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采用PC的数字化现代光谱学设计方案
时间:2022-01-03 01:38点击量:


本文摘要:1章节 现代光谱学实验广泛必须用于高性能计算机来收集、分析、存储并表明数据。一般来说,最必须的就是将光探测器输入的完整仿真电压信号切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获取了低成本、结构紧凑非常简单、品质一流的原始解决方案。 2阐述 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必要传输到PC-RAM,而不必须CPU的介入。基于PC的数字化仪的数据传输速度可以超过200MByte/s。

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1章节  现代光谱学实验广泛必须用于高性能计算机来收集、分析、存储并表明数据。一般来说,最必须的就是将光探测器输入的完整仿真电压信号切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获取了低成本、结构紧凑非常简单、品质一流的原始解决方案。  2阐述  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必要传输到PC-RAM,而不必须CPU的介入。基于PC的数字化仪的数据传输速度可以超过200MByte/s。低数据传输速率使光谱系统可以在许多光谱应用于中追踪反复频率很高的信号,而不再次发生违宪启动时(即:启动时信号抵达数字化仪了,但是仪器正在展开数据传输而投有号召,导致该启动时违宪)。

  数字化仪对光谱学最重要的两个贡献,一是它的高取样速率提升了测量时间的准确性,二是其低横向分辨率提升了对低动态范围信号的灵敏度。低比特率和高分辨率是数字化仪的两个比较而立的特性。简而言之,低横向分辨率测量必须较长时间来构建,从而减少了比特率。

因此,设计光谱系统时必须根据应用于拒绝在高分辨率和低比特率之间自由选择最有效地因应。  3应用于实例  3.1激光雷达光谱学  3.1.1激光雷达的应用于范围  虽然激光雷达被普遍用作观测森林覆盖率和测量汽车行经速度,但主要应用于在大气科学领域,如图l右图,在大气脉冲激光雷达系统中,激光脉冲一般指向大气,然后被大气成分衍射。大于的一部分散射光最后被光学接收器搜集一起展开分析。

有所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  激光雷达系统可分成以下三种:非常简单的激光雷达系统(用于单频激光),简单的激光雷达系统(还包括两个频率的激光来辨别物种或测量光学多普勒频移,以此取得散射体的速度,进而获知大气的风速),脉冲激光雷达(用于高能量脉冲激光)。  其中脉冲激光雷达系统的主要特性如下:  典型脉冲持续时间大约为10ns,波长大约为500nm,激光反复频率为50Hz~100Hz。脉冲激光由改向镜升空到大气中。

大气中的组分(某些分子、漂浮粒子、水蒸气或小液滴)将脉冲向各个方向衍射。研究一般来说局限在对流层,即大部分天气现象再次发生较频密的一层,横向高度在15km以下。

一小部分被大气衍射的激光被光搜集系统所搜集,然后引入光探测器,其电压输入被发送到数字化仪。当入射光激光束箭向等价方向,激光脉冲启动时数字化仪。光信号强度是时间t的函数,解释光在等价高度x的衍射强度,x=ct/2。  光速c可以回应为300m/s,抵达对流层顶部往返仅次于距离为30km,仅次于激光脉冲飞行中时间为30km/300m/s=100ms.典型情况下,激光雷达系统拒绝比特率大约为100MS/s,这样就可以获得大约为1/2(300M/s)/(100MS/s)=1.5m的空间分辨率。

  如果大气中光的衍射与高度是完全一致的,那么在地面观测到的光强度不会按高度的平方递增。这一较慢上升造成观测到的光信号强度随时间减少而上升几个数量级。

因此,低动态范围的激光雷达信号拒绝最低的数字化仪分辨率:100MS/s时为14bits。  有时要用有所不同的探测器覆盖面积激光雷达信号的有所不同强度范围。在新的双探测器技术中,光电二极管探测器获取高强度,较低高度的前部信号,产生正比于光强度的瞬时电压输入。

