TDR

雷达探测技术的一种应用

TDR( Time domain reflectometry)，即时域反射技术，是雷达探测技术的一种应用。早期主要应用于通讯行业中，用来检测通信电缆的断点位置，因此又称为“电缆探测仪”。

简介

由于电缆中电磁波的传播为横电磁波，其传播的速度受导体周围的介质影响，因而许多研究者利用这一特性，开展了多方面的应用研究。沉积物中水合物饱和度主要由样品孔隙度和含水量确定。目前，测量沉积物含水量的方法主要有重量分析法、放射性法(如中子散射法、伽马射线法)、电阻法、探地雷达技术和时域反射技术(TDR)等。

这些方法各具有优缺点，适用于不同尺度的含水量测量研究。重量分析法可以精确测量沉积物样品的含水量，但其缺点是需要对沉积物进行取样、破坏，不适合于含水合物沉积物样品的含水量测量；放射性方法可以在原位精确测量沉积物的含水量，但需对具体的测试样品单独进行标定，而且需防范放射性对测试人员造成身体伤害；电阻法也需要对具体的测试样品进行标定，才能得到比较准确的测量值；探地雷达技术适用于大范围的水体分布原位调查，在小样品尺度的含水量测试中使用时域反射技术( Time Domain Reflectometry，TDR)具有无损探测、精度高、计算量小、灵活性大、方便实时实地测量以及能同时探测沉积物含水量和盐度等优点，因而受到人们更多的青睐。

在水合物实验中，利用TDR技术可以实时测试沉积物的含水量，反算出水合物的饱和度，达到实时测试饱和度的目的。

时域反射计

早在20世纪60年代就产生了时域反射（TDR）技术。该技术包括产生沿传输线传播的时间阶跃电压。用示波器检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗。

20世纪70年代了解到作为频率函数的网络反射系数的傅里叶变换就是作为时间函数的反射系数。可用网络分析仪在频域测量的数据计算和显示网络作为时间函数的网络阶跃和激冲响应。使在反射和传输中传统TDR能力增加了在频带有限网络进行测量的潜力。

在反射模式中网络分析仪测量作为频率函数的反射系数。可把该反射系数看成是入射电压和反射电压的传递函数。反变换将反射系数转换为时间函数（激冲响应）。可用该反射系数与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。在传输模式中。网络分析仪测量作为频率函数的二端口器件的传递函数。反变换将该传递函数转换为二端口器件的激冲响应。用该激冲响应与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。

说明

TDR测量沿导体的反射。为了测量这些反射，TDR会将入射信号传输到导体上并监听其反射。如果导体具有均匀的阻抗并且被正确端接，那么将没有反射，并且剩余的入射信号将通过终端在远端被吸收。相反，如果存在阻抗变化，则一些入射信号将被反射回源。TDR原则上类似于雷达。

反射

通常，反射将具有与入射信号相同的形状，但是它们的符号和幅度取决于阻抗水平的变化。如果阻抗有阶跃增加，那么反射将与入射信号具有相同的符号;如果阻抗逐步减小，则反射将具有相反的符号。反射的大小不仅取决于阻抗变化的量，还取决于导体的损耗。

反射在TDR的输出/输入处测量，并作为时间的函数显示或绘制。或者，可以根据电缆长度读取显示器，因为对于给定的传输介质，信号传播的速度几乎是恒定的。

由于其对阻抗变化的敏感性，TDR可用于验证电缆阻抗特性，接头和连接器位置以及相关的损耗，并估计电缆长度。

事件信号

TDR使用不同的事件信号。一些TDR沿导体传输脉冲;这些仪器的分辨率通常是脉冲的宽度。窄脉冲可以提供良好的分辨率，但它们具有在长电缆中衰减的高频信号分量。脉冲的形状通常是半周期正弦曲线。对于更长的电缆，使用更宽的脉冲宽度。

还使用快速上升时间步长。该仪器不是寻找完整脉冲的反射，而是关注上升沿，这可能非常快。20世纪70年代的技术TDR使用步长，上升时间为25 ps。

还有其他TDR通过相关技术传输复杂信号并检测反射。请参阅扩频时域反射计。

研究概述

Topp等首先应用TDR技术研究了土壤有效介电常数与土壤含水量的关系，证明介电常数与许多类型土壤的含水量具有很好的相关关系，并提出了估算含水量的计算公式。

Dalton等用同样的探头进行了土壤电导率的测量研究，并提出了TDR技术的电导率测量方法。

Nissen等用TDR技术对土壤电导率测试进行了系列研究，他们首先研究了采用双探针探头的空间灵敏度和样品体积的不平衡关系。之后，他们又进行了离子迁移的测量研究。通过研究发现，在电导率的测试中，小探头具有简单、便宜、稳定可靠的特点。

