1.測污激光雷達的原理
激光雷達的一個重要應用領域是大氣探測，大氣探測是利用各種探測手段對大氣中的物理過程和物理現(xiàn)象及氣象要素等進行觀測、探測并使用不同的載體記錄下來。大氣探測所獲取的氣象記錄、資料是進行天氣預報、氣候分析、氣象科學研究和為各行各業(yè)服務的基礎。
隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，大氣污染也日益加重。保護我們的生存環(huán)境，保護人類賴以生存的大氣層，已經(jīng)是迫不及待的事情了。發(fā)展一種快速檢測大氣中污染氣體的手段，已成為激光雷達研究中的最重要的課題，因為它關系到我國社會能否持續(xù)發(fā)展的重大問題。
激光雷達是一種主動式的現(xiàn)代光學遙感設備，其基本工作原理與普通雷達類似：由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號與目標物質(zhì)作用，返回的帶有目標物質(zhì)信息的信號被接收系統(tǒng)收集并進行處理以獲得需要的信息。所不同的是激光雷達的發(fā)射信號是激光，它是傳統(tǒng)無線電波雷達在光學頻段上的延伸?；诩す獾母鞣N特性，激光雷達具有很高的時空分辨率和探測靈敏度，在大氣探測和研究方面有著廣闊的應用前景。
2．激光雷達中的AD采集卡
光電倍增管輸出的模擬電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)放大、數(shù)字化后才能提供給計算機做數(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環(huán)節(jié)。圖1是差分激光雷達接收系統(tǒng)的原理圖，圖上只列出了主要部件。下面我們重點介紹一下對數(shù)據(jù)采集卡的要求。激光雷達通常以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點的回波信號。對應的探測距離是15公里，距離分辨率是15m。由于激光雷達是脈沖式工作，數(shù)據(jù)流量并非很大。連續(xù)測量的時間每次大約是100秒到1000秒，并因測量目的而異。為了能夠?qū)崟r顯示，通常把每個脈沖的數(shù)據(jù)都保存和顯示，因而不要求很大的板上存儲空間。
另一個重要的指標是AD轉(zhuǎn)換分辨率，8bit分辨率對應于滿量程0.3%的精度，12bit分辨率對應0.025%的精度。由于激光雷達回波信號變化范圍很大（動態(tài)范圍大），我們又要求有很高的測量精度，特別是想得到污染物空間分布圖時，因此我們希望采用12bit以上的高分辨率的采集卡?？傊?，激光雷達對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，對外部干擾隔離好，支持多種語言的驅(qū)動軟件等。而坤馳科技的QT1130高速數(shù)據(jù)采集卡在技術上是完全符合要求的。
系統(tǒng)上使用的QT1130采集卡的技術指標如下：
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 支持用戶自定義邏輯開發(fā)
3.數(shù)據(jù)處理軟件設計
如果采用實時處理模式，新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被實時處理模塊捕獲，實時處理模塊對數(shù)據(jù)的合法性進行檢查同時判斷出數(shù)據(jù)的類型然后傳遞到數(shù)據(jù)處理算法。數(shù)據(jù)處理算法模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的類型調(diào)用合適的算法進行計算，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。在一般測量情況下將數(shù)據(jù)傳遞到曲線繪制模塊，車載激光雷達進行被測物質(zhì)時間分布測量時將數(shù)據(jù)傳遞到時間演化圖繪制模塊，如果車載激光雷達進行被測物質(zhì)空間分布測量時將數(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采集卡的抗干擾問題
高速數(shù)據(jù)采集卡可能引進噪音，主要包括來自周圍電子器件的隨機干擾、與激光器發(fā)射相關的電磁干擾和本底基線偏移。本底基線指激光雷達系統(tǒng)的暗背景測量基線，理想情形它是一條水平直線。可是在實際系統(tǒng)中經(jīng)常觀察到起點偏移，我們稱本底基線偏移。這種偏移很小，但是它不穩(wěn)定，它與真實的信號重疊在一起成為測量誤差。為了能探測到污染分子的存在，必須最大的提高系統(tǒng)靈敏度，通常要把激光測量重復幾千次甚至幾萬次以提高信噪比。同時必須盡量的減小各種干擾，包括這種基線偏移。
實驗證明，減小外觸發(fā)信號可以減小本底基線偏移；說明基線偏移的一個重要來源是外觸發(fā)電壓。其產(chǎn)生的原因可能是板卡設計上的缺陷，外觸發(fā)信號的一部分經(jīng)過分布電容耦合到了信號輸入端。基線偏移的另一個重要來源是激光高壓放電脈沖干擾，它很不穩(wěn)定，與接線情況，地線好壞，板卡設計，溫度濕度等都有關系。
5．結(jié)論
經(jīng)過實踐證實，可以說坤馳科技的QT1130高速數(shù)據(jù)采集卡應用于測污激光雷達具有最高的性能價格比。在一些特殊應用上，還能夠提高測污激光雷達的性能，實現(xiàn)了高分辨率的采集功能。
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