对后部高度低,强度较低的信号部分,用于光电大幅提高管(PMT)。由于PMT电子增益低,在观测单光子时,可以指出产生的是电脉冲。每个探测器的输入被分别相连到数字化仪的两个地下通道上。

每个数字化仪都配有有两个独立国家的仿真-数字转换器(ADC),它们由完全相同的高速收集信号时钟启动时,获取双通道实时取样。这样,用户可以用于前期的倒数探测器和后期的PMT,将两个探测器信号按时间人组一起。  扫瞄激光束角度使激光雷达系统可以对大气光学,激光雷达信号经常在某一个激光升空角度展开平均值以提升信噪比(S/N)。较慢反复收集可以获取最慢的整体激光雷达扫瞄速度。

拒绝的收集时间为100s,比特率为100MS/s,所收集的波形大小有lO000点。基于PC、具备超快传输速率PCI的数字化仪可以以多达l000waveforms/s的速率收集到lO000点波形。所以,激光雷达系统的扫瞄速度只受到100Hz激光启动时速率,而不是数字化仪传输速率的容许。

  3.2腔体衰荡光谱  激光腔体衰荡光谱(CRDS)是一项强劲的技术,是在近25年随着低反射镜的经常出现而经常出现的。如图2右图,在典型的脉冲激光CRDS实验中,激光腔体中外泄光强度的指数衰减率各不相同不得而知气体样品波动,从变化率就可以证实是哪种气体。  从可回声激光器输入的高功率光脉冲穿越由两个低反射镜(小于99.9%)构成的腔体后,沿光轴在另外一侧出射。

光脉冲在两端的镜子之间往返光线,强度随每次光线及波动指数减少。从腔体外泄出来的光被一端的光探测器检测。测量腔体的波动时间常数变化,如:扫瞄激光频率,能展开灵敏的分子吸收光谱测量及痕量气体观测。因为它只测量外泄的波动时间,脉冲CRDS对激光强度变化在本质上是不脆弱的。

  时间常数的相对误差相当于波动S/N。因为波动时间一般为几毫秒,100MS/s的比特率就充足了。在此比特率下,可以超过14bits分辨率,多达60dB的S/N,使测量的时间常数准确在O.1%以上。

较慢反复信号收集可以对反复信号展开平均值,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的高速数字化仪需要展开较慢数据传输,数据采集仅有不受激光反复频率的容许,大约为100Hz~200Hz.  3.3激光成像  传统上,成像检测(非认识技术可以在样品中要用激光产生和检测成像)拒绝将成像传感器与待测物体相连接;或最少通过介质(如:水)展开传导(闻图3)。  约持续10ns的高能紫外激光脉冲以备测物的一侧为目标。

忽然的热膨胀产生一个成像脉冲,它在待测物中穿越,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光线过来抵达干涉仪,在干涉仪中与一个参照光束结合。

干涉仪的电压输入信号获取了一个从该表面来的成像偏移信号。  扫瞄激光成像系统用作对结构极大的物体,如飞机机身展开非认识检测。由于其成像频率唤起比特率为100MHz或更大,激光成像也是材料评估的一个有力方法。随着成像频率减少,波动也减少,波长高于微型结构晶粒大小。

100MHz频率的超声波宽有几十微米,可以用作金属中的晶粒尺寸。因此,研究频率与成像波动的依存关系,激光成像光谱可以追踪有所不同处理过程中微型结构的进化。

  要超过100MHz或更高的成像频率,激光成像系统一般来说拒绝比特率很高的数字化仪(1GS/s或更高)。同时拒绝高分辨率,低比特率一般来说将数字化仪容许在8bits。较慢反复信号收集拒绝信号平均值,较慢扫瞄,或跟上较慢材料加工速度。

正如在其它光谱应用于中,基于PC的高性能数字化仪获取了高重复率,其容许因素仅有为激光脉冲反复频率。


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