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   謝晨波，中國科學院安徽光學精密機械研究所中國科學院大氣成分與光學重點實驗室

   2012年11月14日 北京訊

   隨著當前電磁波雷達探測技術從厘米波、毫米波向光波探測技術的發(fā)展，激光雷達作為傳統(tǒng)雷達技術和現(xiàn)代激光技術的結合體，具有光波波長較短的特點，便于利用激光與大氣中存在的空氣分子和氣溶膠粒子間的相互作用來實現(xiàn)對大氣光學與物理特性，以及大氣氣象參數(shù)的主動遙感探測。同時，激光在單色性、方向性、相干性和高亮度上的良好特性促使激光雷達在測量高度、時空分辨率、測量精度以及連續(xù)自動監(jiān)測等方面都具有傳統(tǒng)大氣探測手段所無法比擬的優(yōu)勢。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光雷達現(xiàn)已廣泛運用于激光大氣傳輸、氣溶膠和云輻射效應、大氣環(huán)境監(jiān)測以及全球氣候模式等研究領域。

   作為當前大氣探測領域的先進手段，激光雷達的特性同樣決定了其對于數(shù)據(jù)信息的高速高精度需求，激光雷達必須得到具備高空間分辨率、高時間分辨率以及高測量精度的廓線信息，這也是激光雷達數(shù)據(jù)采集單元的最大挑戰(zhàn)。具體來說，在激光雷達系統(tǒng)設計中，根據(jù)大氣氣溶膠和云時空分布特點，數(shù)據(jù)采集的空間分辨率必須在30m以內，時間分辨率在15min以內，測量信號動態(tài)范圍在104以上，而最小測量精度在1mV量級以下。綜合這些挑戰(zhàn)和需求，最終選擇了凌華PCI-9846數(shù)據(jù)采集卡作為激光雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，以實現(xiàn)0-15km大氣范圍內大氣氣溶膠和云的探測目的。

   成功的關鍵

   激光雷達主要由激光發(fā)射單元、光學接收單元、信號探測單元、數(shù)據(jù)采集單元以及控制單元五部分組成，其中數(shù)據(jù)采集單元主要用于對信號探測單元輸出的電信號進行模數(shù)轉換和采集，該部分直接決定了系統(tǒng)的成功實現(xiàn)與否。

   鑒于大氣在時間和空間的分布特點以及激光雷達測量原理，激光雷達對數(shù)據(jù)采集單元也提出了特定的需求，包括：
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   測量靈敏度——由于激光雷達實際測量的大氣回波光信號屬于典型的弱信號探測，因此激光雷達數(shù)據(jù)采集單元必須具備很高的測量靈敏度；
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   數(shù)據(jù)采集范圍——激光雷達的探測目標大氣分子和氣溶膠粒子廣泛存在與0-15km范圍的對流層內，并且其濃度隨高度呈指數(shù)衰減，因此激光雷達數(shù)據(jù)采集單元必須具備很寬的數(shù)據(jù)采集范圍以滿足大動態(tài)變化信號的采集；
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   空間和時間分辨能力——實際大氣狀況在空間和時間分布上都具有不均勻性，因此為有效揭示大氣分布細節(jié)信息，數(shù)據(jù)采集單元也必須具備很高的空間和時間分辨能力；
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   響應能力——由于激光雷達必須提供精準的空間距離信息，因此激光雷達數(shù)據(jù)采集單元必須具備超快的外觸發(fā)響應能力；
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   抗電磁干擾——激光雷達是集光機電為一體的精密測量系統(tǒng)，同時包含強電和弱電，因此激光雷達數(shù)據(jù)采集單元必須具備較強的抗電磁干擾能力。

   由此可見，數(shù)據(jù)采集單元是激光雷達系統(tǒng)中的重要部件，其性能參數(shù)的好壞將直接決定激光雷達的探測性能和探測精度。

   讓激光雷達如虎添翼
 
                 
                     圖1 PRML激光雷達外觀圖（左）和結構示意圖（右）

   偏振-拉曼-米散射激光雷達系統(tǒng)（PRML激光雷達）是專門為中國氣象局研制的大氣主動探測產(chǎn)品，主要用于連續(xù)自動測量0-15km高度范圍內對流層大氣氣溶膠（包括污染氣溶膠、沙塵、霾等）和云（水云、冰晶云等）光學參數(shù)的時空分布特征（如圖1）。