Wright等以应用时域反射仪进行了甲烷水合物形成与分解检测，并取得了满意的效果。他们利用时域反射仪可以测试介质的介电常数的特点，并通过介电常数与介质中的体积水含量有关，进行了一些甲烷水合物的理论研究。在实验中他们认为水合物形成后，其介电常数类似于冰的介电常数，冰的介电常数与水的介电常数明显不同，接近于空气的介电常数。许多研究者在冻土带的未冰冻水的研究中，就是利用冰和水的介电常数明显不同，来测量冻土带中未冻水的含水量， Wright等正是利用这种特性，进行了水合物模拟实验的测试在20世纪90年代，TDR技术在我国得到应用和研究。

龚元石等进行了农田土壤水分测定，研究了农作物的生长过程与土壤含水量关系，并估算了农田土壤水分的蒸散量。农田水分的空间变异性研究，经研究发现，TDR技术在农田土壤水分测量中，具有快速、精确、自动和连续的特点，为农业生产提供有力的依据。提出TDR技术最适于电导率较低的粗质、轻质的土壤，对于有机质和种粘土或盐碱土，要对探头进行改进或进行校正。

王绍令等应用时域反射仪对冻土带的水分布和随时间变化的监测。他们利用冰冻水和未冰冻水的介电常数明显不同的特点，进行了冻土带中未冰冻水含量的测量。根据在青藏高原多点不同时间和不同深度未冰冻水的分布变化，发现在不同的地区水的分布和水分迁移的模式也不同。在季节冰冻层的冻结过程中，水分布迁移的方向与土壤中热流方向相同，是自下向上迁移。在季节融化层的研究中，发现其水分的补给方式影响水分的迁移。

任图生等利用热脉冲一时域反射技术测定土壤水热动态和物理特性的研究，业渝光等将TDR技术应用于沉积物中水合物饱和度的实时测定，刁少波等利用热TDR技术测量多孔介质中水合物的热物理参数等项研究，均取得满意的结果。随着TDR技术的不断发展，其应用的领域也越来越广泛。

工作原理

TDR探测仪基本由以下几部分组成：发射机、接收机、发射接收系统、信号处理器和显示器。作为电缆探测仪使用时，直接与测试的电缆连接。

而在含水量、电导率和其他应用中，可根据测试的需要与特制的探头连接。基本工作原理见图1。

信号传输

当发射机发出的脉冲信号在均匀介质中传播时，它的传播速度是不变的，传播的速度V、距离L和发射波传播到反射点后反射波回到发射点所用时间tR的关系式如下：

V=2L/tR

TDR使用同轴电缆作为传输线。同轴电缆易于制造并且具有良好的屏蔽性。在同轴电缆中传送的波形有横电磁波(TEM)、横电波(TE)和横磁波(TM)，但是最常用的是横电磁波，其他的波形则需抑制。TDR所发射的电磁波为横电磁波。横电磁波在转播中只有横向的电场和横向的磁场，沿轴的方向既无电场，同轴电缆中的电场和磁场也无磁场。

图2显示了同轴电缆中电场和磁场的分布形式，是均匀和对称的。电磁波的传输也可以用双导线进行传输，但由于双导线传输中电磁波的衰减较大，因此长距离的传输一般不使用双导线。波导也是传输电磁波的理想导体，但是由于体积较大，波导的长度也需要和电磁波的波长匹配。因此，在大功率电磁波的传输中，利用波导传输电磁波。

此外利用扁平线也可以传输电磁波，实际上它是同轴电缆的一种变形，它不仅具有同轴电缆的屏蔽性，而且制作简易、成本较低。

探头结构

在进行含水量测试中，针对不同的测试，设计的探头结构也不同， Campbell和Hemovaara提出了七电极探头，用来测试土壤和液体的介电常数。

许多研究者还设计了很多结构的探头。Zegelin提出了双电极探头，用于测量土壤层的测试，多极电极测量介电常数时，可能因不同层的介电常数不同，而造成测试的值为混合值。而现今常用于土壤测试的探头结构为三电极探头。 Robinson和 Friedman提出了平板双电极，这样可以更有效地探测。 Wright等进行天然气水合物的研究中，使用的是同轴形探头。

我们在天然气水合物的研究中，根据实际情况采用非对称同轴形探头。不同结构探头的电场与磁场分布见图3，从图3中双电极探头的电场和磁场分布来看，磁场和电场的分布对称性最差，而同轴形探头的电场和磁场的对称性最好。当然在测试液体的介电常数时，同轴探头最佳。

但是在进行土壤的介电常数测量时，双电极探头最容易埋置，而同轴探头难以埋置。从有效性来看，平板双电极的探测效果要好于三电极探头，但是在测试土壤层介电常数的分辨率方面，三电极探头要优于平板电极。当然在测试中采用双平板电极间加一个圆棒的电极可能要比平板双电极探头优越。因为它还具有定的屏蔽作用，并且埋置和平板双电极探头相同。此外，新型的探头结构中还加入了加热装置和测温装置，用来探测土壤的热特性。

应用

时域反射计通常用于非常长的电缆线路的就地测试，其中挖掘或移除可能是千米长的电缆是不切实际的。它们对于通信线路的预防性维护是必不可少的，因为TDR可以检测接头和连接器腐蚀时的电阻，并且在它们导致灾难性故障之前很久就会降低绝缘层泄漏并吸收水分。使用TDR，可以将故障精确定位到厘米内。

