相位式光纖測量電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言
    光電測距儀和全站型電子速測儀(以下簡稱全站儀)作為一種在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的計(jì)量儀器，為保證精度和可靠性，必須對誤差進(jìn)行定期檢定和校正。目前這種檢定多在室外標(biāo)準(zhǔn)基線上采用多段基線組合比較法進(jìn)行。但這種方法成本大，維護(hù)困難，且易受環(huán)境因素的影響，因而國內(nèi)外一直致力于建立室內(nèi)檢定裝置，以取代室外基線，完成測距儀的檢定和校正。
    光纖作為一種光傳輸介質(zhì)，以其良好的導(dǎo)光性和伸展性，成為激光測距室內(nèi)校正的理想選擇，已有文獻(xiàn)對其可行性進(jìn)行了分析?；诖?，我們研制開發(fā)了基于光纖的激光測距校正系統(tǒng)。在該校正系統(tǒng)中，利用光纖模擬室外基線，使用全站儀對光纖光程進(jìn)行測量，其測量結(jié)果和光纖實(shí)際光程進(jìn)行比較，從而達(dá)到檢定和校正的目的。
    為了得到被測光纖基線的實(shí)際光程，需要對光纖的光程長度進(jìn)行精確測量?，F(xiàn)有的光纖長度測量方法有光時域反射(OTDR)、光頻域反射(OFDR)、干涉法、脈沖法，相位法等。其中相位法測量范圍較大、精度高，能夠很好地滿足光纖基線的測量要求。因而，我們利用FPGA、直接數(shù)字合成(DDS)、數(shù)字鑒相等技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于相位法的電路測量系統(tǒng)，用于光纖光程的測量。該測量系統(tǒng)具有比全站儀更高的測量精度，從而對光纖基線的實(shí)際光程進(jìn)行標(biāo)定，以其標(biāo)定長度與全站儀測量結(jié)果進(jìn)行比較，完成全站儀的校正。

1 相位法測量的基本原理
    相位法激光測量技術(shù)利用光調(diào)制信號在發(fā)射端和接收端之間的相位差來實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)距離量或長度量的測量。
利用相位法測量光纖光程如圖1所示，一段光程為的光纖，其輸入輸出端分別為A、B，在A端輸入經(jīng)調(diào)制的光信號，在光纖中傳輸后在B點(diǎn)輸出。設(shè)調(diào)制信號在A的相位為φ0，在B點(diǎn)的相位為φ1，那么通過檢測兩端之間的相位差△φ=φ1-φ0，可得到L值。

    設(shè)光調(diào)制信號的頻率為f，光速為v，則信號波長λ=v/f，那么。
    調(diào)制信號可認(rèn)為是相位法測量的度量標(biāo)尺，稱之為“測尺”。測尺頻率越大，測量精度越高。由于測尺信號的周期重復(fù)性，使用一把測尺不能實(shí)現(xiàn)長度的準(zhǔn)確測量。因而使用一組(兩個或以上)測尺一起對三進(jìn)行測量，可同時保證測量的精度和范圍，得到準(zhǔn)確測量值。

2 相位法測量的電路實(shí)現(xiàn)
2．1 電路實(shí)現(xiàn)方案
    利用相位法對光纖光程進(jìn)行測量的電路框圖如圖2所示。

    在該系統(tǒng)中，上位機(jī)PC接收用戶的測量指令，通過USB接口發(fā)送到下位系統(tǒng)的FPGA中，F(xiàn)PGA對指令進(jìn)行解析，控制頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生主振信號和本振信號。
    主振信號通過調(diào)制器對光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制光在被測光纖中傳輸后由光電轉(zhuǎn)換器得到測量信號。原主振信號作為參考信號與測量信號分別和本振信號進(jìn)行混頻，然后經(jīng)信號整形后送入FPGA進(jìn)行鑒相得到兩者相位差，該相位差包含了被測光纖的長度信息。FPGA通過相位差計(jì)算得到光纖光程，然后通過USB接口發(fā)送到上位機(jī)PC，顯示給用戶。實(shí)際測量中，按照以上流程，依次產(chǎn)生兩組不同頻率的測量信號，實(shí)現(xiàn)對光纖光程的準(zhǔn)確測量。
2．2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
2．2．1 FPGA單元的實(shí)現(xiàn)
    FPGA單元使用Altcra DE2開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，調(diào)用開發(fā)板中USB組件實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，利用NIOS II處理器進(jìn)行信息處理、指令解析和測量計(jì)算。
    同時使用Verilog HDL語言編寫頻率信號控制模塊和鑒相模塊。前者用于對頻率信號產(chǎn)生電路進(jìn)行控制，后者對測量后的信號進(jìn)行相位差檢測。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

