1 引言

　　現(xiàn)代光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍需要使用高性能計(jì)算機(jī)來采集、分析、存儲(chǔ)并顯示數(shù)據(jù)。通常，需要的就是將光探測(cè)器輸出的原始模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的高速數(shù)字化儀。市場(chǎng)上基于PC的數(shù)字化儀為光譜學(xué)提供了低成本、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、品質(zhì)一流的完整解決方案。個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer的縮寫）、巡邏車（Patrol Car的縮寫）、秒差距（Parsec的縮寫）、煤粉（Pulverise Coal 的縮寫）、游戲中由玩家控制的角色（Player Character的縮寫）、Political Correctness/Political Correct 政治上的正確（語言現(xiàn)象）、紙層析簡(jiǎn)稱、化學(xué)用語。PC （Personal Computer），個(gè)人計(jì)算機(jī)一詞源自于1978年IBM的部桌上型計(jì)算機(jī)型號(hào)PC，在此之前有Apple II的個(gè)人用計(jì)算機(jī)。能獨(dú)立運(yùn)行、完成特定功能的個(gè)人計(jì)算機(jī)。個(gè)人計(jì)算機(jī)不需要共享其他計(jì)算機(jī)的處理、磁盤和打印機(jī)等資源也可以獨(dú)立工作。今天，個(gè)人計(jì)算機(jī)一詞則泛指所有的個(gè)人計(jì)算機(jī)、如桌上型計(jì)算機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、或是兼容于IBM系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)等。

　　2 概述

　　基于PC的數(shù)字化儀的基本優(yōu)勢(shì)在于其基于PCI總線的無與倫比的數(shù)據(jù)傳輸速度，數(shù)據(jù)可以從數(shù)字化儀的內(nèi)存直接傳輸?shù)絇C-RAM，而不需要CPU的干預(yù)。基于PC的數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到200 MByte/s。高數(shù)據(jù)傳輸速率使光譜系統(tǒng)可以在許多光譜應(yīng)用中跟蹤重復(fù)頻率很高的信號(hào)，而不發(fā)生無效觸發(fā)。

　　數(shù)字化儀對(duì)光譜學(xué)重要的兩個(gè)貢獻(xiàn)，一是它的高采樣速率提高了測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確性，二是其高垂直分辨率提高了對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的靈敏度。高采樣率和高分辨率是數(shù)字化儀的兩個(gè)相對(duì)立的特性。數(shù)字化儀是將圖像（膠片或像片）和圖形（包括各種地圖）的連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量的裝置，是在應(yīng)用領(lǐng)域中一種用途非常廣泛的圖形輸入設(shè)備，是由電磁感應(yīng)板、游標(biāo)和相應(yīng)的電子電路組成。當(dāng)使用者在電磁感應(yīng)板上移動(dòng)游標(biāo)到指定位置，并將十字叉的交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)數(shù)字化的點(diǎn)位時(shí)，按動(dòng)按鈕，數(shù)字化儀則將此時(shí)對(duì)應(yīng)的命令符號(hào)和該點(diǎn)的位置坐標(biāo)值排列成有序的一組信息，然后通過接口（多用串行接口）傳送到主計(jì)算機(jī)。再說得簡(jiǎn)單通俗一些，數(shù)字化儀就是一塊超大面積的手寫板，用戶可以通過用專門的電磁感應(yīng)壓感筆或光筆在上面寫或者畫圖形，并傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。不過在軟件的支持上它是和手寫板有很大的不同的，硬件的設(shè)計(jì)上也是各有偏重的。

　　在許多的應(yīng)用領(lǐng)域中，用戶需要繪制大面積的圖紙，僅靠CAD系統(tǒng)是無法完全完成圖紙繪制的，在上也會(huì)有較大的偏差，因此必須通過數(shù)字化儀來滿足用戶的需求。高的數(shù)字化儀適用于地質(zhì)、測(cè)繪、國(guó)土等行業(yè)。普通的數(shù)字化儀適用于工程、機(jī)械、服裝設(shè)計(jì)等行業(yè)。

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　3.1 激光雷達(dá)光譜學(xué)

　　3.1.1 激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍

　　雖然激光雷達(dá)被廣泛用于探測(cè)森林覆蓋率和測(cè)量汽車行駛速度，但主要應(yīng)用在大氣科學(xué)領(lǐng)域，如圖l所示，在大氣脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)中，激光脈沖一般指向大氣，然后被大氣成分散射。

　　3.1.2 激光雷達(dá)系統(tǒng)的種類

　　工作在紅外和可見光波段的雷達(dá)稱為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng) 、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成；接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。

　　激光雷達(dá)系統(tǒng)可分為以下三種：簡(jiǎn)單的激光雷達(dá)系統(tǒng)（使用單頻激光），復(fù)雜的激光雷達(dá)系統(tǒng)（包括兩個(gè)頻率的激光來鑒別物種或測(cè)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(dá)（使用高能量脈沖激光）。

