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   謝晨波，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

   2012年11月14日 北京訊

   隨著當(dāng)前電磁波雷達(dá)探測技術(shù)從厘米波、毫米波向光波探測技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)作為傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)和現(xiàn)代激光技術(shù)的結(jié)合體，具有光波波長較短的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)大氣光學(xué)與物理特性，以及大氣氣象參數(shù)的主動(dòng)遙感探測。同時(shí)，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(dá)在測量高度、時(shí)空分辨率、測量精度以及連續(xù)自動(dòng)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(dá)現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于激光大氣傳輸、氣溶膠和云輻射效應(yīng)、大氣環(huán)境監(jiān)測以及全球氣候模式等研究領(lǐng)域。

   作為當(dāng)前大氣探測領(lǐng)域的先進(jìn)手段，激光雷達(dá)的特性同樣決定了其對(duì)于數(shù)據(jù)信息的高速高精度需求，激光雷達(dá)必須得到具備高空間分辨率、高時(shí)間分辨率以及高測量精度的廓線信息，這也是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元的最大挑戰(zhàn)。具體來說，在激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)大氣氣溶膠和云時(shí)空分布特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集的空間分辨率必須在30m以內(nèi)，時(shí)間分辨率在15min以內(nèi)，測量信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在104以上，而最小測量精度在1mV量級(jí)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(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，以實(shí)現(xiàn)0-15km大氣范圍內(nèi)大氣氣溶膠和云的探測目的。

   成功的關(guān)鍵

   激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)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(duì)信號(hào)探測單元輸出的電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和采集，該部分直接決定了系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)與否。

   鑒于大氣在時(shí)間和空間的分布特點(diǎn)以及激光雷達(dá)測量原理，激光雷達(dá)對(duì)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(dá)實(shí)際測量的大氣回波光信號(hào)屬于典型的弱信號(hào)探測，因此激光雷達(dá)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(dá)的探測目標(biāo)大氣分子和氣溶膠粒子廣泛存在與0-15km范圍的對(duì)流層內(nèi)，并且其濃度隨高度呈指數(shù)衰減，因此激光雷達(dá)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(dòng)態(tài)變化信號(hào)的采集；
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   空間和時(shí)間分辨能力——實(shí)際大氣狀況在空間和時(shí)間分布上都具有不均勻性，因此為有效揭示大氣分布細(xì)節(jié)信息，數(shù)據(jù)采集單元也必須具備很高的空間和時(shí)間分辨能力；
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   響應(yīng)能力——由于激光雷達(dá)必須提供精準(zhǔn)的空間距離信息，因此激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元必須具備超快的外觸發(fā)響應(yīng)能力；
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   抗電磁干擾——激光雷達(dá)是集光機(jī)電為一體的精密測量系統(tǒng)，同時(shí)包含強(qiáng)電和弱電，因此激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元必須具備較強(qiáng)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(dá)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(dá)的探測性能和探測精度。

   讓激光雷達(dá)如虎添翼
 
                 
                     圖1 PRML激光雷達(dá)外觀圖（左）和結(jié)構(gòu)示意圖（右）

   偏振-拉曼-米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)（PRML激光雷達(dá)）是專門為中國氣象局研制的大氣主動(dòng)探測產(chǎn)品，主要用于連續(xù)自動(dòng)測量0-15km高度范圍內(nèi)對(duì)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(xué)參數(shù)的時(shí)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(xué)與探測單元由三個(gè)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?dú)夥肿幼饔卯a(chǎn)生的607nm拉曼散射信號(hào)，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(hào)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(hào)平行分量。利用三個(gè)探測通道的測量數(shù)據(jù)并結(jié)合上述反演方法便可得到對(duì)流層氣溶膠和云光學(xué)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(jìn)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(dá)產(chǎn)品的空間分辨率為7.5m，時(shí)間分辨率為8min，測量范圍為0-15km，并且需要雙通道信號(hào)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(duì)應(yīng)激光雷達(dá)的性能參數(shù)對(duì)比。

    表1 凌華PCI-9846采集卡主要性能參數(shù)和對(duì)應(yīng)激光雷達(dá)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(shí)用于4個(gè)通道的模擬數(shù)據(jù)輸入，對(duì)應(yīng)于激光雷達(dá)而言則可同時(shí)滿足4個(gè)探測通道。在本文中提及的PRML激光雷達(dá)則只利用了其一半，即2個(gè)輸入通道。PCI-9846采集卡的采樣速率為20MHz，對(duì)應(yīng)于激光雷達(dá)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(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為65536。但考慮到激光雷達(dá)探測器輸出為負(fù)電流，因此實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)為32768，對(duì)應(yīng)采樣信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到104以上，可覆蓋0-15km范圍內(nèi)實(shí)際探測信號(hào)。結(jié)合PCI-9846采集卡的輸入電壓和阻抗分別為±1V和50Ω，其對(duì)應(yīng)激光雷達(dá)信號(hào)探測單元的實(shí)際測量精度為0.03mv和0.61uA，具備很好的弱信號(hào)探測能力。PCI-9846采集卡的外觸發(fā)為TTL脈沖電信號(hào)，其響應(yīng)時(shí)間<20ns，對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)測距精度為3m，具備很高的距離定位精度。同時(shí)PCI-9846采集卡可方便插入工控機(jī)PCI標(biāo)準(zhǔn)差槽內(nèi)，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(dá)的數(shù)據(jù)采集所用。

   驗(yàn)證優(yōu)良品質(zhì)

   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(hào)、有效信號(hào)和信噪比的數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，利用該采集卡測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量均滿足激光雷達(dá)對(duì)大氣氣溶膠和云的測量要求。

   激光雷達(dá)大氣探測的最終目標(biāo)并不僅僅是要獲取高質(zhì)量的回波信號(hào)，而是要反演得到實(shí)際大氣的光學(xué)特性。而激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)反演結(jié)果的好壞直接取決于采集信號(hào)的準(zhǔn)確性和精確性，因此衡量激光雷達(dá)采集信號(hào)質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)便是其反演結(jié)果。通過實(shí)際大氣光學(xué)特性分析與對(duì)比，證明PCI-9846采集卡的性能參數(shù)足以滿足0-15km對(duì)流層高度范圍內(nèi)實(shí)際氣溶膠和云光學(xué)性質(zhì)的測量需求，而退偏振比測量結(jié)果顯示PCI-9846采集卡具備兩個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行高質(zhì)量信號(hào)采集的能力。

   為驗(yàn)證PCI-9846采集卡的長時(shí)間連續(xù)工作能力，PRML激光雷達(dá)在2010-8-10至2010-8-15期間進(jìn)行了六天的連續(xù)自動(dòng)測量，測量時(shí)間間隔為30min，空間分辨率為7.5m，結(jié)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(yīng)用于激光雷達(dá)的自動(dòng)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(shí)際測試中表現(xiàn)出的優(yōu)良品質(zhì)表明該采集卡可以滿足激光雷達(dá)對(duì)于數(shù)據(jù)采集的要求，讓激光雷達(dá)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)如虎添翼。