2．2．2 頻率信號產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)
    頻率信號產(chǎn)生電路在FPGA中頻率控制模塊的控制下，產(chǎn)生高精度正弦主振信號和本振信號，分別用于光調(diào)制和混頻。此電路產(chǎn)生的信號要求頻率可調(diào)，且具有高的頻率穩(wěn)定性和低的相位噪聲，相位抖動小，以保證最終的測量精度。
    在本系統(tǒng)中，我們基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行信號產(chǎn)生。DDS的實(shí)現(xiàn)，使用芯片AD9951。AD9951是一個可控的頻率合成芯片，具有32位頻率轉(zhuǎn)換字，最大合成頻率為160MHz。系統(tǒng)中采用兩塊AD9951，分別產(chǎn)生主振信號和本振信號。FPGA通過該芯片的控制端口，對
其產(chǎn)生的信號頻率進(jìn)行控制。其控制時序如圖4所示。

    AD9951產(chǎn)生的頻率信號具有一定的雜散，系統(tǒng)中使用七階橢圓低通濾波器進(jìn)行濾波，然后使用運(yùn)算放大器AD8007進(jìn)行信號放大。電路框圖如圖5所示。該電路產(chǎn)生的50MHz的正弦信號如圖6所示。

2．2．3 混頻鑒相電路
    由于測量信號頻率較高，直接對其進(jìn)行鑒相難以達(dá)到良好的鑒相精度，因而在系統(tǒng)中采用混頻的方法進(jìn)行差頻鑒相。在差頻鑒相中，參考信號和測量信號同時與本振信號進(jìn)行混頻，濾除混頻后高頻分量，得到混頻后低頻參考信號和混頻后低頻測量信號。混頻降低了信號頻率，但保持相位差不變，便于鑒相操作。相位差的檢測使用自動數(shù)字鑒相法。其原理如圖7所示。參考信號和測量信號通過過零比較，得到參考方波信號和測量方波信號。比較兩方波信號，得到兩者之間的相位差信號，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對相位差信號，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對相位差信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)參考信號和測量信號的周期為f，高頻計(jì)數(shù)脈沖的頻率為fc，一個周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值為M，則相位差為：△φ=2πMf ／fc。為了減小偶然誤差，提高鑒相精度，可以對多個周期計(jì)數(shù)求平均。設(shè)N個周期的計(jì)數(shù)值為M'，則△φ=2πM'f／Nfc。

    混頻電路的實(shí)現(xiàn)基于混頻器AD831。使用兩片AD831，分別用于參考信號與本振信號混頻及測量信號與本振信號混頻。混頻后使用芯片MAX274進(jìn)行帶通濾波，得到混頻后的低頻正弦信號。然后通過基于MAX912的過零比較電路將正弦信號轉(zhuǎn)換為同相位差的方波信號，輸入到FPGA中進(jìn)行鑒相。在FPGA中，利用多周期自動數(shù)字鑒相法，對相位差進(jìn)行檢測。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示。

3 測量結(jié)果
    在實(shí)際測量中，利用組合測尺頻率先后進(jìn)行兩次測量。第一次取主振信號頻率為52MHz，本振信號頻率為51．99MHz；第二次取主振信號頻率為51MHz，本振信號頻率為50．99MHz。對應(yīng)于混頻后信號頻率為10kHz。FPGA中鑒相高速計(jì)數(shù)脈沖頻率為50MHz?；谝陨蠀?shù)，對多段光纖進(jìn)行測量。兩次測量的結(jié)果進(jìn)行分析比較，可得到測量值。被測光纖的實(shí)際光程已由精密反射儀通過光學(xué)方法進(jìn)行標(biāo)定。測量結(jié)果如表1所示。

    由以上測量結(jié)果可以看到，在一定的量程范圍內(nèi)，基于相位法的測量系統(tǒng)，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。

4 結(jié)論
    本文在FPGA、直接數(shù)字頻率合成(DDS)、自動數(shù)字鑒相等技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于相位法的電路測量系統(tǒng)。實(shí)際測量結(jié)果表明，此測量系統(tǒng)在一定的量程范圍內(nèi)，對光纖光程的測量誤差絕對值小于2mm。在此測量水平下，此測量系統(tǒng)可用于基于光纖的激光測距校正與檢定中，對其中的光纖基線進(jìn)行測量和標(biāo)定，這為光電測距儀和全站儀的室內(nèi)檢定提供了一個可行的方案和參考。
    本文所論述的相位法測量的電路實(shí)現(xiàn)是一個初步方案，在電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化和誤差分析等方面還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，以提高系統(tǒng)性能。