Brevet FR2926141A1 — publié le 20090710

PROCÉDÉ POUR L'AMÉLIORATION DE LA PRÉCISION DE DÉTECTION ET DE LOCALISATION DE DÉFAUTS PAR RÉFLECTOMÉTRIE DANS UN RÉSEAU ÉLECTRIQUE CÂBLÉ DOMAINE TECHNIQUE L'invention se situe dans le domaine de détection de défauts dans des câbles électriques et concerne plus spécifiquement un procédé de détection et de localisation de défauts par réflectométrie dans un réseau électrique câblé comportant les étapes suivantes . - injecter un signal de test dans un câble dudit réseau, - récupérer un signal réfléchi sur ledit 15 câble, - échantillonner ledit signal réfléchi à une fréquence Fe=1/Te. L'invention concerne également un dispositif adapté pour mettre en oeuvre le procédé selon 20 l'invention. Le procédé et le dispositif selon l'invention sont particulièrement adaptés pour détecter des défauts en temps réel dans un réseau câblé d'un système embarqué. 25 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'intégration croissante de dispositifs électroniques complexes pour effectuer des opérations de contrôle, de surveillance et de communication 30 intelligentes en temps réel, notamment dans des systèmes embarqués, a conduit à une forte augmentation de l'utilisation de réseaux électriques câblés, pour l'alimentation et le transfert de données. Cette évolution a entraîné une forte augmentation de la probabilité d'avoir un réseau électrique défectueux en raison des contraintes externes (mécaniques, température, humidité...) subies par les câbles d'alimentation et de transfert d'information et les connecteurs électriques. Ces contraintes sont souvent la cause d'une détérioration prématurée du réseau électrique. Ainsi, un réseau électrique peut être mis en panne à cause d'anomalies provenant d'un connecteur ou d'une liaison électrique en mauvais état. De nombreuses problématiques apparaissent actuellement faisant référence à des défaillances liées aux câbles et peuvent parfois être lourdes de conséquences (incendie, crash aérien, panne d'un véhicule.). Aussi, la capacité de pouvoir surveiller le bon état des liaisons électriques est un atout supplémentaire pour augmenter la fiabilité des réseaux électriques et particulièrement les réseaux électriques embarqués. Dans ce contexte, l'invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif performant, à faible coût, utilisant la réflectométrie pour surveiller l'état des câbles d'un réseau électrique en vue de la détection, la localisation et la caractérisation d'éventuels défauts avec une grande précision. La réflectométrie est une méthode basée sur le principe du radar qui consiste à injecter une onde dans un milieu et analyser l'onde réfléchie en utilisant les phénomènes de propagation des ondes dans les milieux physiques. Pour utiliser la réflectométrie dans l'analyse de l'état d'un câble électrique, il est nécessaire d'injecter dans ce câble des signaux dont la longueur d'onde est petite ou équivalente à la longueur du câble, ceci implique donc l'utilisation de signaux de haute fréquence ou large bande. La réflectométrie occupe essentiellement deux domaines d'analyse : la réflectométrie dans le domaine temporel ou TDR (pour Time Domain Reflectometry) et la réflectométrie dans le domaine fréquentiel ou FDR (pour Frequency Domain Reflectometry). Un problème technique provient du fait que la précision de la mesure de réflectométrie dépend de deux variables : la vitesse d'échantillonnage et la durée du signal injecté. Pour améliorer la précision de mesure, il convient d'augmenter la vitesse d'échantillonnage du système de mesure et de diminuer la durée du signal injecté. Pour un dispositif de diagnostic embarqué, l'augmentation de la vitesse d'échantillonnage peut être difficile et peut entraîner de lourdes contraintes (augmentation du coût, de la consommation, de la température, etc.). En effet la vitesse de fonctionnement de tels dispositifs est de l'ordre de la centaine de mégahertz. Or pour un câble coaxial, la précision du diagnostic évolue comme suit : 1m de précision à 100 MHz, 10cm de précision à 1 GHz, lcm de précision à 10 GHz, etc. Or, une précision de 1m, par exemple, n'est pas suffisante pour une application embarquée, par exemple dans le cas du diagnostic d'un câblage automobile. Donc une