆监控设备

1. 漏缆故障检测原理

地铁漏缆检测的原理主要基于信号反射与驻波比分析，检测设备向漏缆发射微功率射频信号如脉冲调频连续波。若漏缆无故障，信号传输损耗小，反射微弱；若存在物理损伤如接头松动、断裂或老化，故障点因阻抗突变会产生强反射信号，导致回波损耗和驻波比显著增大。反射信号经定向耦合器捕获后，由接收模块的低噪声放大器、混频器等电路处理，再通过 ADC 转换为数字信号。FPGA 或软件无线电（SDR）平台分析反射波形与预设正常波形的频率差及时延，结合电磁波在漏缆中的传播速度，精准计算故障点位置，误差可达0.04–4 米。漏缆若发生故障将严重当故障发生时，本文所述检测设备会向漏缆注入检测信号，并接收从故障点反射回来的信号进行分析定位。

本文以市地铁 2 号线漏缆监控项目为例，市地铁 2 号线漏缆监控项目是为解决该线路专用无线通信设备老化、漏缆性能下降导致的信号覆盖盲区及安全隐患而实施的全国首例既有线路改造工程。本文所述项目使用的是新一代四通道漏缆监测系统，通过1645MHz-1685MHz 频段发射检测信号，结合LTE-M 系统合路传输，实时监测漏缆通断、传输损耗及故障点反射信号，实现故障精确定位与劣化预警。系统于2024 年4 月完成割接，显著提升了隧道区间无线信号稳定性，为行车安全及5G 覆盖升级提供技术支撑。

2. 漏缆监控系统架构设计漏缆监控系统架构图如图2 所示。

如图 2 所示，实际漏缆检测平台由反射参数提取模块、待测漏缆、 上位机和电源模块四部分组成，其中电源模块为系统供电；反射参数提取 该模块的信号发射子模块产生射频信号，经由定向耦合器的 P1 端 时定向耦合器的耦合端口与隔离端口分别耦合出入射波和反射波信号并 接收子模块， 模块通过 ADC 将模拟信号转换为数字信号后，由 FPGA 模块进行数据处 过 USB 串口与上位机 通 上位机基于采集的入射波和反射波信号计算S 参数，经算法处理最终实现故障定位。

硬件平台由电源模块、待测漏缆、反射系数提取模块和上位机构成，其核心是反射系数提取模块中的收发信号处理模块电路设计。

3. 平台反射系数提取模块

该模块用于接收定向耦合器耦合端 （入射波）和隔离端口（反射波）的信号，其主要包含射频开关、低噪声放大器（LNA）、 ADC ；其工作流程为：射频开关首先切换选择入射波或反射波 单端信号转换为差分信号以提升混频器的转换增益、 噪声 本振信号在混频器中混频产生差分中频信号， 再经中频放大 后的中频模拟信号转换为数字信号输出至FPGA ；最终，FPGA 采集并处 后 波功率和反射波功率提供数据基础。

3.1 收发信号处理设计

收发信号处理模块是硬件平台的核心 包含信号发射子模块、信号接收子模块、时钟模块、射频开关模块、电源模块和 FPGA 模块。信号发 产生扫频信号。信号接收子模块则包含低噪声放大器（LN 时钟模块为信号发射、接收子模块及 FPGA 提供时钟信号。信号发射子模 号接收子模块负责接收射频信号。FPGA 模块采集并处理信号接收子模块输出的 波 反射波功率，最终获得反射系数S₁₁ 参数，实现故障定位。

收发信号处理模块包含信号发射子模块，发射子模块由信号源、滤波电路和射频放大电路构成、信号接收子模块包含低噪声放大器（LNA）、本振模块、混频电路、中频放大电路和 ADC、时钟模块、射频开关模块、电源模块以及FPGA 模块。

3.2 信号发射子模块设计

3.4 时钟方案设计

为规避对铁路漏缆正常工作的干扰，信号发射子模块设计用于发射 780MHz-820MHz 的高频扫频信号（频率间隔 50kHz，共 801 个扫频点）。该模块核心包括 PLL（锁相环）频率合成器、滤波电路和功率调节电路。功率调节电路由可变衰减器、射频功率放大器（AMP）、功率检测器和信号源控制模块组成闭环系统。工作流程如下：（1） 40MHz 晶振信号输入 PLL 频率合成器，产生 780MHz-820MHz 扫频信号；

（2） 经滤波电路滤除杂散后，信号进入可变衰减器进行衰减调节和射频放大器进行放大， （3） 以 精确控制输出信号功率。信号源控制模块通过调节可变衰减器，确保输出稳定在目标功率，满足不影响漏缆有用信号传输的设计指标要求。

本系统采用单一 40MHz 晶振作为时钟源以简化时钟分配， 其信号经时钟分配器生成四路同频（40MHz）时钟信号：两路分别作为发射端与接收端 频率合成器的外部 考时钟， 另两路则分别作为 FPGA 与 ADC 的参考时钟；这种同源设计不仅提升了发射信 号时钟质量， 更关键的是确保了 PLL 频率合成器与 ADC 采样时钟的同步性。

3.3 信号接受子模块设计

4 总结

本文设计的漏缆故障检测平台，采用先进的信号处理技术和时钟同步方案，有效解决了漏缆故障定位难题。本文所设计系统目前已经在地铁二号线进行使用，实际使用结果表明该设计可以将所有漏缆检测位置呈现在大屏幕上和实际故障完全一致，为地铁设备检测人员提供了便利。未来可进一步优化算法，拓展功能，以适应更复杂的铁路环境和更高精度的检测需求。

参考文献：

[1] 田伟 ， 安同平 . 用于电缆接头故障检测和预警的数据采集终端 [J]. 模具制造 ，2024，24（4）：234-236.

[2] 李营 . 高压电缆绝缘监测系统研究 [J]. 电力设备管理 ，2024（23）：174-176.

[3] 文水润 ， 马栋浩 ， 陈法伊 . 基于 NB-IoT 技术的电缆护层环流监测装置研究 [J]. 电子制作 ，2024，32（17）：118-120，77.

[4] 赵衍强 . 矿用电缆绝缘检测和预警系统研究 [J]. 电气防爆 ，2024（1）：36-39.

[5] 何茂炜 ， 杨洋 ， 李勇 ， 等 . 基于电力载波的煤矿井下低压漏电试验系统设计 [J]. 电子制作 ，2025，33（7）：81-84.

[6] 邱萍 ， 刘豪 . 悬索桥主缆的防腐系统施工要点分析 [J]. 交通世界 ，2024（25）：127-129.

[7] 蒋思炯 ， 许壮伟 ， 泮恒拓 ， 等 . 分布式光纤测温在蒸汽管路监测上的应用及滤波 [J]. 光学技术 ，2023，49（3）：324-328.

[8] 丁孝兵 ， 王礼江 ， 杨坤 . 基于移动激光扫描的隧道两期差异计算 [J]. 工程勘察 ，2023，51（5）：60-64.

[9] 王子烜 ， 张宇星 ， 吕俊事 ， 等 . 基于引导自适应协同的领域适应漏缆周界入侵算法 [J]. 数据通信 ，2025（1）：13-18.

[10] 罗正伟 ， 杜檬 ， 代燚 ， 等 . 基于光纤光栅传感的变电站电缆沟火灾监控系统 [J]. 电气技术与经济 ，2025（4）：211-214.

作者：彭啸虎，1986.07，性别：男，籍贯（ 省市） ：安徽省霍山县，民族：汉，职称：助理工程师，学历：硕士，研究方向：通信与信息系统