基于PC的數(shù)字化現(xiàn)代光譜學(xué)

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(xiàn)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(chē)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(lèi)

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(hù)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。



從可調(diào)諧激光器輸出的高功率光脈沖穿過(guò)由兩個(gè)高反射鏡(大于99.9％)組成的腔體后，沿光軸在另外一側(cè)出射。光脈沖在兩端的鏡子之間來(lái)回反射，強(qiáng)度隨每次反射及衰減指數(shù)降低。從腔體泄漏出來(lái)的光被一端的光探測(cè)器檢測(cè)。測(cè)量腔體的衰減時(shí)間常數(shù)變化，如：掃描激光頻率，能進(jìn)行靈敏的分子吸收光譜測(cè)量及痕量氣體探測(cè)。因?yàn)樗粶y(cè)量泄漏的衰減時(shí)間，脈沖CRDS對(duì)激光強(qiáng)度變化在本質(zhì)上是不敏感的。

時(shí)間常數(shù)的相對(duì)誤差約等于衰減S/N。因?yàn)樗p時(shí)間一般為幾毫秒，100 MS/s的采樣率就足夠了。在此采樣率下，可以達(dá)到14 bits分辨率，超過(guò)60 dB的S/N，使測(cè)量的時(shí)間常數(shù)精確在O.1％以上?？焖僦貜?fù)信號(hào)采集可以對(duì)重復(fù)信號(hào)進(jìn)行平均，并進(jìn)一步提高時(shí)間常數(shù)測(cè)量的精確性。在激光雷達(dá)中，基于PC的高速數(shù)字化儀能夠進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集僅受激光重復(fù)頻率的限制，約為100 Hz～200 Hz．

3.3 激光超聲

傳統(tǒng)上，超聲檢測(cè)(非接觸技術(shù)可以在樣品中只用激光產(chǎn)生和檢測(cè)超聲)要求將超聲傳感器與待測(cè)物體相連接；或至少通過(guò)介質(zhì)(如：水)進(jìn)行傳導(dǎo)(見(jiàn)圖3)。



大約持續(xù)10 ns的高能紫外激光脈沖以待測(cè)物的一側(cè)為目標(biāo)。突然的熱膨脹產(chǎn)生一個(gè)超聲脈沖，它在待測(cè)物中穿過(guò)，撞擊到另一側(cè)，產(chǎn)生表面波動(dòng)。第二個(gè)紅外激光束從這個(gè)波動(dòng)表面反射出去到達(dá)干涉儀，在干涉儀中與一個(gè)參考光束相結(jié)合。干涉儀的電壓輸出信號(hào)提供了一個(gè)從該表面來(lái)的超聲位移信號(hào)。

掃描激光超聲系統(tǒng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)巨大的物體，如飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行非接觸檢測(cè)。由于其超聲頻率激發(fā)帶寬為100 MHz或更大，激光超聲也是材料評(píng)估的一個(gè)有力方法。隨著超聲頻率增加，衰減也增加，波長(zhǎng)低于微型結(jié)構(gòu)晶粒大小。100 MHz頻率的超聲波長(zhǎng)有幾十微米，可以用于金屬中的晶粒尺寸。因此，研究頻率與超聲衰減的依存關(guān)系，激光超聲光譜可以跟蹤不同處理過(guò)程中微型結(jié)構(gòu)的演化。

要達(dá)到100 MHz或更高的超聲頻率，激光超聲系統(tǒng)通常要求采樣率很高的數(shù)字化儀(1 GS/s或更高)。同時(shí)要求高分辨率，高采樣率通常將數(shù)字化儀限制在8 bits。快速重復(fù)信號(hào)采集要求信號(hào)平均，快速掃描，或跟上快速材料加工速度。正如在其它光譜應(yīng)用中，基于PC的高性能數(shù)字化儀提供了高重復(fù)率，其限制因素僅為激光脈沖重復(fù)頻率。