一、基本介紹

50多年前，激光技術的發展催生了激光雷達 (LIDAR) 系統，該系統在距離計算方式上取得了突破。激光雷達的原理與雷達所使用的原理非常相似。主要區別在于雷達系統檢測物體反射的無線電波，而激光雷達則使用激光信號。這兩種技術通常采用相同類型的飛行時間方法來確定物體的距離。然而，由于激光的波長比無線電波短得多，因此激光雷達系統可提供卓越的測量精度。激光雷達系統還可以檢查反射光的其他屬性，例如頻率內容或偏振，以揭示有關物體的其他信息。

激光雷達系統現在的應用范圍不斷增加。這包括自動駕駛、地質和地理測繪、地震學、氣象學、大氣物理、監視、測高、林業、導航、車輛跟蹤、測量和環境保護。

圖1. 帶有光譜儀器數字化儀的激光雷達掃描

二、激光雷達配置

為了滿足多種不同的應用，激光雷達系統具有多種設計和配置。每個系統都需要合適的光電傳感器和合適的數據采集設備。光檢測系統中信號，要么是不相干的，其中直接能量是通過反射信號的幅度變化來測量的；要么是相干的，其中反射信號頻率的變化（例如由多普勒效應引起的頻率變化）或其相位被觀察到。類似地，光源可以是低功率微脈沖設計，其中傳輸間歇脈沖序列，也可以是高能量光源。微脈沖系統非常適合需要“人眼安全”操作的應用（例如測量和地面車輛跟蹤），而高能系統通常部署在長距離和低水平反射的地方（如大氣物理學和氣象學研究）。

每個激光雷達系統都需要使用適當的傳感器來檢測反射的激光信號并將其轉換為電信號。最常見的傳感器類型是光電倍增管（PMT）和固態光電探測器（例如光電二極管）。一般來說，PMT用于可見光應用，而光電二極管則更常見于紅外系統。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的光特性、所需的性能水平和成本。

最重要的是，傳感器產生需要采集和分析的快速電信號。對于大多數LIDAR應用，信號采集卡最流行的外形尺寸是PCIe，因為這使得它們可以直接安裝在大多數現代PC內。PCIe是德思特許多數字化儀供應商提供的一種外形規格。這是創建功能強大、易于使用的數據采集系統的簡單方法。由于PCIe總線提供非常高的數據吞吐率，因此信號采集、數據傳輸和分析功能通常比其他更傳統的采集系統快得多。德思特還提供數字化儀NETBOX、基于LXI/以太網的緊湊型設備或PXIe等行業標準，對于具有空間限制或振動問題的移動環境（例如機載或移動激光雷達）來說，這是一個不錯的選擇。

圖2. 大氣激光雷達掃描

三、激光雷達性能等級

對于LIDAR應用，存在三個獨立的性能等級：

1.最快的光脈沖

為了捕獲和分析非常快的信號，數字化儀需要高達5 GS/s的采樣率和超過1 GHz的高帶寬。此類數字化儀的一個示例是TS Spectrum M4i.22xx系列。M4i.22xx系列在PCIe和PXIe平臺上每卡提供多達4個通道，在LXI平臺上提供多達24個通道。這種組合使這些卡非常適合與產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的快速采樣率可實現亞納秒分辨率的定時測量。它非常適合需要檢測和測量小頻移（例如由多普勒效應產生的頻移）的情況。

2.適用于低電平信號和高靈敏度

當需要寬信號動態范圍和非常高的靈敏度時，數字化儀需要能夠以幾百MS/s的采樣率和匹配的帶寬采集幅度低至毫伏范圍的信號。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量低電平信號和小幅度變化的應用。

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序要求不高的應用。高達100 MS/s的采樣率和16位垂直分辨率（如TS Spectrum M2p.59xx系列）適合該應用領域。這些裝置用于需要高信號靈敏度的長距離激光雷達應用，也用于需要高密度、多通道記錄的情況。

數字化儀包括多種不同的采集模式，可有效利用數字化儀的板載內存并提供超快觸發功能，從而不會錯過任何重要事件。這些模式包括多重采集和門控采集，并配有時間戳、FIFO流或基于FPGA的高速塊平均。

審核編輯 黃宇