　　其中脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要特性如下：

　　典型脈沖持續(xù)時(shí)間約為10 ns，波長(zhǎng)約為500nm，激光重復(fù)頻率為50 Hz~100 Hz。脈沖激光由轉(zhuǎn)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(duì)流層，即大部分天氣現(xiàn)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(tǒng)所收集，然后導(dǎo)入光探測(cè)器，其電壓輸出被發(fā)送到數(shù)字化儀。當(dāng)入射激光束射向給定方向，激光脈沖觸發(fā)數(shù)字化儀。光信號(hào)強(qiáng)度是時(shí)間t的函數(shù)，說明光在給定高度x的散射強(qiáng)度，x=ct/2。

　　光速c可以表示為300 m/μs，到達(dá)對(duì)流層頂部來回距離為30 km，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(dá)系統(tǒng)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(cè)到的光強(qiáng)度會(huì)按高度的平方遞減。這一快速下降導(dǎo)致探測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間增加而下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，高動(dòng)態(tài)范圍的激光雷達(dá)信號(hào)要求的數(shù)字化儀分辨率：100 MS/s時(shí)為14bits。

　　有時(shí)要用不同的探測(cè)器覆蓋激光雷達(dá)信號(hào)的不同強(qiáng)度范圍。在新的雙探測(cè)器技術(shù)中，光電二極管探測(cè)器提供高強(qiáng)度，低高度的前部信號(hào)，產(chǎn)生正比于光強(qiáng)度的瞬時(shí)電壓輸出。對(duì)后部高度高，強(qiáng)度低的信號(hào)部分，使用光電倍增管（PMT）。由于PMT電子增益高，在探測(cè)單光子時(shí)，可以認(rèn)為產(chǎn)生的是電脈沖。每個(gè)探測(cè)器的輸出被分別連接到數(shù)字化儀的兩個(gè)通道上。ADC，即移動(dòng)ADC，是Application data center的縮寫，其實(shí)是ASP模式與IDC業(yè)務(wù)的結(jié)合的演變，是由中國(guó)移動(dòng)推出的一項(xiàng)移動(dòng)信息化產(chǎn)品業(yè)務(wù)，主要針對(duì)中小企業(yè)，屬于移動(dòng)信息化的行業(yè)應(yīng)用，業(yè)務(wù)主要包括有移動(dòng)OA、手機(jī)郵箱、無線網(wǎng)站以及移動(dòng)進(jìn)銷存等四款行業(yè)應(yīng)用托管解決方案。ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。真實(shí)世界的模擬信號(hào)，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲(chǔ)存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在各種不同的產(chǎn)品中都可以找到它的身影。

　　掃描激光束角度使激光雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)大氣成像，激光雷達(dá)信號(hào)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）。快速重復(fù)采集可以提供快的整體激光雷達(dá)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l(wèi)O 000點(diǎn)。基于PC、具有超快傳輸速率PCI的數(shù)字化儀可以以超過l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000點(diǎn)波形。

　　3.2 腔體衰蕩光譜

　　激光腔體衰蕩光譜（CRDS）是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，是在近25年隨著高反射鏡的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。如圖2所示，在典型的脈沖激光CRDS實(shí)驗(yàn)中，激光腔體中泄漏光強(qiáng)度的指數(shù)衰減率取決于未知?dú)怏w樣品衰減，從變化率就可以確認(rèn)是哪種氣體。

　　從可調(diào)諧激光器輸出的高功率光脈沖穿過由兩個(gè)高反射鏡（大于99.9％）組成的腔體后，沿光軸在另外一側(cè)出射。光脈沖在兩端的鏡子之間來回反射，強(qiáng)度隨每次反射及衰減指數(shù)降低。從腔體泄漏出來的光被一端的光探測(cè)器檢測(cè)。

　　時(shí)間常數(shù)的相對(duì)誤差約等于衰減S/N。因?yàn)樗p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(dá)到14 bits分辨率，超過60 dB的S/N，使測(cè)量的時(shí)間常數(shù)在O.1％以上。快速重復(fù)信號(hào)采集可以對(duì)重復(fù)信號(hào)進(jìn)行平均，并進(jìn)一步提高時(shí)間常數(shù)測(cè)量的性。

　　3.3 激光超聲

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

　　大約持續(xù)10 ns的高能紫外激光脈沖以待測(cè)物的一側(cè)為目標(biāo)。突然的熱膨脹產(chǎn)生一個(gè)超聲脈沖，它在待測(cè)物中穿過，撞擊到另一側(cè)，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(dá)干涉儀，在干涉儀中與一個(gè)參考光束相結(jié)合。

　　掃描激光超聲系統(tǒng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)巨大的物體，如飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行非接觸檢測(cè)。由于其超聲頻率激發(fā)帶寬為100 MHz或更大，激光超聲也是材料評(píng)估的一個(gè)有力方法。隨著超聲頻率增加，衰減也增加，波長(zhǎng)低于微型結(jié)構(gòu)晶粒大小。100 MHz頻率的超聲波長(zhǎng)有幾十微米，可以用于金屬中的晶粒尺寸。

　　要達(dá)到100 MHz或更高的超聲頻率，激光超聲系統(tǒng)通常要求采樣率很高的數(shù)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(shù)字化儀限制在8 bits。快速重復(fù)信號(hào)采集要求信號(hào)平均，快速掃描，或跟上快速材料加工速度。正如在其它光譜應(yīng)用中，基于PC的高性能數(shù)字化儀提供了高重復(fù)率，其限制因素僅為激光脈沖重復(fù)頻率。