一种数字化现代光谱学的设计方案

　　1 引言

　　现代光谱学实验普遍需要使用高性能计算机来采集、分析、存储并显示数据。通常，需要的就是将光探测器输出的原始模拟电压信号转换为数字信号的高速数字化仪。市场上基于PC的数字化仪为光谱学提供了低成本、结构紧凑简单、品质一流的完整解决方案。个人计算机（Personal Computer的缩写）、巡逻车（Patrol Car的缩写）、秒差距（Parsec的缩写）、煤粉（Pulverise Coal 的缩写）、游戏中由玩家控制的角色（Player Character的缩写）、Political Correctness/Political Correct 政治上的正确（语言现象）、纸层析简称、化学用语。PC （Personal Computer），个人计算机一词源自于1978年IBM的部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。今天，个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。

　　2 概述

　　基于PC的数字化仪的基本优势在于其基于PCI总线的无与伦比的数据传输速度，数据可以从数字化仪的内存直接传输到PC-RAM，而不需要CPU的干预。基于PC的数字化仪的数据传输速度可以达到200 MByte/s。高数据传输速率使光谱系统可以在许多光谱应用中跟踪重复频率很高的信号，而不发生无效触发。

　　数字化仪对光谱学重要的两个贡献，一是它的高采样速率提高了测量时间的准确性，二是其高垂直分辨率提高了对高动态范围信号的灵敏度。高采样率和高分辨率是数字化仪的两个相对立的特性。数字化仪是将图像（胶片或像片）和图形（包括各种地图）的连续模拟量转换为离散的数字量的装置，是在应用领域中一种用途非常广泛的图形输入设备，是由电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。当使用者在电磁感应板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。再说得简单通俗一些，数字化仪就是一块超大面积的手写板，用户可以通过用专门的电磁感应压感笔或光笔在上面写或者画图形，并传输给计算机系统。不过在软件的支持上它是和手写板有很大的不同的，硬件的设计上也是各有偏重的。

　　在许多的应用领域中，用户需要绘制大面积的图纸，仅靠CAD系统是无法完全完成图纸绘制的，在上也会有较大的偏差，因此必须通过数字化仪来满足用户的需求。高的数字化仪适用于地质、测绘、国土等行业。普通的数字化仪适用于工程、机械、服装设计等行业。

　　3 应用实例

　　3.1 激光雷达光谱学

　　3.1.1 激光雷达的应用范围

　　虽然激光雷达被广泛用于探测森林覆盖率和测量汽车行驶速度，但主要应用在大气科学领域，如图l所示，在大气脉冲激光雷达系统中，激光脉冲一般指向大气，然后被大气成分散射。

　　3.1.2 激光雷达系统的种类

　　工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统 、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

　　激光雷达系统可分为以下三种：简单的激光雷达系统（使用单频激光），复杂的激光雷达系统（包括两个频率的激光来鉴别物种或测量光学多普勒频移，以此获得散射体的速度，进而得知大气的风速），脉冲激光雷达（使用高能量脉冲激光）。

　　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距离为30 km，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。ADC，即移动ADC，是Application data center的缩写，其实是ASP模式与IDC业务的结合的演变，是由中国移动推出的一项移动信息化产品业务，主要针对中小企业，属于移动信息化的行业应用，业务主要包括有移动OA、手机邮箱、无线网站以及移动进销存等四款行业应用托管解决方案。ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

　　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。

　　3.2 腔体衰荡光谱

　　激光腔体衰荡光谱（CRDS）是一项强大的技术，是在近25年随着高反射镜的出现而出现的。如图2所示，在典型的脉冲激光CRDS实验中，激光腔体中泄漏光强度的指数衰减率取决于未知气体样品衰减，从变化率就可以确认是哪种气体。

　　从可调谐激光器输出的高功率光脉冲穿过由两个高反射镜（大于99.9％）组成的腔体后，沿光轴在另外一侧出射。光脉冲在两端的镜子之间来回反射，强度随每次反射及衰减指数降低。从腔体泄漏出来的光被一端的光探测器检测。

　　时间常数的相对误差约等于衰减S/N。因为衰减时间一般为几毫秒，100 MS/s的采样率就足够了。在此采样率下，可以达到14 bits分辨率，超过60 dB的S/N，使测量的时间常数在O.1％以上。快速重复信号采集可以对重复信号进行平均，并进一步提高时间常数测量的性。

　　3.3 激光超声

　　传统上，超声检测（非接触技术可以在样品中只用激光产生和检测超声）要求将超声传感器与待测物体相连接；或至少通过介质（如：水）进行传导（见图3）。

　　大约持续10 ns的高能紫外激光脉冲以待测物的一侧为目标。突然的热膨胀产生一个超声脉冲，它在待测物中穿过，撞击到另一侧，产生表面波动。第二个红外激光束从这个波动表面反射出去到达干涉仪，在干涉仪中与一个参考光束相结合。

　　扫描激光超声系统用于对结构巨大的物体，如飞机机身进行非接触检测。由于其超声频率激发带宽为100 MHz或更大，激光超声也是材料评估的一个有力方法。随着超声频率增加，衰减也增加，波长低于微型结构晶粒大小。100 MHz频率的超声波长有几十微米，可以用于金属中的晶粒尺寸。

　　要达到100 MHz或更高的超声频率，激光超声系统通常要求采样率很高的数字化仪（1 GS/s或更高）。同时要求高分辨率，高采样率通常将数字化仪限制在8 bits。快速重复信号采集要求信号平均，快速扫描，或跟上快速材料加工速度。正如在其它光谱应用中，基于PC的高性能数字化仪提供了高重复率，其限制因素仅为激光脉冲重复频率。