1 引言
    現代光譜學實驗普遍需要使用高性能計算機來采集、分析、存儲(chu) 並顯示數據。通常，最需要的就是將光探測器輸出的原始模擬電壓信號轉換為(wei) 數字信號的高速數字化儀(yi) 。市場上基於(yu) PC的數字化儀(yi) 為(wei) 光譜學提供了低成本、結構緊湊簡單、品質一流的完整解決(jue) 方案。

2 概述
    基於(yu) PC的數字化儀(yi) 的基本優(you) 勢在於(yu) 其基於(yu) PCI總線的無與(yu) 倫(lun) 比的數據傳(chuan) 輸速度，數據可以從(cong) 數字化儀(yi) 的內(nei) 存直接傳(chuan) 輸到PC-RAM，而不需要CPU的幹預。基於(yu) PC的數字化儀(yi) 的數據傳(chuan) 輸速度可以達到200 MByte/s。高數據傳(chuan) 輸速率使光譜係統可以在許多光譜應用中跟蹤重複頻率很高的信號，而不發生無效觸發(即：觸發信號到達數字化儀(yi) 了，但是儀(yi) 器正在進行數據傳(chuan) 輸而投有響應，造成該觸發無效)。
    數字化儀(yi) 對光譜學最重要的兩(liang) 個(ge) 貢獻，一是它的高采樣速率提高了測量時間的準確性，二是其高垂直分辨率提高了對高動態範圍信號的靈敏度。高采樣率和高分辨率是數字化儀(yi) 的兩(liang) 個(ge) 相對立的特性。簡而言之，高垂直分辨率測量需要較長時間來實現，從(cong) 而降低了采樣率。因此，設計光譜係統時需要根據應用要求在高分辨率和高采樣率之間選擇最有效配合。

3 應用實例
3.1 激光雷達光譜學
3.1.1 激光雷達的應用範圍
    雖然激光雷達被廣泛用於(yu) 探測森林覆蓋率和測量汽車行駛速度，但主要應用在大氣科學領域，如圖l所示，在大氣脈衝(chong) 激光雷達係統中，激光脈衝(chong) 一般指向大氣，然後被大氣成分散射。極小的一部分散射光最終被光學接收器收集起來進行分析。不同的激光雷達係統可以應用於(yu) 氣象學、風速測量、氣候變化監測、臭氧監測、汙染監測等。

3.1.2 激光雷達係統的種類
    激光雷達係統可分為(wei) 以下三種：簡單的激光雷達係統(使用單頻激光)，複雜的激光雷達係統(包括兩(liang) 個(ge) 頻率的激光來鑒別物種或測量光學多普勒頻移，以此獲得散射體(ti) 的速度，進而得知大氣的風速)，脈衝(chong) 激光雷達(使用高能量脈衝(chong) 激光)。
    其中脈衝(chong) 激光雷達係統的主要特性如下：
    典型脈衝(chong) 持續時間約為(wei) 10 ns，波長約為(wei) 500nm，激光重複頻率為(wei) 50 Hz~100 Hz。脈衝(chong) 激光由轉向鏡發射到大氣中。大氣中的組分(某些分子、懸浮粒子、水蒸氣或小液滴)將脈衝(chong) 向各個(ge) 方向散射。研究通常局限在對流層，即大部分天氣現象發生較頻繁的一層，垂直高度在15 km以下。一小部分被大氣散射的激光被光收集係統所收集，然後導入光探測器，其電壓輸出被發送到數字化儀(yi) 。當入射激光束射向給定方向，激光脈衝(chong) 觸發數字化儀(yi) 。光信號強度是時間t的函數，說明光在給定高度x的散射強度，x=ct/2。
    光速c可以表示為(wei) 300 m/μs，到達對流層頂部來回最大距離為(wei) 30 km，最大激光脈衝(chong) 飛行時間為(wei) 30 km/300 m/μs=100 ms.典型情況下，激光雷達係統要求采樣率約為(wei) 100 MS/s，這樣就可以得到約為(wei) 1/2×(300 M/μs)/(100 MS/s)=1.5 m的空間分辨率。
    如果大氣中光的散射與(yu) 高度是一致的，那麽(me) 在地麵探測到的光強度會(hui) 按高度的平方遞減。這一快速下降導致探測到的光信號強度隨時間增加而下降幾個(ge) 數量級。因此，高動態範圍的激光雷達信號要求最高的數字化儀(yi) 分辨率：100 MS/s時為(wei) 14bits。
    有時要用不同的探測器覆蓋激光雷達信號的不同強度範圍。在新的雙探測器技術中，光電二極管探測器提供高強度，低高度的前部信號，產(chan) 生正比於(yu) 光強度的瞬時電壓輸出。對後部高度高，強度低的信號部分，使用光電倍增管(PMT)。由於(yu) PMT電子增益高，在探測單光子時，可以認為(wei) 產(chan) 生的是電脈衝(chong) 。每個(ge) 探測器的輸出被分別連接到數字化儀(yi) 的兩(liang) 個(ge) 通道上。每個(ge) 數字化儀(yi) 都配備有兩(liang) 個(ge) 獨立的模擬-數字轉換器(ADC)，它們(men) 由相同的高速采集信號時鍾觸發，提供雙通道同步采樣。這樣，用戶可以使用前期的連續探測器和後期的PMT，將兩(liang) 個(ge) 探測器信號按時間組合起來。
    掃描激光束角度使激光雷達係統可以對大氣成像，激光雷達信號常在某一個(ge) 激光發射角度進行平均以提高信噪比(S/N)。快速重複采集可以提供最快的整體(ti) 激光雷達掃描速度。要求的采集時間為(wei) 100μs，采樣率為(wei) 100 MS/s，所采集的波形大小有lO 000點。基於(yu) PC、具有超快傳(chuan) 輸速率PCI的數字化儀(yi) 可以以超過l 000 waveforms/s的速率采集到lO 000點波形。所以，激光雷達係統的掃描速度隻受到100 Hz激光觸發速率，而不是數字化儀(yi) 傳(chuan) 輸速率的限製。
3.2 腔體(ti) 衰蕩光譜
    激光腔體(ti) 衰蕩光譜(CRDS)是一項強大的技術，是在近25年隨著高反射鏡的出現而出現的。如圖2所示，在典型的脈衝(chong) 激光CRDS實驗中，激光腔體(ti) 中泄漏光強度的指數衰減率取決(jue) 於(yu) 未知氣體(ti) 樣品衰減，從(cong) 變化率就可以確認是哪種氣體(ti) 。

