基于FPGA中双锁相环IP核的重力仪干涉条纹和时间间隔测量方法

绝对重力仪是国际上用来直接测量重力加速度值的主要精密计量仪器，精确的重力值对精密计量、地球物理和大地测量具有十分重要的意义。目前研制的绝对重力仪中基于自由下落法原理的仪器占绝大多数，这类绝对重力仪一般先构建让落体(角锥棱镜)自由下落的机构，利用激光干涉法测量落体下落距离，同时以原子钟为时标，测量出落体下落的时间。由于激光器波长的不确定度及铷钟频率不确定度均不符合重力测量的要求，因此要想进一步减小重力测量的不确定度，须采用高精度干涉条纹测量法来对时间间隔进行测量。国内外使用的高精度时间间隔测量方法主要有模拟插值法、时间-电压转换法、直接计数法[2]等。模拟插值法是通过模拟方法对处理后的待测时间间隔进行计数，尽管精度提高，但线路设计复杂且没有解决±1个字的固有误差；时间-电压转换法利用电容器的充放电时间来测量时间间隔，它必须有A/D转换，缺点为抗干扰能力差、速度较慢；直接计数法一般是用计数器对来自基准时钟的脉冲进行计数，设计门电路使启动脉冲至停止脉冲这段时间内门电路开启并输出基准脉冲，计数器所计脉冲个数为时间间隔，这种方法虽简单但基准脉冲无法做到高频，致使不能提高现有精度。本文提出采用10 MHz铷原子钟与FPGA相结合的倍频移相法，利用Cyclone IV系列FPGA芯片内置的多个IP核的移相与倍频功能来等效合成2.8 GHz高频信号[3]，进而使规定时间内测量误差达到±0.6 ns。