相位式光纤测量电路系统的设计与实现

引言
    光电测距仪和全站型电子速测仪(以下简称全站仪)作为一种在多领域广泛应用的计量仪器，为保证精度和可靠性，必须对误差进行定期检定和校正。目前这种检定多在室外标准基线上采用多段基线组合比较法进行。但这种方法成本大，维护困难，且易受环境因素的影响，因而国内外一直致力于建立室内检定装置，以取代室外基线，完成测距仪的检定和校正。
    光纤作为一种光传输介质，以其良好的导光性和伸展性，成为激光测距室内校正的理想选择，已有文献对其可行性进行了分析。基于此，我们研制开发了基于光纤的激光测距校正系统。在该校正系统中，利用光纤模拟室外基线，使用全站仪对光纤光程进行测量，其测量结果和光纤实际光程进行比较，从而达到检定和校正的目的。
    为了得到被测光纤基线的实际光程，需要对光纤的光程长度进行精确测量。现有的光纤长度测量方法有光时域反射(OTDR)、光频域反射(OFDR)、干涉法、脉冲法，相位法等。其中相位法测量范围较大、精度高，能够很好地满足光纤基线的测量要求。因而，我们利用FPGA、直接数字合成(DDS)、数字鉴相等技术，设计和实现了基于相位法的电路测量系统，用于光纤光程的测量。该测量系统具有比全站仪更高的测量精度，从而对光纤基线的实际光程进行标定，以其标定长度与全站仪测量结果进行比较，完成全站仪的校正。

1 相位法测量的基本原理
    相位法激光测量技术利用光调制信号在发射端和接收端之间的相位差来实现对被测目标距离量或长度量的测量。
利用相位法测量光纤光程如图1所示，一段光程为的光纤，其输入输出端分别为A、B，在A端输入经调制的光信号，在光纤中传输后在B点输出。设调制信号在A的相位为φ0，在B点的相位为φ1，那么通过检测两端之间的相位差△φ=φ1-φ0，可得到L值。

    设光调制信号的频率为f，光速为v，则信号波长λ=v/f，那么。
    调制信号可认为是相位法测量的度量标尺，称之为“测尺”。测尺频率越大，测量精度越高。由于测尺信号的周期重复性，使用一把测尺不能实现长度的准确测量。因而使用一组(两个或以上)测尺一起对三进行测量，可同时保证测量的精度和范围，得到准确测量值。

2 相位法测量的电路实现
2．1 电路实现方案
    利用相位法对光纤光程进行测量的电路框图如图2所示。

    在该系统中，上位机PC接收用户的测量指令，通过USB接口发送到下位系统的FPGA中，FPGA对指令进行解析，控制频率信号产生电路产生主振信号和本振信号。
    主振信号通过调制器对光源发出的光进行调制，调制光在被测光纤中传输后由光电转换器得到测量信号。原主振信号作为参考信号与测量信号分别和本振信号进行混频，然后经信号整形后送入FPGA进行鉴相得到两者相位差，该相位差包含了被测光纤的长度信息。FPGA通过相位差计算得到光纤光程，然后通过USB接口发送到上位机PC，显示给用户。实际测量中，按照以上流程，依次产生两组不同频率的测量信号，实现对光纤光程的准确测量。
2．2 系统关键技术的实现
2．2．1 FPGA单元的实现
    FPGA单元使用Altcra DE2开发板实现，构建SOPC系统，调用开发板中USB组件实现与上位机的数据交互，利用NIOS II处理器进行信息处理、指令解析和测量计算。
    同时使用Verilog HDL语言编写频率信号控制模块和鉴相模块。前者用于对频率信号产生电路进行控制，后者对测量后的信号进行相位差检测。其实现框图如图3所示。

2．2．2 频率信号产生电路的实现
    频率信号产生电路在FPGA中频率控制模块的控制下，产生高精度正弦主振信号和本振信号，分别用于光调制和混频。此电路产生的信号要求频率可调，且具有高的频率稳定性和低的相位噪声，相位抖动小，以保证最终的测量精度。
    在本系统中，我们基于直接数字频率合成(DDS)技术进行信号产生。DDS的实现，使用芯片AD9951。AD9951是一个可控的频率合成芯片，具有32位频率转换字，最大合成频率为160MHz。系统中采用两块AD9951，分别产生主振信号和本振信号。FPGA通过该芯片的控制端口，对
其产生的信号频率进行控制。其控制时序如图4所示。

    AD9951产生的频率信号具有一定的杂散，系统中使用七阶椭圆低通滤波器进行滤波，然后使用运算放大器AD8007进行信号放大。电路框图如图5所示。该电路产生的50MHz的正弦信号如图6所示。

2．2．3 混频鉴相电路
    由于测量信号频率较高，直接对其进行鉴相难以达到良好的鉴相精度，因而在系统中采用混频的方法进行差频鉴相。在差频鉴相中，参考信号和测量信号同时与本振信号进行混频，滤除混频后高频分量，得到混频后低频参考信号和混频后低频测量信号。混频降低了信号频率，但保持相位差不变，便于鉴相操作。相位差的检测使用自动数字鉴相法。其原理如图7所示。参考信号和测量信号通过过零比较，得到参考方波信号和测量方波信号。比较两方波信号，得到两者之间的相位差信号，然后使用高频计数脉冲对相位差信号，然后使用高频计数脉冲对相位差信号进行计数。设参考信号和测量信号的周期为f，高频计数脉冲的频率为fc，一个周期内的计数值为M，则相位差为：△φ=2πMf ／fc。为了减小偶然误差，提高鉴相精度，可以对多个周期计数求平均。设N个周期的计数值为M'，则△φ=2πM'f／Nfc。

    混频电路的实现基于混频器AD831。使用两片AD831，分别用于参考信号与本振信号混频及测量信号与本振信号混频。混频后使用芯片MAX274进行带通滤波，得到混频后的低频正弦信号。然后通过基于MAX912的过零比较电路将正弦信号转换为同相位差的方波信号，输入到FPGA中进行鉴相。在FPGA中，利用多周期自动数字鉴相法，对相位差进行检测。其实现框图如图8所示。

3 测量结果
    在实际测量中，利用组合测尺频率先后进行两次测量。第一次取主振信号频率为52MHz，本振信号频率为51．99MHz；第二次取主振信号频率为51MHz，本振信号频率为50．99MHz。对应于混频后信号频率为10kHz。FPGA中鉴相高速计数脉冲频率为50MHz。基于以上参数，对多段光纤进行测量。两次测量的结果进行分析比较，可得到测量值。被测光纤的实际光程已由精密反射仪通过光学方法进行标定。测量结果如表1所示。

    由以上测量结果可以看到，在一定的量程范围内，基于相位法的测量系统，对光纤光程的测量误差绝对值小于2mm。

4 结论
    本文在FPGA、直接数字频率合成(DDS)、自动数字鉴相等技术的基础上，设计并实现了基于相位法的电路测量系统。实际测量结果表明，此测量系统在一定的量程范围内，对光纤光程的测量误差绝对值小于2mm。在此测量水平下，此测量系统可用于基于光纤的激光测距校正与检定中，对其中的光纤基线进行测量和标定，这为光电测距仪和全站仪的室内检定提供了一个可行的方案和参考。
    本文所论述的相位法测量的电路实现是一个初步方案，在电路设计、系统优化和误差分析等方面还需要做进一步的改进，以提高系统性能。