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

引言
    光電測(cè)距儀和全站型電子速測(cè)儀(以下簡(jiǎn)稱全站儀)作為一種在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的計(jì)量?jī)x器，為保證精度和可靠性，必須對(duì)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(guó)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(cè)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(cè)距室內(nèi)校正的理想選擇，已有文獻(xiàn)對(duì)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(cè)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(duì)光纖光程進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)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(cè)光纖基線的實(shí)際光程，需要對(duì)光纖的光程長(zhǎng)度進(jìn)行精確測(cè)量。現(xiàn)有的光纖長(zhǎng)度測(cè)量方法有光時(shí)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(cè)量范圍較大、精度高，能夠很好地滿足光纖基線的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，用于光纖光程的測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)具有比全站儀更高的測(cè)量精度，從而對(duì)光纖基線的實(shí)際光程進(jìn)行標(biāo)定，以其標(biāo)定長(zhǎng)度與全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，完成全站儀的校正。

1 相位法測(cè)量的基本原理
    相位法激光測(cè)量技術(shù)利用光調(diào)制信號(hào)在發(fā)射端和接收端之間的相位差來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離量或長(zhǎng)度量的測(cè)量。
利用相位法測(cè)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(hào)，在光纖中傳輸后在B點(diǎn)輸出。設(shè)調(diào)制信號(hào)在A的相位為φ0，在B點(diǎn)的相位為φ1，那么通過檢測(cè)兩端之間的相位差△φ=φ1-φ0，可得到L值。

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

2 相位法測(cè)量的電路實(shí)現(xiàn)
2．1 電路實(shí)現(xiàn)方案
    利用相位法對(duì)光纖光程進(jìn)行測(cè)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(cè)量指令，通過USB接口發(fā)送到下位系統(tǒng)的FPGA中，F(xiàn)PGA對(duì)指令進(jìn)行解析，控制頻率信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生主振信號(hào)和本振信號(hào)。
    主振信號(hào)通過調(diào)制器對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制光在被測(cè)光纖中傳輸后由光電轉(zhuǎn)換器得到測(cè)量信號(hào)。原主振信號(hào)作為參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別和本振信號(hào)進(jìn)行混頻，然后經(jīng)信號(hào)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(cè)光纖的長(zhǎng)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(cè)量中，按照以上流程，依次產(chǎn)生兩組不同頻率的測(cè)量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光程的準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量計(jì)算。
    同時(shí)使用Verilog HDL語言編寫頻率信號(hào)控制模塊和鑒相模塊。前者用于對(duì)頻率信號(hào)產(chǎn)生電路進(jìn)行控制，后者對(duì)測(cè)量后的信號(hào)進(jìn)行相位差檢測(cè)。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]

2．2．2 頻率信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)
    頻率信號(hào)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(hào)和本振信號(hào)，分別用于光調(diào)制和混頻。此電路產(chǎn)生的信號(hào)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(dòng)小，以保證最終的測(cè)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(hào)產(chǎn)生。DDS的實(shí)現(xiàn)，使用芯片AD9951。AD9951是一個(gè)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(hào)和本振信號(hào)。FPGA通過該芯片的控制端口，對(duì)
其產(chǎn)生的信號(hào)頻率進(jìn)行控制。其控制時(shí)序如圖4所示。

    AD9951產(chǎn)生的頻率信號(hào)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(hào)放大。電路框圖如圖5所示。該電路產(chǎn)生的50MHz的正弦信號(hào)如圖6所示。

2．2．3 混頻鑒相電路
    由于測(cè)量信號(hào)頻率較高，直接對(duì)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(hào)和測(cè)量信號(hào)同時(shí)與本振信號(hào)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(hào)和混頻后低頻測(cè)量信號(hào)?；祛l降低了信號(hào)頻率，但保持相位差不變，便于鑒相操作。相位差的檢測(cè)使用自動(dòng)數(shù)字鑒相法。其原理如圖7所示。參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)通過過零比較，得到參考方波信號(hào)和測(cè)量方波信號(hào)。比較兩方波信號(hào)，得到兩者之間的相位差信號(hào)，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對(duì)相位差信號(hào)，然后使用高頻計(jì)數(shù)脈沖對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的周期為f，高頻計(jì)數(shù)脈沖的頻率為fc，一個(gè)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(duì)多個(gè)周期計(jì)數(shù)求平均。設(shè)N個(gè)周期的計(jì)數(shù)值為M‘，則△φ=2πM‘f／Nfc。

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    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(hào)與本振信號(hào)混頻及測(cè)量信號(hào)與本振信號(hào)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(hào)。然后通過基于MAX912的過零比較電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同相位差的方波信號(hào)，輸入到FPGA中進(jìn)行鑒相。在FPGA中，利用多周期自動(dòng)數(shù)字鑒相法，對(duì)相位差進(jìn)行檢測(cè)。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示。

3 測(cè)量結(jié)果
    在實(shí)際測(cè)量中，利用組合測(cè)尺頻率先后進(jìn)行兩次測(cè)量。第一次取主振信號(hào)頻率為52MHz，本振信號(hào)頻率為51．99MHz；第二次取主振信號(hào)頻率為51MHz，本振信號(hào)頻率為50．99MHz。對(duì)應(yīng)于混頻后信號(hào)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(duì)多段光纖進(jìn)行測(cè)量。兩次測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行分析比較，可得到測(cè)量值。被測(cè)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(cè)量結(jié)果如表1所示。

    由以上測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，對(duì)光纖光程的測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2mm。

4 結(jié)論
    本文在FPGA、直接數(shù)字頻率合成(DDS)、自動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，此測(cè)量系統(tǒng)在一定的量程范圍內(nèi)，對(duì)光纖光程的測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2mm。在此測(cè)量水平下，此測(cè)量系統(tǒng)可用于基于光纖的激光測(cè)距校正與檢定中，對(duì)其中的光纖基線進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，這為光電測(cè)距儀和全站儀的室內(nèi)檢定提供了一個(gè)可行的方案和參考。
    本文所論述的相位法測(cè)量的電路實(shí)現(xiàn)是一個(gè)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。