從(cong) 可調諧激光器輸出的高功率光脈衝(chong) 穿過由兩(liang) 個(ge) 高反射鏡(大於(yu) 99.9％)組成的腔體(ti) 後，沿光軸在另外一側(ce) 出射。光脈衝(chong) 在兩(liang) 端的鏡子之間來回反射，強度隨每次反射及衰減指數降低。從(cong) 腔體(ti) 泄漏出來的光被一端的光探測器檢測。測量腔體(ti) 的衰減時間常數變化，如：掃描激光頻率，能進行靈敏的分子吸收光譜測量及痕量氣體(ti) 探測。因為(wei) 它隻測量泄漏的衰減時間，脈衝(chong) CRDS對激光強度變化在本質上是不敏感的。
    時間常數的相對誤差約等於(yu) 衰減S/N。因為(wei) 衰減時間一般為(wei) 幾毫秒，100 MS/s的采樣率就足夠了。在此采樣率下，可以達到14 bits分辨率，超過60 dB的S/N，使測量的時間常數精確在O.1％以上。快速重複信號采集可以對重複信號進行平均，並進一步提高時間常數測量的精確性。在激光雷達中，基於(yu) PC的高速數字化儀(yi) 能夠進行快速數據傳(chuan) 輸，數據采集僅(jin) 受激光重複頻率的限製，約為(wei) 100 Hz～200 Hz．
3.3 激光超聲
    傳(chuan) 統上，超聲檢測(非接觸技術可以在樣品中隻用激光產(chan) 生和檢測超聲)要求將超聲傳(chuan) 感器與(yu) 待測物體(ti) 相連接；或至少通過介質(如：水)進行傳(chuan) 導(見圖3)。

    大約持續10 ns的高能紫外激光脈衝(chong) 以待測物的一側(ce) 為(wei) 目標。突然的熱膨脹產(chan) 生一個(ge) 超聲脈衝(chong) ，它在待測物中穿過，撞擊到另一側(ce) ，產(chan) 生表麵波動。第二個(ge) 紅外激光束從(cong) 這個(ge) 波動表麵反射出去到達幹涉儀(yi) ，在幹涉儀(yi) 中與(yu) 一個(ge) 參考光束相結合。幹涉儀(yi) 的電壓輸出信號提供了一個(ge) 從(cong) 該表麵來的超聲位移信號。
    掃描激光超聲係統用於(yu) 對結構巨大的物體(ti) ，如飛機機身進行非接觸檢測。由於(yu) 其超聲頻率激發帶寬為(wei) 100 MHz或更大，激光超聲也是材料評估的一個(ge) 有力方法。隨著超聲頻率增加，衰減也增加，波長低於(yu) 微型結構晶粒大小。100 MHz頻率的超聲波長有幾十微米，可以用於(yu) 金屬中的晶粒尺寸。因此，研究頻率與(yu) 超聲衰減的依存關(guan) 係，激光超聲光譜可以跟蹤不同處理過程中微型結構的演化。#p#分頁標題#e#
    要達到100 MHz或更高的超聲頻率，激光超聲係統通常要求采樣率很高的數字化儀(yi) (1 GS/s或更高)。同時要求高分辨率，高采樣率通常將數字化儀(yi) 限製在8 bits。快速重複信號采集要求信號平均，快速掃描，或跟上快速材料加工速度。正如在其它光譜應用中，基於(yu) PC的高性能數字化儀(yi) 提供了高重複率，其限製因素僅(jin) 為(wei) 激光脈衝(chong) 重複頻率。