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。