   該產(chǎn)品采用Nd:YAG激光器的二倍頻532nm線偏振激光作為探測光源。后繼光學與探測單元由三個探測通道組成，其中拉曼探測通道用于測量532nm出射激光與空氣中氮氣分子作用產(chǎn)生的607nm拉曼散射信號，垂直探測通道用于測量532nm出射激光與大氣中粒子作用產(chǎn)生的米散射信號垂直分量，平行探測通道用于測量532nm出射激光與大氣中粒子作用產(chǎn)生的米散射信號平行分量。利用三個探測通道的測量數(shù)據(jù)并結合上述反演方法便可得到對流層氣溶膠和云光學參數(shù)垂直分布特征。其中532nm米散射垂直和平行探測通道采用凌華PCI-9846高分辨率數(shù)字采集卡進行數(shù)據(jù)采集。
鑒于大氣氣溶膠和云測量要求，PRML激光雷達產(chǎn)品的空間分辨率為7.5m，時間分辨率為8min，測量范圍為0-15km，并且需要雙通道信號輸入，因此選用凌華PCI-9846高分辨率數(shù)字采集卡作為其數(shù)據(jù)采集單元。表1給出了凌華PCI-9846采集卡的性能參數(shù)與對應激光雷達的性能參數(shù)對比。

    表1 凌華PCI-9846采集卡主要性能參數(shù)和對應激光雷達性能參數(shù) 

               

   可以看到，凌華PCI-9846高分辨率數(shù)字采集卡為4通道，可同時用于4個通道的模擬數(shù)據(jù)輸入，對應于激光雷達而言則可同時滿足4個探測通道。在本文中提及的PRML激光雷達則只利用了其一半，即2個輸入通道。PCI-9846采集卡的采樣速率為20MHz，對應于激光雷達的空間分辨率為7.5m，完全滿足大氣探測高空間分辨率要求。PCI-9846采集卡的采樣精度為16bit，對應的采樣點數(shù)為65536。但考慮到激光雷達探測器輸出為負電流，因此實際采樣點數(shù)為32768，對應采樣信號的動態(tài)范圍達到104以上，可覆蓋0-15km范圍內實際探測信號。結合PCI-9846采集卡的輸入電壓和阻抗分別為±1V和50Ω，其對應激光雷達信號探測單元的實際測量精度為0.03mv和0.61uA，具備很好的弱信號探測能力。PCI-9846采集卡的外觸發(fā)為TTL脈沖電信號，其響應時間<20ns，對應的激光雷達測距精度為3m，具備很高的距離定位精度。同時PCI-9846采集卡可方便插入工控機PCI標準差槽內，具備較高的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗電磁干擾能力。以上參數(shù)均表明PCI-9846采集卡非常適合于作為PRML激光雷達的數(shù)據(jù)采集所用。

   驗證優(yōu)良品質

   在有云天氣和無云天氣條件下，從PCI-9846采集卡采集的原始信號、有效信號和信噪比的數(shù)據(jù)圖形對比可以發(fā)現(xiàn)，利用該采集卡測量的數(shù)據(jù)質量均滿足激光雷達對大氣氣溶膠和云的測量要求。

   激光雷達大氣探測的最終目標并不僅僅是要獲取高質量的回波信號，而是要反演得到實際大氣的光學特性。而激光雷達測量數(shù)據(jù)反演結果的好壞直接取決于采集信號的準確性和精確性，因此衡量激光雷達采集信號質量的唯一標準便是其反演結果。通過實際大氣光學特性分析與對比，證明PCI-9846采集卡的性能參數(shù)足以滿足0-15km對流層高度范圍內實際氣溶膠和云光學性質的測量需求，而退偏振比測量結果顯示PCI-9846采集卡具備兩個通道同時進行高質量信號采集的能力。

   為驗證PCI-9846采集卡的長時間連續(xù)工作能力，PRML激光雷達在2010-8-10至2010-8-15期間進行了六天的連續(xù)自動測量，測量時間間隔為30min，空間分辨率為7.5m，結果表明PCI-9846采集卡具備可靠的連續(xù)工作能力，非常適合應用于激光雷達的自動連續(xù)工作模式。

   綜合而言，凌華PCI-9846高分辨率數(shù)字采集卡在實際測試中表現(xiàn)出的優(yōu)良品質表明該采集卡可以滿足激光雷達對于數(shù)據(jù)采集的要求，讓激光雷達探測系統(tǒng)設計如虎添翼。