采用PC的數(shù)字化現(xiàn)代光譜學(xué)設(shè)計方案

1 引言
現(xiàn)代光譜學(xué)實驗普遍需要使用高性能計算機來采集、分析、存儲并顯示數(shù)據(jù)。通常，最需要的就是將光探測器輸出的原始模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的高速數(shù)字化儀。市場上基于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)勢在于其基于PCI總線的無與倫比的數(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，而不發(fā)生無效觸發(fā)(即：觸發(fā)信號到達數(shù)字化儀了，但是儀器正在進行數(shù)據(jù)傳輸而投有響應(yīng)，造成該觸發(fā)無效)。
數(shù)字化儀對光譜學(xué)最重要的兩個貢獻，一是它的高采樣速率提高了測量時間的準確性，二是其高垂直分辨率提高了對高動態(tài)范圍信號的靈敏度。高采樣率和高分辨率是數(shù)字化儀的兩個相對立的特性。簡而言之，高垂直分辨率測量需要較長時間來實現(xiàn)，從而降低了采樣率。因此，設(shè)計光譜系統(tǒng)時需要根據(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)用實例
3.1 激光雷達光譜學(xué)
3.1.1 激光雷達的應(yīng)用范圍
雖然激光雷達被廣泛用于探測森林覆蓋率和測量汽車行駛速度，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)接收器收集起來進行分析。不同的激光雷達系統(tǒng)可以應(yīng)用于氣象學(xué)、風(fēng)速測量、氣候變化監(jiān)測、臭氧監(jiān)測、污染監(jiān)測等。

3.1.2 激光雷達系統(tǒng)的種類
激光雷達系統(tǒng)可分為以下三種：簡單的激光雷達系統(tǒng)(使用單頻激光)，復(fù)雜的激光雷達系統(tǒng)(包括兩個頻率的激光來鑒別物種或測量光學(xué)多普勒頻移，以此獲得散射體的速度，進而得知大氣的風(fēng)速)，脈沖激光雷達(使用高能量脈沖激光)。
其中脈沖激光雷達系統(tǒng)的主要特性如下：
典型脈沖持續(xù)時間約為10 ns，波長約為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)將脈沖向各個方向散射。研究通常局限在對流層，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)入光探測器，其電壓輸出被發(fā)送到數(shù)字化儀。當入射激光束射向給定方向，激光脈沖觸發(fā)數(shù)字化儀。光信號強度是時間t的函數(shù)，說明光在給定高度x的散射強度，x=ct/2。
光速c可以表示為300 m/μs，到達對流層頂部來回最大距離為30 km，最大激光脈沖飛行時間為30 km/300 m/μs=100 ms.典型情況下，激光雷達系統(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，那么在地面探測到的光強度會按高度的平方遞減。這一快速下降導(dǎo)致探測到的光信號強度隨時間增加而下降幾個數(shù)量級。因此，高動態(tài)范圍的激光雷達信號要求最高的數(shù)字化儀分辨率：100 MS/s時為14bits。
有時要用不同的探測器覆蓋激光雷達信號的不同強度范圍。在新的雙探測器技術(shù)中，光電二極管探測器提供高強度，低高度的前部信號，產(chǎn)生正比于光強度的瞬時電壓輸出。對后部高度高，強度低的信號部分，使用光電倍增管(PMT)。由于PMT電子增益高，在探測單光子時，可以認為產(chǎn)生的是電脈沖。每個探測器的輸出被分別連接到數(shù)字化儀的兩個通道上。每個數(shù)字化儀都配備有兩個獨立的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，它們由相同的高速采集信號時鐘觸發(fā)，提供雙通道同步采樣。這樣，用戶可以使用前期的連續(xù)探測器和后期的PMT，將兩個探測器信號按時間組合起來。
掃描激光束角度使激光雷達系統(tǒng)可以對大氣成像，激光雷達信號常在某一個激光發(fā)射角度進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掃描速度。要求的采集時間為100μs，采樣率為100 MS/s，所采集的波形大小有l(wèi)O 000點。基于PC、具有超快傳輸速率PCI的數(shù)字化儀可以以超過l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000點波形。所以，激光雷達系統(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)是一項強大的技術(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實驗中，激光腔體中泄漏光強度的指數(shù)衰減率取決于未知氣體樣品衰減，從變化率就可以確認是哪種氣體。