précision centimétrique entraîne de lourdes contraintes, difficiles à satisfaire dans le cas d'un réseau électrique embarqué. En outre, l'augmentation de la vitesse d'échantillonnage se heurte, d'une part, à un problème d'ordre économique dû au coût des composants permettant de numériser les signaux à hautes fréquences, à la complexité de mise en oeuvre de ces composants, et d'autre part, à un problème d'ordre technique, dû au fait que les câbles à surveiller possèdent en général une bande passante beaucoup plus basse que celle utilisée par le signal de diagnostic injecté. En effet, un câble de transport de signaux de haute tension est prévu pour transporter de l'énergie et n'est pas prévu à l'origine pour propager des signaux haute fréquence. Cela se traduit par une atténuation du signal de diagnostic, qui est d'autant plus grande qu'on diminue la durée du signal de diagnostic. Par ailleurs, il est difficile de détecter un défaut si le signal de diagnostic est trop atténué même si le dispositif de diagnostic présente une vitesse d'échantillonnage correcte. Un premier but de l'invention est d'améliorer la précision de la technique de détection et de localisation de défauts par réflectométrie sur un câble d'un réseau électrique. Un autre but de l'invention consiste à utiliser la technique de la réflectométrie pour la détection et la localisation de défauts dans un réseau électrique embarqué au moyen d'un dispositif comportant des convertisseurs analogiques-numériques courants, de faibles coût, fonctionnant à des fréquences de quelques dizaines Mégahertz à quelques centaines de Mégahertz, facilement contrôlables avec un FPGA (pour Field Programmable Gate Array). EXPOSÉ DE L'INVENTION Ces buts sont atteints au moyen d'un procédé de détection et de localisation de défauts par réflectométrie dans un réseau électrique câblé comportant les étapes suivantes : - injecter un signal de test dans un câble dudit réseau, - récupérer un signal réfléchi sur ledit câble, - échantillonner ledit signal réfléchi à une fréquence Fe=1/Te. Le procédé selon l'invention comporte en outre les étapes suivantes : -Renouveler N fois les étapes précédentes (injection, récupération, échantillonnage), N étant un nombre entier, les injections successives étant désynchronisées d'une durée ô et non synchrone avec la période d'échantillonnage Te, - pour chaque signal test injecté, récupérer n échantillons du signal réfléchi correspondant, n étant un nombre entier, -analyser les M=n*N échantillons récupérés 5 pour détecter et localiser un défaut dans le réseau électrique câblé. Dans le cas où ô est égal à Te/N, l'invention permet de simuler un échantillonnage à une fréquence N/Te et donc d'améliorer la précision de 10 localisation d'un facteur N. L'invention suppose que les signaux acquis sont stationnaires, ce qui est le cas général pour l'application envisagée. Dans un premier mode de mise en oeuvre, le 15 procédé selon l'invention comporte en outre une étape préalable à l'analyse des échantillons récupérés consistant à reconstituer un signal réfléchi à partir desdits M échantillons et à détecter et localiser un défaut dans le réseau électrique câblé à partir de 20 l'analyse du signal ainsi reconstitué. Dans un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la détection et la localisation d'un défaut dans le réseau électrique câblé sont effectuées par analyse en temps réel de 25 chaque échantillon récupéré et par un traitement des résultats des analyses successives. Selon une caractéristique supplémentaire du procédé de l'invention, le nombre N est choisi en fonction de la précision souhaitée de détection et de 30 localisation du défaut sur un câble électrique. Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé, le signal test est un signal rectangulaire. Dans ce mode de réalisation, le procédé selon l'invention comporte en outre une étape consistant à contrôler la durée dudit signal rectangulaire. Alternativement, ledit signal test est composé d'une suite de signaux rectangulaires. Lorsqu'un défaut est détecté sur un câble du réseau, la localisation du défaut sur ledit câble est déterminée en fonction de la durée séparant l'émission du signal test injecté dans ledit câble et la récupération du signal réfléchi sur ledit câble. Selon une autre caractéristique de l'invention, les échantillons récupérés sont comparés à un seuil adaptatif défini en fonction du signal de test injecté dans le câble testé. