基于PC的數(shù)字化現(xiàn)代光譜學(xué)方案設(shè)計(jì)

1 引言
現(xiàn)代光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍需要使用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)采集、分析、存儲(chǔ)并顯示數(shù)據(jù)。通常，最需要的就是將光探測(cè)器輸出的原始模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的高速數(shù)字化儀。市場(chǎng)上基于PC的數(shù)字化儀為光譜學(xué)提供了低成本、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、品質(zhì)一流的完整解決方案。

2 概述
基于PC的數(shù)字化儀的基本優(yōu)勢(shì)在于其基于PCI總線的無(wú)與倫比的數(shù)據(jù)傳輸速度，數(shù)據(jù)可以從數(shù)字化儀的內(nèi)存直接傳輸?shù)絇C-RAM，而不需要CPU的干預(yù)?；赑C的數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到200 MByte/s。高數(shù)據(jù)傳輸速率使光譜系統(tǒng)可以在許多光譜應(yīng)用中跟蹤重復(fù)頻率很高的信號(hào)，而不發(fā)生無(wú)效觸發(fā)(即：觸發(fā)信號(hào)到達(dá)數(shù)字化儀了，但是儀器正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而投有響應(yīng)，造成該觸發(fā)無(wú)效)。
數(shù)字化儀對(duì)光譜學(xué)最重要的兩個(gè)貢獻(xiàn)，一是它的高采樣速率提高了測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確性，二是其高垂直分辨率提高了對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的靈敏度。高采樣率和高分辨率是數(shù)字化儀的兩個(gè)相對(duì)立的特性。簡(jiǎn)而言之，高垂直分辨率測(cè)量需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低了采樣率。因此，設(shè)計(jì)光譜系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)應(yīng)用要求在高分辨率和高采樣率之間選擇最有效配合。

3 應(yīng)用實(shí)例
3.1 激光雷達(dá)光譜學(xué)
3.1.1 激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍
雖然激光雷達(dá)被廣泛用于探測(cè)森林覆蓋率和測(cè)量汽車行駛速度，但主要應(yīng)用在大氣科學(xué)領(lǐng)域，如圖l所示，在大氣脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)中，激光脈沖一般指向大氣，然后被大氣成分散射。極小的一部分散射光最終被光學(xué)接收器收集起來(lái)進(jìn)行分析。不同的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以應(yīng)用于氣象學(xué)、風(fēng)速測(cè)量、氣候變化監(jiān)測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)、污染監(jiān)測(cè)等。

3.1.2 激光雷達(dá)系統(tǒng)的種類
激光雷達(dá)系統(tǒng)可分為以下三種：簡(jiǎn)單的激光雷達(dá)系統(tǒng)(使用單頻激光)，復(fù)雜的激光雷達(dá)系統(tǒng)(包括兩個(gè)頻率的激光來(lái)鑒別物種或測(cè)量光學(xué)多普勒頻移，以此獲得散射體的速度，進(jìn)而得知大氣的風(fēng)速)，脈沖激光雷達(dá)(使用高能量脈沖激光)。
其中脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要特性如下：
典型脈沖持續(xù)時(shí)間約為10 ns，波長(zhǎng)約為500nm，激光重復(fù)頻率為50 Hz~100 Hz。脈沖激光由轉(zhuǎn)向鏡發(fā)射到大氣中。大氣中的組分(某些分子、懸浮粒子、水蒸氣或小液滴)將脈沖向各個(gè)方向散射。研究通常局限在對(duì)流層，即大部分天氣現(xiàn)象發(fā)生較頻繁的一層，垂直高度在15 km以下。一小部分被大氣散射的激光被光收集系統(tǒng)所收集，然后導(dǎo)入光探測(cè)器，其電壓輸出被發(fā)送到數(shù)字化儀。當(dāng)入射激光束射向給定方向，激光脈沖觸發(fā)數(shù)字化儀。光信號(hào)強(qiáng)度是時(shí)間t的函數(shù)，說(shuō)明光在給定高度x的散射強(qiáng)度，x=ct/2。
光速c可以表示為300 m/μs，到達(dá)對(duì)流層頂部來(lái)回最大距離為30 km，最大激光脈沖飛行時(shí)間為30 km/300 m/μs=100 ms.典型情況下，激光雷達(dá)系統(tǒng)要求采樣率約為100 MS/s，這樣就可以得到約為1/2×(300 M/μs)/(100 MS/s)=1.5 m的空間分辨率。
如果大氣中光的散射與高度是一致的，那么在地面探測(cè)到的光強(qiáng)度會(huì)按高度的平方遞減。這一快速下降導(dǎo)致探測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間增加而下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，高動(dòng)態(tài)范圍的激光雷達(dá)信號(hào)要求最高的數(shù)字化儀分辨率：100 MS/s時(shí)為14bits。
有時(shí)要用不同的探測(cè)器覆蓋激光雷達(dá)信號(hào)的不同強(qiáng)度范圍。在新的雙探測(cè)器技術(shù)中，光電二極管探測(cè)器提供高強(qiáng)度，低高度的前部信號(hào)，產(chǎn)生正比于光強(qiáng)度的瞬時(shí)電壓輸出。對(duì)后部高度高，強(qiáng)度低的信號(hào)部分，使用光電倍增管(PMT)。由于PMT電子增益高，在探測(cè)單光子時(shí)，可以認(rèn)為產(chǎn)生的是電脈沖。每個(gè)探測(cè)器的輸出被分別連接到數(shù)字化儀的兩個(gè)通道上。每個(gè)數(shù)字化儀都配備有兩個(gè)獨(dú)立的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，它們由相同的高速采集信號(hào)時(shí)鐘觸發(fā)，提供雙通道同步采樣。這樣，用戶可以使用前期的連續(xù)探測(cè)器和后期的PMT，將兩個(gè)探測(cè)器信號(hào)按時(shí)間組合起來(lái)。
掃描激光束角度使激光雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)大氣成像，激光雷達(dá)信號(hào)常在某一個(gè)激光發(fā)射角度進(jìn)行平均以提高信噪比(S/N)?？焖僦貜?fù)采集可以提供最快的整體激光雷達(dá)掃描速度。要求的采集時(shí)間為100μs，采樣率為100 MS/s，所采集的波形大小有l(wèi)O 000點(diǎn)?；赑C、具有超快傳輸速率PCI的數(shù)字化儀可以以超過(guò)l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000點(diǎn)波形。所以，激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描速度只受到100 Hz激光觸發(fā)速率，而不是數(shù)字化儀傳輸速率的限制。
3.2 腔體衰蕩光譜
激光腔體衰蕩光譜(CRDS)是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，是在近25年隨著高反射鏡的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。如圖2所示，在典型的脈沖激光CRDS實(shí)驗(yàn)中，激光腔體中泄漏光強(qiáng)度的指數(shù)衰減率取決于未知?dú)怏w樣品衰減，從變化率就可以確認(rèn)是哪種氣體。