相位式光纖測量電路系統的設計與實(shí)現

引言
光電測距儀和全站型電子速測儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)全站儀)作為一種在多領(lǐng)域廣泛應用的計量?jì)x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準基線(xiàn)上采用多段基線(xiàn)組合比較法進(jìn)行。但這種方法成本大，維護困難，且易受環(huán)境因素的影響，因而國內外一直致力于建立室內檢定裝置，以取代室外基線(xiàn)，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，成為激光測距室內校正的理想選擇，已有文獻對其可行性進(jìn)行了分析?；诖?，我們研制開(kāi)發(fā)了基于光纖的激光測距校正系統。在該校正系統中，利用光纖模擬室外基線(xiàn)，使用全站儀對光纖光程進(jìn)行測量，其測量結果和光纖實(shí)際光程進(jìn)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(xiàn)的實(shí)際光程，需要對光纖的光程長(cháng)度進(jìn)行精確測量?，F有的光纖長(cháng)度測量方法有光時(shí)域反射(OTDR)、光頻域反射(OFDR)、干涉法、脈沖法，相位法等。其中相位法測量范圍較大、精度高，能夠很好地滿(mǎn)足光纖基線(xiàn)的測量要求。因而，我們利用FPGA、直接數字合成(DDS)、數字鑒相等技術(shù)，設計和實(shí)現了基于相位法的電路測量系統，用于光纖光程的測量。該測量系統具有比全站儀更高的測量精度，從而對光纖基線(xiàn)的實(shí)際光程進(jìn)行標定，以其標定長(cháng)度與全站儀測量結果進(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)利用光調制信號在發(fā)射端和接收端之間的相位差來(lái)實(shí)現對被測目標距離量或長(cháng)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(yíng)端輸入經(jīng)調制的光信號，在光纖中傳輸后在B點(diǎn)輸出。設調制信號在A(yíng)的相位為φ0，在B點(diǎn)的相位為φ1，那么通過(guò)檢測兩端之間的相位差△φ=φ1-φ0，可得到L值。

設光調制信號的頻率為f，光速為v，則信號波長(cháng)λ=v/f，那么。
調制信號可認為是相位法測量的度量標尺，稱(chēng)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(shí)現長(cháng)度的準確測量。因而使用一組(兩個(gè)或以上)測尺一起對三進(jìn)行測量，可同時(shí)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(shí)現
2．1 電路實(shí)現方案
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。

在該系統中，上位機PC接收用戶(hù)的測量指令，通過(guò)USB接口發(fā)送到下位系統的FPGA中，FPGA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(guò)調制器對光源發(fā)出的光進(jìn)行調制，調制光在被測光纖中傳輸后由光電轉換器得到測量信號。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(cháng)度信息。FPGA通過(guò)相位差計算得到光纖光程，然后通過(guò)USB接口發(fā)送到上位機PC，顯示給用戶(hù)。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)現對光纖光程的準確測量。
2．2 系統關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現
2．2．1 FPGA單元的實(shí)現
FPGA單元使用Altcra DE2開(kāi)發(fā)板實(shí)現，構建SOPC系統，調用開(kāi)發(fā)板中USB組件實(shí)現與上位機的數據交互，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(shí)使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)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)現框圖如圖3所示。