TDR也是技术监督对策的非常有用的工具，它们有助于确定电线接头的存在和位置。当连接到电话线时，由于引入分接头或接头引起的线路阻抗的轻微变化将显示在TDR的屏幕上。

TDR设备也是现代高频印刷电路板故障分析中必不可少的工具，其信号走线可以模拟传输线。通过观察反射，可以检测球栅阵列器件的任何未焊接的引脚。也可以以类似的方式检测短路引脚。

TDR原理用于工业环境，在各种情况下，如集成电路封装测试到测量液位。在前者中，时域反射计用于隔离相同的故障站点。后者主要限于加工业。

在水平测量

在基于TDR的液位测量装置中，该装置产生沿薄波导（称为探针）传播的脉冲 - 通常是金属棒或钢缆。当该脉冲撞击待测介质的表面时，部分脉冲反射回波导。该装置通过测量发送脉冲和反射返回之间的时间差来确定液位。传感器可以输出分析的电平作为连续模拟信号或开关输出信号。在TDR技术中，脉冲速度主要受脉冲传播介质的介电常数的影响，介质的介电常数可以根据介质的水分含量和温度而变化很大。在许多情况下，可以毫无困难地纠正这种影响。在某些情况下，例如在沸腾和/或高温环境中，校正可能是困难的。特别地，确定泡沫（泡沫）高度和泡沫/沸腾介质中的塌陷液位可能非常困难。

用于水坝中的锚索

CEA技术公司（CEATI）的大坝安全兴趣小组是一个电力组织联盟，它已应用扩频时域反射计来识别混凝土坝锚索中的潜在故障。与其他测试方法相比，时域反射计的主要优点是这些测试的非破坏性方法。

用于地球和农业科学

TDR用于确定土壤和多孔介质中的水分含量。在过去的二十年中，已经在测量土壤，谷物，食物和沉积物中的水分方面取得了实质性进展。TDR成功的关键在于能够准确地确定材料的介电常数（介电常数），因为材料的介电常数与其含水量之间存在很强的关系，正如Hoekstra和Delaney的开创性工作所证明的那样。（1974）和Topp等人。（1980年）。最近有关该主题的评论和参考工作包括Topp和Reynolds（1998），Noborio（2001），Pettinellia等。（2002），Topp和Ferre（2002）和Robinson等。（2003年）。TDR方法是传输线技术，并且根据沿传输线传播的电磁波的传播时间确定表观介电常数（Ka），通常是嵌入土壤或沉积物中的两个或更多个平行金属杆。探头长度通常在10到30厘米之间，并通过同轴电缆连接到TDR。

在岩土工程中使用

时域反射计也被用于监测各种岩土工程设置中的斜坡运动，包括高速公路切割，铁路路基和露天矿（ Dowding &O'Connor，1984,2000a，2000b; Kane&Beck，1999）。在使用TDR的稳定性监测应用中，同轴电缆安装在穿过所关注区域的垂直钻孔中。沿着同轴电缆的任何点处的电阻抗随着导体之间的绝缘体的变形而变化。电缆周围有一个脆性灌浆，可将地球运动转化为突然的电缆变形，在变形迹线中显示为可探测的峰值。直到最近，该技术对小斜率运动相对不敏感，并且不能自动化，因为它依赖于人类检测反射迹线随时间的变化。Farrington和Sargand（2004）开发了一种简单的信号处理技术，使用数值导数从TDR数据中提取可靠的斜率运动指示，比传统解释更早。

TDR在岩土工程中的另一个应用是确定土壤含水量。这可以通过将TDR放置在不同的土壤层中并测量降水开始时间和TDR表明土壤含水量增加的时间来完成。TDR的深度（d）是已知因子，另一个是水滴到达该深度所花费的时间（t）;因此可以确定水渗透速度（v）。这是评估最佳管理实践（BMP）在减少雨水地表径流方面的有效性的好方法。

在半导体器件分析

时域反射计在半导体故障分析中用作半导体器件封装中缺陷定位的非破坏性方法。TDR为器件封装中的各个导电迹线提供电气特征，可用于确定开路和短路的位置。

在航空布线维护

时域反射计，特别是扩频时域反射计用于航空布线，用于预防性维护和故障定位。扩频时域反射计具有在数千英里的航空布线内精确定位故障位置的优势。此外，该技术值得考虑用于实时航空监测，因为扩频反射计可用于火线。

已经证明该方法可用于定位间歇性电气故障。

多载波时域反射计（MCTDR）也被认为是嵌入式EWIS诊断或故障排除工具的有前景的方法。这种智能技术基于多载波信号的注入（尊重EMC并且对电线无害），为布线系统中的电气缺陷（或具有电气后果的机械缺陷）的检测，定位和表征提供信息。可以非常快速地检测到硬故障（短路，开路）或间歇性缺陷，从而提高布线系统的可靠性并改善其维护。

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