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif comportant: - un module d'émission destiné à injecter un signal de test dans un câble dudit réseau un nombre N de fois, N étant un nombre entier, chaque émission étant désynchronisée de la précédente d'un temps ô, - un module de réception destiné à récupérer un signal réfléchi pour chaque signal de test injecté, ledit module de réception comportant des moyens pour échantillonner chaque signal réfléchi à une fréquence Fe=1/Te et stocker les valeurs acquises, - un module de contrôle destiné à analyser les M=n*N échantillons obtenus comportant des moyens pour synchroniser le module d'émission et le module de réception. Selon l'invention, ledit module de contrôle comporte un module de synchronisation pour générer une horloge d'émission désynchronisée par rapport à la fréquence d'échantillonnage du signal réfléchi. Préférentiellement, ledit module de synchronisation est constitué par un circuit PLL. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente un schéma de principe comportant un réseau câblé et un dispositif mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, -la figure 2 représente un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention selon un 20 premier mode de réalisation, - la figure 3 représente schématiquement un module de contrôle intégré au dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement un module de 25 synchronisation intégré au module de contrôle de la figure 3. - la figure 5 illustre le principe de sur- échantillonnage selon le procédé de l'invention, - la figure 6 représente un organigramme illustrant un 30 premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 7 représente un organigramme illustrant un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 représente un dispositif 2 de détection et de localisation de défauts par réflectométrie, connecté à l'entrée d'un réseau électrique câblé 4 ayant une impédance caractéristique Zc, tel que par exemple un réseau de transports d'énergie, un réseau électrique de contrôle de processus industriel, un réseau câblé de communication, ou encore un réseau électrique câblé embarqué équipant un véhicule mobile (avion, train voiture...). Comme on peut le voir à la figure 2, le dispositif 2, comporte un module d'émission 6 destiné à injecter des signaux de test dans le réseau 4, un module de réception 8 destiné à récupérer un signal réfléchi pour chaque signal de test injecté comportant des moyens pour échantillonner chaque signal réfléchi à une fréquence Fe=1/Te, un module de contrôle 10 destiné à analyser les échantillons des signaux réfléchis. Comme on peut le voir à la figure 3, le module de contrôle 10 comporte un module de synchronisation 12 destiné à générer un signal d'horloge d'émission 14 et un signal d'horloge de réception 16 et un module d'analyse recevant les signaux réfléchis 18. Dans un mode préféré de réalisation 30 illustré schématiquement par la figure 4, le module de synchronisation 12 est constitué par un circuit PLL 20 qui génère de façon connue en soi le signal d'horloge d'émission 14 et le signal d'horloge de réception 16 à partir du signal d'horloge de fonctionnement 22 du dispositif de détection de défauts. En fonctionnement, le module d'émission 2 injecte un signal de test dans le réseau électrique 4, N fois successives, N étant un nombre entier, les injections successives étant désynchronisées d'une durée ô très courte devant Te (pouvant être de l'ordre de quelques centaines de picosecondes). Chaque signal réfléchi par le réseau électrique 4 est échantillonné à une fréquence Fe=1/Te, Te étant la période d'échantillonnage, de manière à récupérer, pour chaque signal réfléchi, n échantillons, n étant un nombre entier. Soit s (t) le signal réfléchit, Se(k) le signal échantillonné et Te la période d'échantillonnage. On a alors : Se(k) = E s (k * Te) k=0 L'invention tire avantage du fait que si l'on réinjecte le signal de test e(t) dans le réseau électrique, alors le signal réfléchi s2(t) correspondant au deuxième signal de test