基于PC的数字化现代光谱学

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，最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。

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(即：触发信号到达数字化仪了，但是仪器正在进行数据传输而投有响应，造成该触发无效)。
    数字化仪对光谱学最重要的两个贡献，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。简而言之，高垂直分辨率测量需要较长时间来实现，从而降低了采样率。因此，设计光谱系统时需要根据应用要求在高分辨率和高采样率之间选择最有效配合。

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。极小的一部分散射光最终被光学接收器收集起来进行分析。不同的激光雷达系统可以应用于气象学、风速测量、气候变化监测、臭氧监测、污染监测等。

3.1.2 激光雷达系统的种类
    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最大距离为30 km，最大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最高的数字化仪分辨率：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。每个数字化仪都配备有两个独立的模拟-数字转换器(ADC)，它们由相同的高速采集信号时钟触发，提供双通道同步采样。这样，用户可以使用前期的连续探测器和后期的PMT，将两个探测器信号按时间组合起来。
    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最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。所以，激光雷达系统的扫描速度只受到100 Hz激光触发速率，而不是数字化仪传输速率的限制。
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。测量腔体的衰减时间常数变化，如：扫描激光频率，能进行灵敏的分子吸收光谱测量及痕量气体探测。因为它只测量泄漏的衰减时间，脉冲CRDS对激光强度变化在本质上是不敏感的。
    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，使测量的时间常数精确在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精确性。在激光雷达中，基于PC的高速数字化仪能够进行快速数据传输，数据采集仅受激光重复频率的限制，约为100 Hz～200 Hz．
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。干涉仪的电压输出信号提供了一个从该表面来的超声位移信号。
    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。因此，研究频率与超声衰减的依存关系，激光超声光谱可以跟踪不同处理过程中微型结构的演化。
    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。