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(kāi)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?，F(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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)相位差計(jì)算得到光纖光程，然后通過(guò)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(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，調(diào)用開(kāi)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(yǔ)言編寫(xiě)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。