一、基本介紹

50多年前，激光技術(shù)的發(fā)展催生了激光雷達(dá) (LIDAR) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在距離計(jì)算方式上取得了突破。激光雷達(dá)的原理與雷達(dá)所使用的原理非常相似。主要區(qū)別在于雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)物體反射的無(wú)線電波，而激光雷達(dá)則使用激光信號(hào)。這兩種技術(shù)通常采用相同類型的飛行時(shí)間方法來(lái)確定物體的距離。然而，由于激光的波長(zhǎng)比無(wú)線電波短得多，因此激光雷達(dá)系統(tǒng)可提供卓越的測(cè)量精度。激光雷達(dá)系統(tǒng)還可以檢查反射光的其他屬性，例如頻率內(nèi)容或偏振，以揭示有關(guān)物體的其他信息。

激光雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)在的應(yīng)用范圍不斷增加。這包括自動(dòng)駕駛、地質(zhì)和地理測(cè)繪、地震學(xué)、氣象學(xué)、大氣物理、監(jiān)視、測(cè)高、林業(yè)、導(dǎo)航、車輛跟蹤、測(cè)量和環(huán)境保護(hù)。

圖1. 帶有光譜儀器數(shù)字化儀的激光雷達(dá)掃描

二、激光雷達(dá)配置

為了滿足多種不同的應(yīng)用，激光雷達(dá)系統(tǒng)具有多種設(shè)計(jì)和配置。每個(gè)系統(tǒng)都需要合適的光電傳感器和合適的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。光檢測(cè)系統(tǒng)中信號(hào)，要么是不相干的，其中直接能量是通過(guò)反射信號(hào)的幅度變化來(lái)測(cè)量的；要么是相干的，其中反射信號(hào)頻率的變化（例如由多普勒效應(yīng)引起的頻率變化）或其相位被觀察到。類似地，光源可以是低功率微脈沖設(shè)計(jì)，其中傳輸間歇脈沖序列，也可以是高能量光源。微脈沖系統(tǒng)非常適合需要“人眼安全”操作的應(yīng)用（例如測(cè)量和地面車輛跟蹤），而高能系統(tǒng)通常部署在長(zhǎng)距離和低水平反射的地方（如大氣物理學(xué)和氣象學(xué)研究）。

每個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)都需要使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?lái)檢測(cè)反射的激光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最常見(jiàn)的傳感器類型是光電倍增管（PMT）和固態(tài)光電探測(cè)器（例如光電二極管）。一般來(lái)說(shuō)，PMT用于可見(jiàn)光應(yīng)用，而光電二極管則更常見(jiàn)于紅外系統(tǒng)。然而，這兩種傳感器類型都被廣泛使用，并且選擇很大程度上取決于需要檢測(cè)的光特性、所需的性能水平和成本。

最重要的是，傳感器產(chǎn)生需要采集和分析的快速電信號(hào)。對(duì)于大多數(shù)LIDAR應(yīng)用，信號(hào)采集卡最流行的外形尺寸是PCIe，因?yàn)檫@使得它們可以直接安裝在大多數(shù)現(xiàn)代PC內(nèi)。PCIe是德思特許多數(shù)字化儀供應(yīng)商提供的一種外形規(guī)格。這是創(chuàng)建功能強(qiáng)大、易于使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)單方法。由于PCIe總線提供非常高的數(shù)據(jù)吞吐率，因此信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸和分析功能通常比其他更傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)快得多。德思特還提供數(shù)字化儀NETBOX、基于LXI/以太網(wǎng)的緊湊型設(shè)備或PXIe等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于具有空間限制或振動(dòng)問(wèn)題的移動(dòng)環(huán)境（例如機(jī)載或移動(dòng)激光雷達(dá)）來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖2. 大氣激光雷達(dá)掃描

三、激光雷達(dá)性能等級(jí)

對(duì)于LIDAR應(yīng)用，存在三個(gè)獨(dú)立的性能等級(jí)：

1.最快的光脈沖

為了捕獲和分析非常快的信號(hào)，數(shù)字化儀需要高達(dá)5 GS/s的采樣率和超過(guò)1 GHz的高帶寬。此類數(shù)字化儀的一個(gè)示例是TS Spectrum M4i.22xx系列。M4i.22xx系列在PCIe和PXIe平臺(tái)上每卡提供多達(dá)4個(gè)通道，在LXI平臺(tái)上提供多達(dá)24個(gè)通道。這種組合使這些卡非常適合與產(chǎn)生納秒甚至亞納秒范圍脈沖的快速傳感器一起使用。此外，5 GS/s的快速采樣率可實(shí)現(xiàn)亞納秒分辨率的定時(shí)測(cè)量。它非常適合需要檢測(cè)和測(cè)量小頻移（例如由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移）的情況。

2.適用于低電平信號(hào)和高靈敏度

當(dāng)需要寬信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍和非常高的靈敏度時(shí)，數(shù)字化儀需要能夠以幾百M(fèi)S/s的采樣率和匹配的帶寬采集幅度低至毫伏范圍的信號(hào)。垂直分辨率需要高，最好是16位。例如，TS Spectrum M4i.44xx系列在500 MS/s下具有14位分辨率，在250 MS/s下具有16位分辨率。這些裝置還具有從±200 mV到±10 V的可編程滿量程增益范圍，使其適合需要觀察和測(cè)量低電平信號(hào)和小幅度變化的應(yīng)用。

3.具有低成本效益的中檔性能

第三組適用于需要高靈敏度但時(shí)序要求不高的應(yīng)用。高達(dá)100 MS/s的采樣率和16位垂直分辨率（如TS Spectrum M2p.59xx系列）適合該應(yīng)用領(lǐng)域。這些裝置用于需要高信號(hào)靈敏度的長(zhǎng)距離激光雷達(dá)應(yīng)用，也用于需要高密度、多通道記錄的情況。

數(shù)字化儀包括多種不同的采集模式，可有效利用數(shù)字化儀的板載內(nèi)存并提供超快觸發(fā)功能，從而不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何重要事件。這些模式包括多重采集和門(mén)控采集，并配有時(shí)間戳、FIFO流或基于FPGA的高速塊平均。

審核編輯 黃宇