injecté est tel que s2(t)=s(t) (hypothèse de stationnarité du réseau). Si on introduit un décalage temporel 82 11 k=0 Si on reproduit N fois cette opération en 2926141 T prenant bi = i * Te , Vi e [0;n û 1] on obtient N Nù1 : sei(k) _ i=0 k= + s 1 ( k * Te) + ... + sNù1(k * Te) oo = s (k * Te + k=0 + s(k * Te + ô1) + . + s (k * Te 5 = : s (k * Te + 0 * e) + s (k * Te + 1 * e) + ... + s (k * Te + (N ù 1) * ) k=0 N N N oo Te = s (k * e ) k=0 N Ainsi, comme cela est illustré par la figure 5, en combinant les échantillons de chaque signal réfléchi, on obtient une pseudo-période 10 d'échantillonnage de Te/N tout en conservant une période d'échantillonnage Te pour chaque signal réfléchi récupéré. Sur cette figure 5, le signal test est un signal rectangulaire injecté N fois successives sur un 15 câble du réseau électrique 4. Le signal réfléchi s(t) est échantillonné à une fréquence Fe=l/Te de manière à récupérer n échantillons sel(k), i= 0 à n-1. Le signal d'horloge d'émission 14 est représenté par les N créneaux 30. Les n*N échantillons se1(k) sont soit 20 combinés pour reconstituer un signal réfléchi sur-échantillonné reflétant la courbe de diagnostic représentant le câble du réseau avec plus de précision, soit analysés individuellement avant la reconstitution du signal réfléchi de manière a obtenir une représentation de ladite courbe de diagnostic par une analyse statistique des échantillons successifs. Ainsi, pour chaque signal test, le module de réception 8 récupère n*N échantillons à partir de convertisseurs fonctionnant à quelques centaines de MHz voire quelques MHz ou même quelques Hz. La précision des mesures ne dépend plus des convertisseurs. Plus généralement, le module de synchronisation 12 contrôle le signal d'horloge de l'émission 14 et la fréquence d'échantillonnage des signaux réfléchis 16 de sorte que les N injections successives du signal de test ne soient pas synchrones avec la période d'échantillonnage Te. Avantageusement, lorsque le signal test est rectangulaire, le module de contrôle 10 contrôle la largeur de ce signal de manière à réduire l'affaiblissement du signal réfléchi. Ceci permet de tenir compte des caractéristiques physiques des câbles électriques testés. Dans un premier mode de réalisation illustré par la figure 6, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes : injecter (étape 30) un signal de test e(t) dans un câble du réseau électrique 4, échantillonner (étape 32) le signal réfléchi à une fréquence Fe=l/Te, compter le nombre d'échantillons obtenus pour le signal réfléchi et comparer (étape 34) le nombre d'échantillons obtenus à un nombre n prédéfini en fonction de la longueur du câble ou du réseau à diagnostiquer, répéter (flèche 36) N fois les étapes 30, 32 et 34 en décalant l'horloge d'émission 14 d'une durée ô, reconstituer (étape 38) le signal réfléchi à partir des n*N échantillons obtenus, analyser (étape 40) le signal réfléchi pour détecter un défaut. Notons que l'étape d'analyse 40 peut être réalisée au moyen d'un algorithme de traitement de signal sans sortir du cadre de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les M=n*N échantillons obtenus sont d'abord mémorisés, puis utilisés pour reconstituer le signal réfléchi qui sera ensuite analysé en différé. La figure 7 illustre un deuxième mode de réalisation dans lequel l'étape d'analyse 40 est réalisée parallèlement à l'étape d'échantillonnage 32. Dans ce cas le signal n'est pas reconstitué, afin d'obtenir rapidement le résultat de la localisation du défaut. Dans l'exemple de réalisation du module de synchronisation illustré par la figure 4 le circuit PLL utilisé est disponible dans un FPGA et permet de générer un décalage temporel minimal entre le signal d'émission et le signal d'horloge de réception dont la valeur est donnée par l'expression 5min 1 8. Où fV00 représente la fréquence du VCO (pour Voltage 30 Controlled Oscilator). Cette fréquence peut atteindre 1000 MHz pour une fréquence d'entrée de 100 MHz. Il en résulte un décalage temporel minimal jr, bor= 125ps, ce qui équivaut à une fréquence de sur-échantillonnage de 8 GHz. Cependant, la désynchronisation peut être réalisée à partir de n'importe quel système permettant de contrôler un décalage temporel entre deux signaux, tel