利用PC的數字化現代光譜學(xué)設計方案

1 引言

現代光譜學(xué)實(shí)驗普遍需要使用高性能計算機來(lái)采集、分析、存儲并顯示數據。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換為數字信號的高速數字化儀。市場(chǎng)上基于PC的數字化儀為光譜學(xué)提供了低成本、結構緊湊簡(jiǎn)單、品質(zhì)一流的完整解決方案。

2 概述

基于PC的數字化儀的基本優(yōu)勢在于其基于PCI總線(xiàn)的無(wú)與倫比的數據傳輸速度，數據可以從數字化儀的內存直接傳輸到PC-RAM，而不需要CPU的干預?；赑C的數字化儀的數據傳輸速度可以達到200 MByte/s。高數據傳輸速率使光譜系統可以在許多光譜應用中跟蹤重復頻率很高的信號，而不發(fā)生無(wú)效觸發(fā)(即：觸發(fā)信號到達數字化儀了，但是儀器正在進(jìn)行數據傳輸而投有響應，造成該觸發(fā)無(wú)效)。

數字化儀對光譜學(xué)最重要的兩個(gè)貢獻，一是它的高采樣速率提高了測量時(shí)間的準確性，二是其高垂直分辨率提高了對高動(dòng)態(tài)范圍信號的靈敏度。高采樣率和高分辨率是數字化儀的兩個(gè)相對立的特性。簡(jiǎn)而言之，高垂直分辨率測量需要較長(cháng)時(shí)間來(lái)實(shí)現，從而降低了采樣率。因此，設計光譜系統時(shí)需要根據應用要求在高分辨率和高采樣率之間選擇最有效配合。

3 應用實(shí)例

3.1 激光雷達光譜學(xué)

3.1.1 激光雷達的應用范圍

雖然激光雷達被廣泛用于探測森林覆蓋率和測量汽車(chē)行駛速度，但主要應用在大氣科學(xué)領(lǐng)域，如圖1所示，在大氣脈沖激光雷達系統中，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。不同的激光雷達系統可以應用于氣象學(xué)、風(fēng)速測量、氣候變化監測、臭氧監測、污染監測等。

3.1.2 激光雷達系統的種類(lèi)

激光雷達系統可分為以下三種：簡(jiǎn)單的激光雷達系統(使用單頻激光)，復雜的激光雷達系統(包括兩個(gè)頻率的激光來(lái)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(jìn)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的主要特性如下：

典型脈沖持續時(shí)間約為10 ns，波長(cháng)約為500nm，激光重復頻率為50 Hz~100 Hz。脈沖激光由轉向鏡發(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。研究通常局限在對流層，即大部分天氣現象發(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所收集，然后導入光探測器，其電壓輸出被發(fā)送到數字化儀。當入射激光束射向給定方向，激光脈沖觸發(fā)數字化儀。光信號強度是時(shí)間t的函數，說(shuō)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(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，激光雷達系統要求采樣率約為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(huì )按高度的平方遞減。這一快速下降導致探測到的光信號強度隨時(shí)間增加而下降幾個(gè)數量級。因此，高動(dòng)態(tài)范圍的激光雷達信號要求最高的數字化儀分辨率：100 MS/s時(shí)為14bits。

有時(shí)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(shí)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(shí)，可以認為產(chǎn)生的是電脈沖。每個(gè)探測器的輸出被分別連接到數字化儀的兩個(gè)通道上。每個(gè)數字化儀都配備有兩個(gè)獨立的模擬-數字轉換器(ADC)，它們由相同的高速采集信號時(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探測器和后期的PMT，將兩個(gè)探測器信號按時(shí)間組合起來(lái)。

掃描激光束角度使激光雷達系統可以對大氣成像，激光雷達信號常在某一個(gè)激光發(fā)射角度進(jìn)行平均以提高信噪比(S/N)?？焖僦貜筒杉梢蕴峁┳羁斓恼w激光雷達掃描速度。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lO 000點(diǎn)?；赑C、具有超快傳輸速率PCI的數字化儀可以以超過(guò)l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000點(diǎn)波形。所以，激光雷達系統的掃描速度只受到100 Hz激光觸發(fā)速率，而不是數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(zhù)高反射鏡的出現而出現的。如圖2所示，在典型的脈沖激光CRDS實(shí)驗中，激光腔體中泄漏光強度的指數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。

從可調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，沿光軸在另外一側出射。光脈沖在兩端的鏡子之間來(lái)回反射，強度隨每次反射及衰減指數降低。從腔體泄漏出來(lái)的光被一端的光探測器檢測。測量腔體的衰減時(shí)間常數變化，如：掃描激光頻率，能進(jìn)行靈敏的分子吸收光譜測量及痕量氣體探測。因為它只測量泄漏的衰減時(shí)間，脈沖CRDS對激光強度變化在本質(zhì)上是不敏感的。

時(shí)間常數的相對誤差約等于衰減S/N。因為衰減時(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，可以達到14 bits分辨率，超過(guò)60 dB的S/N，使測量的時(shí)間常數精確在O.1％以上?？焖僦貜托盘柌杉梢詫χ貜托盘栠M(jìn)行平均，并進(jìn)一步提高時(shí)間常數測量的精確性。在激光雷達中，基于PC的高速數字化儀能夠進(jìn)行快速數據傳輸，數據采集僅受激光重復頻率的限制，約為100 Hz～200 Hz．

3.3 激光超聲

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

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

掃描激光超聲系統用于對結構巨大的物體，如飛機機身進(jìn)行非接觸檢測。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*估的一個(gè)有力方法。隨著(zhù)超聲頻率增加，衰減也增加，波長(cháng)低于微型結構晶粒大小。100 MHz頻率的超聲波長(cháng)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)程中微型結構的演化。

要達到100 MHz或更高的超聲頻率，激光超聲系統通常要求采樣率很高的數字化儀(1 GS/s或更高)。同時(shí)要求高分辨率，高采樣率通常將數字化儀限制在8 bits?？焖僦貜托盘柌杉笮盘柶骄?，快速掃描，或跟上快速材料加工速度。正如在其它光譜應用中，基于PC的高性能數字化儀提供了高重復率，其限制因素僅為激光脈沖重復頻率。