01、引言

50 多年前激光技術(shù)的發(fā)展催生了光探測和測距 (LIDAR) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在距離計(jì)算方式上取得了突破。LIDAR 的原理與雷達(dá)使用的原理非常相似。主要區(qū)別在于雷達(dá)系統(tǒng)檢測物體反射的無線電波，而激光雷達(dá)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)間方法來確定物體的距離。然而，由于激光的波長比無線電波的波長短得多，因此激光雷達(dá)系統(tǒng)可提供卓越的測量精度。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)在被用于越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域。這包括但不限于自動(dòng)駕駛、地質(zhì)和地理測繪、地震學(xué)、氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、監(jiān)視、測高、林業(yè)、導(dǎo)航、車輛跟蹤、測量和環(huán)境保護(hù)。

02、激光雷達(dá)配置

為了匹配許多不同的應(yīng)用，激光雷達(dá)系統(tǒng)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)采集電子設(shè)備。光檢測系統(tǒng)要么是非相干的，其中直接能量通過反射信號(hào)的幅度變化來測量，要么是相干的，其中反射信號(hào)的頻率偏移，例如由多普勒效應(yīng)引起的偏移，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)，其中傳輸間歇性脈沖序列，也可以是高能量設(shè)計(jì)。微脈沖系統(tǒng)非常適合“人眼安全”操作必不可少的應(yīng)用（例如測量和地面車輛跟蹤），而高能系統(tǒng)通常部署在會(huì)遇到長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）。

大氣激光雷達(dá)掃描

每個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)都需要使用合適的傳感器來檢測反射的激光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最常見的傳感器類型是光電倍增管 (PMT) 和固態(tài)光電探測器（例如光電二極管）。通常，PMT 用于使用可見光的應(yīng)用，而光電二極管在紅外系統(tǒng)中更為常見。然而，這兩種傳感器類型都被廣泛使用，選擇在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，傳感器會(huì)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，最流行的信號(hào)捕獲卡類型是 PCIe，因?yàn)檫@使它們能夠直接安裝在大多數(shù)現(xiàn)代 PC 中。 PCIe 是許多數(shù)字化儀供應(yīng)商提供的一種類型，這是創(chuàng)建功能強(qiáng)大、易于使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡單方法。 由于 PCIe 總線提供非常高的數(shù)據(jù)吞吐率，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。 虹科Spectrum還提供其他的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如 digitizerNETBOX，一種基于 LXI/以太網(wǎng)的緊湊型設(shè)備或 PXIe，它們是具有空間限制或振動(dòng)問題的移動(dòng)環(huán)境（例如機(jī)載或移動(dòng) LIDAR）的不錯(cuò)選擇。

03、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）對(duì)于最快的光脈沖

為了捕獲和分析非?？斓男盘?hào)，采集卡需要高達(dá) 10 GS/s 的采樣率和超過 1 GHz 的高帶寬。此類數(shù)字化儀的一個(gè)示例是虹科M5i.33xx 系列，它在 PCIe 平臺(tái)上為每張卡提供多達(dá) 2 個(gè)通道，具有 12 位分辨率和高達(dá) 6.4 GS/s 的采樣率。虹科M4i.22xx 系列在 PCIe 和 PXIe 平臺(tái)上為每張卡提供多達(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內(nèi)的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)測量。它非常適用于需要檢測和測量小頻移的情況，例如由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移。

（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)，采集卡需要能夠以幾百 MS/s 的采樣率和匹配的帶寬采集幅度降至毫伏范圍的信號(hào)。垂直分辨率要高，最好是16位。一個(gè)示例是 虹科 M4i.44xx 系列，在 500 MS/s 時(shí)具有 14 位分辨率或在 250 MS/s 時(shí)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，使其適用于需要觀察和測量低電平信號(hào)和小幅度變化的應(yīng)用。

（3）具有成本效益的中檔性能

第三組適用于需要高靈敏度但對(duì)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，如虹科M2p.59xx 系列產(chǎn)品，適合該應(yīng)用領(lǐng)域。這些裝置用于需要高信號(hào)靈敏度的遠(yuǎn)程 LIDAR 應(yīng)用，也用于需要高密度、多通道記錄的情況。

04、激光雷達(dá)應(yīng)用中需要滿足的高級(jí)功能

數(shù)字化儀包括多種不同的采集模式，可有效使用數(shù)字化儀的板載內(nèi)存并提供超快觸發(fā)功能，因此不會(huì)遺漏任何重要事件。這些模式包括多采集和門控采集，帶有時(shí)間戳、FIFO 流或基于 FPGA 的高速塊平均。

05、如何處理海量數(shù)據(jù)？

第一種方法只是將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī) PC 的 CPU。這種傳統(tǒng)方法提供了一種簡單的解決方案。用戶可以根據(jù)供應(yīng)商的API編寫自己的分析程序，也可以使用第三方測量軟件，如虹科SBench 6、MATLAB和LabVIEW。整體性能和測量速度隨后受到 CPU 可用資源的限制。在要求苛刻的應(yīng)用程序中，這是一個(gè)問題，因?yàn)?CPU 與 PC 系統(tǒng)的其余部分共享其處理能力，并控制數(shù)據(jù)傳輸。