que par exemple un circuit DLL pour (Delay Locked Loop) sans sortir du cadre de l'invention. Notons que le procédé selon l'invention peut être réalisé en fixant le signal de l'horloge de réception et en décalant le signal de l'horloge d'émission par rapport au signal d'échantillonnage ou en fixant le signal de l'horloge d'émission et en décalant le signal de l'horloge de réception par rapport au signal d'échantillonnage sans sortir du cadre de l'invention. Notons également que pour détecter les pics résultant de l'échantillonnage, le dispositif et le procédé selon l'invention, traitant le signal échantillonné, utilisent un seuil adaptatif qui est recalculé pour chaque diagnostic en fonction des signaux d'entrée. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection et de localisation de défauts par réflectométrie dans un réseau électrique câblé comportant les étapes suivantes - injecter un signal de test dans un câble dudit réseau, - récupérer un signal réfléchi sur ledit câble, - échantillonner ledit signal réfléchi à une fréquence Fe=l/Te, procédé caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : - renouveler N fois les étapes précédentes, N étant un nombre entier, les injections successives étant désynchronisées d'une durée ô et non synchrone avec la période d'échantillonnage Te, - pour chaque signal test injecté, récupérer n échantillons du signal réfléchi correspondant, n étant un nombre entier, - analyser les M=n*N échantillons récupérés pour détecter et localiser un défaut dans le réseau électrique câblé. 2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre une étape préalable à l'analyse des échantillons récupérés consistant à reconstituer un signal réfléchi à partir desdits M échantillons et à détecter et localiser un défaut dans le réseau électrique câblé à partir de l'analyse du signal ainsi reconstitué. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détection et la localisation d'un défaut dans le réseau électrique câblé sont effectuées par analyse en temps réel de chaque échantillon récupéré et par traitement des résultats des analyses successives. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le nombre N est choisi en fonction de 10 la précision de détection et de localisation souhaitée. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit signal test est un signal rectangulaire. 15 6. Procédé selon la revendication 5, comportant en outre une étape consistant à contrôler la durée dudit signal rectangulaire. 7. Procédé selon la revendication 1, dans 20 lequel ledit signal test est composé d'une suite de signaux rectangulaires. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsqu'un défaut est détecté sur un câble du 25 réseau, la localisation du défaut sur ledit câble est déterminée en fonction de la durée séparant l'émission du signal test injecté dans ledit câble et la récupération du signal réfléchi sur ledit câble. 30 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les échantillons récupéréssont comparés à un seuil adaptatif défini en fonction du signal de test injecté dans le câble testé. 10. Dispositif de détection et de localisation de défauts par réflectométrie dans un réseau électrique câblé, caractérisé en ce qu'il comporte : - un module d'émission destiné à injecter un signal de test dans un câble dudit réseau un nombre N de fois, N étant un nombre entier, chaque émission étant désynchronisée de la précédente d'un temps ô, - un module de réception destiné à récupérer un signal réfléchi pour chaque signal de test injecté, ledit module de réception comportant des moyens pour échantillonner chaque signal réfléchi à une fréquence Fe=l/Te, - un module de contrôle destiné à analyser les M=n*N échantillons obtenus comportant des moyens pour synchroniser le module d'émission et le module de réception. 11. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ledit module de contrôle comporte un module de synchronisation destiné à générer une horloge d'émission et une horloge de réception dans lequel la fréquence de l'horloge d'émission est désynchronisée par rapport à la fréquence d'échantillonnage du signal réfléchi.18 12. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel ledit module de synchronisation est un circuit PLL.