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,。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(jìn)行測量,，其測量結(jié)果和光纖實際光程進(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(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點輸出。設(shè)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(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現(xiàn)

2．1 電路實現(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(zhǔn)確測量,。

2．2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(gòu)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(jìn)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(jìn)行控制，后者對測量后的信號進(jìn)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(shù)進(jìn)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(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(jìn)行計數(shù),。設(shè)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(shè)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(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。其實現(xiàn)框圖如圖8所示,。

3 測量結(jié)果

在實際測量中，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)計并實現(xiàn)了基于相位法的電路測量系統(tǒng)。實際測量結(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現(xiàn)是一個初步方案,，在電路設(shè)計、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,。