- 相位式光纖測量電路系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
- 相位法測量的基本原理
- 利用相位法測量光纖光程
- 采用混頻的方法進行差頻鑒相
- 利用組合測尺頻率先后進行兩次測量
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(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(jié)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(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行標定，以其標定長度與全站儀測量結(jié)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(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(fù)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。
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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。
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(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(shù)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。
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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。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。混頻后使用芯片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。
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(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。基于以上參數(shù)，對多段光纖進行測量。兩次測量的結(jié)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(xué)方法進行標定。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(shè)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。
