一、   激光雷达的工作原理

激光雷达是一种利用激光极性进行探测的新型主动式光学探测设备，是传统雷达技术和现代激光技术相结合的产物。在激光雷达体系中，数据采集是不可或缺的重要组成部分，主要完成激光雷达回波信号的高速采集、数据处理等功能，其性能的优劣直接影响后续的分析研究。随着我国工业经济的快速进展，激光雷达被广泛应用于气象、环保、测绘、无人驾驶、人工智能等多个领域。

在气象和环保方面，激光雷达主要探测大气温湿度、风场、大气气溶胶、云、污染气体、大气水汽、生物气溶胶、污染颗粒物等。激光雷达在大气探测中应用的基础为激光与大气中的气溶胶粒子、分子、原子与光辐射之间的相互作用，主要的物理过程表现为米散射、瑞利散射、拉曼散射、荧光散射以及共振色散等。为了精确实时的获得三维数据，提高数值天气预报的准确性和预警生化污染，大气激光雷达的数据采集起着非常重要性的作用。

二、   信号采集卡在大气激光雷达中的应用

       2.1 大气激光雷达的工作原理

大气激光雷达一般由激光发射单元、光学接收单元、信号探测单元、数据采集单元及控制单元五部分组成。激光器发出的激光脉冲经过分束镜M1变为两路，一路经过光电转换后为电信号，作为数据采集系统的同步触发信号；另外一路通过准直扩束和反射后入射到大气中，激光与气溶胶粒子相互作用而发生后向散射，通过望远镜接收后向散射光，经过光纤传输进入分系统，根据探测的物质不同，分光产生的分光产生的信号也不同，每一路光信号通过一个光电倍增管转变为电信号，数据采集系统在激光器的触发信号的同步下完成对回波电信号的高速采集及预处理，将处理后的数据传输到上位机供后续对大气参数进行反演分析。数据采集处理系统作为整个激光雷达探测系统重要的组成环节，其性能的好坏将直接影响后续对大气参数的研究。

                           图1 大气激光雷达的系统框图

                            图2 大气激光雷达探测示意图

    2.2 大气激光雷达对采集系统的要求

（1）测量灵敏度高。由于激光雷达探测的回波光信号属于的弱信小号，因此数据采集处理单元必须具备很高的测量灵敏度。
（2）数据采集范围大。激光雷达的探测目标大气分子和气溶胶粒子广泛存在与 0-15km范围的对流层内，并且其浓度随高度呈指数衰减，因此激光雷达数据采集系统必须具备很宽的数据采集范围以满足大动态变化信号的采集。
（3）时空分辨能力高。气溶胶在空间和时间分布上都具有不均匀性，因此为有效探测气溶胶分布细节信息，数据采集系统也必须具备很高的空间和时间分辨能力。
（4）响应速度快。由于激光雷达必须提供精准的空间距离信息，因此激光雷达数据采集系统必须具备超快的外触发响应能力。
（5）抗电磁干扰能力。激光雷达是集光机电一体的系统，同时包含强电和弱电，因此激光雷达数据采集系统必须具备较强的抗电磁干扰能力。
（6）数据处理能力。可以对回波信号实现累加、平均、滤波除噪、反演等处理。
（7）数据存储和管理能力。采集的回波信号数据量大，采集系统要有足够的存储空间和对采集回来的数据进行有效的管理。
（8）界面显示。可视化数据采集控制界面可以对采集的相关参数进行设置，显示回波信号、消光系数、距离平方校正信号等。
（9）多通道并行采集。大气参数包括气溶胶、水汽、温度、风速等，回波信号包括这些不同的信息，经过不同的光路分光后会产生多路信号。因此，数据采集系统必须具有多通道采集功能，且必须要满足多通道采集的并行性要求。常规的激光雷达系统一般需要的采集通道如表 2-1 所示。
                                       表 2-1 数据采集系统指标

根据激光雷达数据采集处理系统的要求和激光雷达产品化、户外独立工作的需求，数据采集系统应具备如表 2-2 所示的性能指标。
                                           表 2-2 数据采集系统指标

      2.3 信号采集卡的选取

      根据大气激光雷达的特殊要求，FanRet推出了一款16bit分辨率，40MSPS采样率，双通道的PCIe x8信号采集卡，完全可以满足大气激光雷达行业的应用。该卡具有功能齐全的模拟前端，具有外时钟和外触发模式，最大板存16G，可支持3.1GB/s的数据流写盘。客户可以根据SDK软件开发包编写自己的软件界面。支持32、64位操作系统。

                                              图3  SDK二次开发的软件界面