QT1130高速数据采集卡在大气探测激光雷达中的应用
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发表于:2016-05-23 14:49
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 1.测污激光雷达的原理 

 激光雷达的一个重要应用领域是大气探测,大气探测是利用各种探测手段对大气中的物理过程和物理现象及气象要素等进行观测、探测并使用不同的载体记录下来。大气探测所获取的气象记录、资料是进行天气预报、气候分析、气象科学研究和为各行各业服务的基础。

  随着我国工业经济的发展,大气污染也日益加重。保护我们的生存环境,保护人类赖以生存的大气层,已经是迫不及待的事情了。发展一种快速检测大气中污染气体的手段,已成为激光雷达研究中的最重要的课题,因为它关系到我国社会能否持续发展的重大问题。
 
  激光雷达是一种主动式的现代光学遥感设备,其基本工作原理与普通雷达类似:由发射系统发送一个信号与目标物质作用,返回的带有目标物质信息的信号被接收系统收集并进行处理以获得需要的信息。所不同的是激光雷达的发射信号是激光,它是传统无线电波雷达在光学频段上的延伸。基于激光的各种特性,激光雷达具有很高的时空分辨率和探测灵敏度,在大气探测和研究方面有着广阔的应用前景。
 
 
2.激光雷达中的AD采集卡
 

  光电倍增管输出的模拟电流信号必须转换为电压,经放大、数字化后才能提供给计算机做数据处理,最终得到污染物的浓度分布。因此数字化是很重要的一个环节。图1是差分激光雷达接收系统的原理图,图上只列出了主要部件。下面我们重点介绍一下对数据采集卡的要求。激光雷达通常以20HZ的频率发射激光脉冲,要求AD采集卡以10MHZ的速度与发射同步地连续采集1000点的回波信号。对应的探测距离是15公里,距离分辨率是15m。由于激光雷达是脉冲式工作,数据流量并非很大。连续测量的时间每次大约是100秒到1000秒,并因测量目的而异。为了能够实时显示,通常把每个脉冲的数据都保存和显示,因而不要求很大的板上存储空间。

 

 

  另一个重要的指标是AD转换分辨率,8bit分辨率对应于满量程0.3%的精度,12bit分辨率对应0.025%的精度。由于激光雷达回波信号变化范围很大(动态范围大),我们又要求有很高的测量精度,特别是想得到污染物空间分布图时,因此我们希望采用12bit以上的高分辨率的采集卡。总之,激光雷达对AD采集卡的主要要求有:10MHz以上的采集速度,12bit以上的AD分辨率,50欧姆输入阻抗,较高的灵敏度和足够的通带宽,外触发采集功能,对外部干扰隔离好,支持多种语言的驱动软件等。而坤驰科技的QT1130高速数据采集卡在技术上是完全符合要求的。
 
 
系统上使用的QT1130采集卡的技术指标如下:
 
  • 最大支持四通道同步采集
  • 最高1GSPS 采样率
  • 12bit 转换精度
  • 最高2GHz 模拟输入带宽
  • 最大板载4GB DDR3 存储器
  • 支持外部触发输入或输出
  • PCIe x8 Gen2 接口,数据连续传输率3.0GB/s
  • FPGA 支持用户自定义逻辑开发

 

 

 
 
3.数据处理软件设计
 
 
  如果采用实时处理模式,新产生的数据被实时处理模块捕获,实时处理模块对数据的合法性进行检查同时判断出数据的类型然后传递到数据处理算法。数据处理算法模块根据数据的类型调用合适的算法进行计算,一方面把结果存入文本文件,另一方面根据显示模式的不同把结果传递到不同的图像绘制模块。在一般测量情况下将数据传递到曲线绘制模块,车载激光雷达进行被测物质时间分布测量时将数据传递到时间演化图绘制模块,如果车载激光雷达进行被测物质空间分布测量时将数据传递到剖面图绘制模块。各图像绘制模块完成结果的显示后将图像保存为图片文件以备以后查阅。
 
 
数据处理软件设计
 
 

 软件模块与数据流

 
                    图3 软件模块与数据流
 
 
4.AD采集卡的抗干扰问题
 
  高速数据采集卡可能引进噪音,主要包括来自周围电子器件的随机干扰、与激光器发射相关的电磁干扰和本底基线偏移。本底基线指激光雷达系统的暗背景测量基线,理想情形它是一条水平直线。可是在实际系统中经常观察到起点偏移,我们称本底基线偏移。这种偏移很小,但是它不稳定,它与真实的信号重叠在一起成为测量误差。为了能探测到污染分子的存在,必须最大的提高系统灵敏度,通常要把激光测量重复几千次甚至几万次以提高信噪比。同时必须尽量的减小各种干扰,包括这种基线偏移。
 
  实验证明,减小外触发信号可以减小本底基线偏移;说明基线偏移的一个重要来源是外触发电压。其产生的原因可能是板卡设计上的缺陷,外触发信号的一部分经过分布电容耦合到了信号输入端。基线偏移的另一个重要来源是激光高压放电脉冲干扰,它很不稳定,与接线情况,地线好坏,板卡设计,温度湿度等都有关系。
 
5.结论

  经过实践证实,可以说坤驰科技的QT1130高速数据采集卡应用于测污激光雷达具有最高的性能价格比。在一些特殊应用上,还能够提高测污激光雷达的性能,实现了高分辨率的采集功能。 

 

 



 
       
     
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