利用PC的数字化现代光谱学设计方案

其中脉冲激光雷达系统的主要特性如下：

典型脉冲持续时间约为10 ns，波长约为500nm，激光重复频率为50 Hz~100 Hz。脉冲激光由转向镜发射到大气中。大气中的组分(某些分子、悬浮粒子、水蒸气或小液滴)将脉冲向各个方向散射。研究通常局限在对流层，即大部分天气现象发生较频繁的一层，垂直高度在15 km以下。一小部分被大气散射的激光被光收集系统所收集，然后导入光探测器，其电压输出被发送到数字化仪。当入射激光束射向给定方向，激光脉冲触发数字化仪。光信号强度是时间t的函数，说明光在给定高度x的散射强度，x=ct/2。

光速c可以表示为300 m/μs，到达对流层顶部来回最大距离为30 km，最大激光脉冲飞行时间为30 km/300 m/μs=100 ms.典型情况下，激光雷达系统要求采样率约为100 MS/s，这样就可以得到约为1/2×(300 M/μs)/(100 MS/s)=1.5 m的空间分辨率。

如果大气中光的散射与高度是一致的，那么在地面探测到的光强度会按高度的平方递减。这一快速下降导致探测到的光信号强度随时间增加而下降几个数量级。因此，高动态范围的激光雷达信号要求最高的数字化仪分辨率：100 MS/s时为14bits。

有时要用不同的探测器覆盖激光雷达信号的不同强度范围。在新的双探测器技术中，光电二极管探测器提供高强度，低高度的前部信号，产生正比于光强度的瞬时电压输出。对后部高度高，强度低的信号部分，使用光电倍增管(PMT)。由于PMT电子增益高，在探测单光子时，可以认为产生的是电脉冲。每个探测器的输出被分别连接到数字化仪的两个通道上。每个数字化仪都配备有两个独立的模拟-数字转换器(ADC)，它们由相同的高速采集信号时钟触发，提供双通道同步采样。这样，用户可以使用前期的连续探测器和后期的PMT，将两个探测器信号按时间组合起来。

扫描激光束角度使激光雷达系统可以对大气成像，激光雷达信号常在某一个激光发射角度进行平均以提高信噪比(S/N)。快速重复采集可以提供最快的整体激光雷达扫描速度。要求的采集时间为100μs，采样率为100 MS/s，所采集的波形大小有lO 000点。基于PC、具有超快传输速率PCI的数字化仪可以以超过l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000点波形。所以，激光雷达系统的扫描速度只受到100 Hz激光触发速率，而不是数字化仪传输速率的限制。

来源：维库开发网