引言
光電測距儀和全站型電子速測儀(以下簡稱全站儀)作為一種在多領域廣泛應用的計量儀器,,為保證精度和可靠性,必須對誤差進行定期檢定和校正,。目前這種檢定多在室外標準基線上采用多段基線組合比較法進行,。但這種方法成本大,維護困難,,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,,已有文獻對其可行性進行了分析,。基于此,,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行測量,,其測量結果和光纖實際光程進行比較,從而達到檢定和校正的目的,。
為了得到被測光纖基線的實際光程,,需要對光纖的光程長度進行精確測量。現(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,設計和實現(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際光程進行標定,,以其標定長度與全站儀測量結果進行比較,,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現(xiàn)對被測目標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點輸出,。設調(diào)制信號在A的相位為φ0,,在B點的相位為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)制信號可認為是相位法測量的度量標尺,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性,,使用一把測尺不能實現(xiàn)長度的準確測量,。因而使用一組(兩個或以上)測尺一起對三進行測量,,可同時保證測量的精度和范圍,,得到準確測量值。
2 相位法測量的電路實現(xiàn)
2.1 電路實現(xiàn)方案
利用相位法對光纖光程進行測量的電路框圖如圖2所示,。
在該系統(tǒng)中,,上位機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行混頻,然后經(jīng)信號整形后送入FPGA進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通過相位差計算得到光纖光程,然后通過USB接口發(fā)送到上位機PC,,顯示給用戶,。實際測量中,按照以上流程,,依次產(chǎn)生兩組不同頻率的測量信號,,實現(xiàn)對光纖光程的準確測量。
2.2 系統(tǒng)關鍵技術的實現(xiàn)
2.2.1 FPGA單元的實現(xiàn)
FPGA單元使用Altcra DE2開發(fā)板實現(xiàn),,構建SOPC系統(tǒng),,調(diào)用開發(fā)板中USB組件實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)交互,利用NIOS II處理器進行信息處理,、指令解析和測量計算,。
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)生電路進行控制,后者對測量后的信號進行相位差檢測,。其實現(xiàn)框圖如圖3所示,。
2.2.2 頻率信號產(chǎn)生電路的實現(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)技術進行信號產(chǎn)生,。DDS的實現(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行濾波,,然后使用運算放大器AD8007進行信號放大。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,直接對其進行鑒相難以達到良好的鑒相精度,,因而在系統(tǒng)中采用混頻的方法進行差頻鑒相,。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?;祛l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,然后使用高頻計數(shù)脈沖對相位差信號,,然后使用高頻計數(shù)脈沖對相位差信號進行計數(shù),。設參考信號和測量信號的周期為f,高頻計數(shù)脈沖的頻率為fc,,一個周期內(nèi)的計數(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,,可以對多個周期計數(shù)求平均。設N個周期的計數(shù)值為M',,則△φ=2πM'f/Nfc,。
混頻電路的實現(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,?;祛l后使用芯片MAX274進行帶通濾波,,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中進行鑒相,。在FPGA中,利用多周期自動數(shù)字鑒相法,,對相位差進行檢測,。其實現(xiàn)框圖如圖8所示。
3 測量結果
在實際測量中,,利用組合測尺頻率先后進行兩次測量,。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。對應于混頻后信號頻率為10kHz,。FPGA中鑒相高速計數(shù)脈沖頻率為50MHz,。基于以上參數(shù),,對多段光纖進行測量,。兩次測量的結果進行分析比較,可得到測量值。被測光纖的實際光程已由精密反射儀通過光學方法進行標定,。測量結果如表1所示,。
由以上測量結果可以看到,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)字鑒相等技術的基礎上,設計并實現(xiàn)了基于相位法的電路測量系統(tǒng),。實際測量結果表明,,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行測量和標定,,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現(xiàn)是一個初步方案,在電路設計,、系統(tǒng)優(yōu)化和誤差分析等方面還需要做進一步的改進,,以提高系統(tǒng)性能。