相位式光纤测量电路系统的设计与实现

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。