1.測(cè)污激光雷達(dá)的原理
激光雷達(dá)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是大氣探測(cè)，大氣探測(cè)是利用各種探測(cè)手段對(duì)大氣中的物理過(guò)程和物理現(xiàn)象及氣象要素等進(jìn)行觀測(cè)、探測(cè)并使用不同的載體記錄下來(lái)。大氣探測(cè)所獲取的氣象記錄、資料是進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、氣象科學(xué)研究和為各行各業(yè)服務(wù)的基礎(chǔ)。
隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大氣污染也日益加重。保護(hù)我們的生存環(huán)境，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的大氣層，已經(jīng)是迫不及待的事情了。發(fā)展一種快速檢測(cè)大氣中污染氣體的手段，已成為激光雷達(dá)研究中的最重要的課題，因?yàn)樗P(guān)系到我國(guó)社會(huì)能否持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。
激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感設(shè)備，其基本工作原理與普通雷達(dá)類(lèi)似：由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)與目標(biāo)物質(zhì)作用，返回的帶有目標(biāo)物質(zhì)信息的信號(hào)被接收系統(tǒng)收集并進(jìn)行處理以獲得需要的信息。所不同的是激光雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)是激光，它是傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電波雷達(dá)在光學(xué)頻段上的延伸。基于激光的各種特性，激光雷達(dá)具有很高的時(shí)空分辨率和探測(cè)靈敏度，在大氣探測(cè)和研究方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
2．激光雷達(dá)中的AD采集卡
光電倍增管輸出的模擬電流信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)放大、數(shù)字化后才能提供給計(jì)算機(jī)做數(shù)據(jù)處理，最終得到污染物的濃度分布。因此數(shù)字化是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖1是差分激光雷達(dá)接收系統(tǒng)的原理圖，圖上只列出了主要部件。下面我們重點(diǎn)介紹一下對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的要求。激光雷達(dá)通常以20HZ的頻率發(fā)射激光脈沖，要求AD采集卡以10MHZ的速度與發(fā)射同步地連續(xù)采集1000點(diǎn)的回波信號(hào)。對(duì)應(yīng)的探測(cè)距離是15公里，距離分辨率是15m。由于激光雷達(dá)是脈沖式工作，數(shù)據(jù)流量并非很大。連續(xù)測(cè)量的時(shí)間每次大約是100秒到1000秒，并因測(cè)量目的而異。為了能夠?qū)崟r(shí)顯示，通常把每個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)都保存和顯示，因而不要求很大的板上存儲(chǔ)空間。
另一個(gè)重要的指標(biāo)是AD轉(zhuǎn)換分辨率，8bit分辨率對(duì)應(yīng)于滿(mǎn)量程0.3%的精度，12bit分辨率對(duì)應(yīng)0.025%的精度。由于激光雷達(dá)回波信號(hào)變化范圍很大（動(dòng)態(tài)范圍大），我們又要求有很高的測(cè)量精度，特別是想得到污染物空間分布圖時(shí)，因此我們希望采用12bit以上的高分辨率的采集卡。總之，激光雷達(dá)對(duì)AD采集卡的主要要求有：10MHz以上的采集速度，12bit以上的AD分辨率，50歐姆輸入阻抗，較高的靈敏度和足夠的通帶寬，外觸發(fā)采集功能，對(duì)外部干擾隔離好，支持多種語(yǔ)言的驅(qū)動(dòng)軟件等。而坤馳科技的QT1130高速數(shù)據(jù)采集卡在技術(shù)上是完全符合要求的。
系統(tǒng)上使用的QT1130采集卡的技術(shù)指標(biāo)如下：
最大支持四通道同步采集
最高1GSPS 采樣率
12bit 轉(zhuǎn)換精度
最高2GHz 模擬輸入帶寬
最大板載4GB DDR3 存儲(chǔ)器
支持外部觸發(fā)輸入或輸出
PCIe x8 Gen2 接口，數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸率3.0GB/s
FPGA 支持用戶(hù)自定義邏輯開(kāi)發(fā)
3.數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)
如果采用實(shí)時(shí)處理模式，新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)處理模塊捕獲，實(shí)時(shí)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行檢查同時(shí)判斷出數(shù)據(jù)的類(lèi)型然后傳遞到數(shù)據(jù)處理算法。數(shù)據(jù)處理算法模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的類(lèi)型調(diào)用合適的算法進(jìn)行計(jì)算，一方面把結(jié)果存入文本文件，另一方面根據(jù)顯示模式的不同把結(jié)果傳遞到不同的圖像繪制模塊。在一般測(cè)量情況下將數(shù)據(jù)傳遞到曲線(xiàn)繪制模塊，車(chē)載激光雷達(dá)進(jìn)行被測(cè)物質(zhì)時(shí)間分布測(cè)量時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞到時(shí)間演化圖繪制模塊，如果車(chē)載激光雷達(dá)進(jìn)行被測(cè)物質(zhì)空間分布測(cè)量時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞到剖面圖繪制模塊。各圖像繪制模塊完成結(jié)果的顯示后將圖像保存為圖片文件以備以后查閱。
圖3 軟件模塊與數(shù)據(jù)流
4．AD采集卡的抗干擾問(wèn)題
高速數(shù)據(jù)采集卡可能引進(jìn)噪音，主要包括來(lái)自周?chē)娮悠骷碾S機(jī)干擾、與激光器發(fā)射相關(guān)的電磁干擾和本底基線(xiàn)偏移。本底基線(xiàn)指激光雷達(dá)系統(tǒng)的暗背景測(cè)量基線(xiàn)，理想情形它是一條水平直線(xiàn)。可是在實(shí)際系統(tǒng)中經(jīng)常觀察到起點(diǎn)偏移，我們稱(chēng)本底基線(xiàn)偏移。這種偏移很小，但是它不穩(wěn)定，它與真實(shí)的信號(hào)重疊在一起成為測(cè)量誤差。為了能探測(cè)到污染分子的存在，必須最大的提高系統(tǒng)靈敏度，通常要把激光測(cè)量重復(fù)幾千次甚至幾萬(wàn)次以提高信噪比。同時(shí)必須盡量的減小各種干擾，包括這種基線(xiàn)偏移。
實(shí)驗(yàn)證明，減小外觸發(fā)信號(hào)可以減小本底基線(xiàn)偏移；說(shuō)明基線(xiàn)偏移的一個(gè)重要來(lái)源是外觸發(fā)電壓。其產(chǎn)生的原因可能是板卡設(shè)計(jì)上的缺陷，外觸發(fā)信號(hào)的一部分經(jīng)過(guò)分布電容耦合到了信號(hào)輸入端?；€(xiàn)偏移的另一個(gè)重要來(lái)源是激光高壓放電脈沖干擾，它很不穩(wěn)定，與接線(xiàn)情況，地線(xiàn)好壞，板卡設(shè)計(jì)，溫度濕度等都有關(guān)系。
5．結(jié)論
經(jīng)過(guò)實(shí)踐證實(shí)，可以說(shuō)坤馳科技的QT1130高速數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于測(cè)污激光雷達(dá)具有最高的性能價(jià)格比。在一些特殊應(yīng)用上，還能夠提高測(cè)污激光雷達(dá)的性能，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的采集功能。
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