原创 全场景适用！TS Spectrum高速数字化仪在激光雷达系统中的应用

一、基本介绍

50多年前，激光技术的发展催生了激光雷达 (LIDAR) 系统，该系统在距离计算方式上取得了突破。激光雷达的原理与雷达所使用的原理非常相似。主要区别在于雷达系统检测物体反射的无线电波，而激光雷达则使用激光信号。这两种技术通常采用相同类型的飞行时间方法来确定物体的距离。然而，由于激光的波长比无线电波短得多，因此激光雷达系统可提供卓越的测量精度。激光雷达系统还可以检查反射光的其他属性，例如频率内容或偏振，以揭示有关物体的其他信息。

激光雷达系统现在的应用范围不断增加。这包括自动驾驶、地质和地理测绘、地震学、气象学、大气物理、监视、测高、林业、导航、车辆跟踪、测量和环境保护。

图1. 带有光谱仪器数字化仪的激光雷达扫描

 

二、激光雷达配置

为了满足多种不同的应用，激光雷达系统具有多种设计和配置。每个系统都需要合适的光电传感器和合适的数据采集设备。光检测系统中信号，要么是不相干的，其中直接能量是通过反射信号的幅度变化来测量的；要么是相干的，其中反射信号频率的变化（例如由多普勒效应引起的频率变化）或其相位被观察到。类似地，光源可以是低功率微脉冲设计，其中传输间歇脉冲序列，也可以是高能量光源。微脉冲系统非常适合需要“人眼安全”操作的应用（例如测量和地面车辆跟踪），而高能系统通常部署在长距离和低水平反射的地方（如大气物理学和气象学研究）。

每个激光雷达系统都需要使用适当的传感器来检测反射的激光信号并将其转换为电信号。最常见的传感器类型是光电倍增管（PMT）和固态光电探测器（例如光电二极管）。一般来说，PMT用于可见光应用，而光电二极管则更常见于红外系统。然而，这两种传感器类型都被广泛使用，并且选择很大程度上取决于需要检测的光特性、所需的性能水平和成本。

最重要的是，传感器产生需要采集和分析的快速电信号。对于大多数LIDAR应用，信号采集卡最流行的外形尺寸是PCIe，因为这使得它们可以直接安装在大多数现代PC内。PCIe是德思特许多数字化仪供应商提供的一种外形规格。这是创建功能强大、易于使用的数据采集系统的简单方法。由于PCIe总线提供非常高的数据吞吐率，因此信号采集、数据传输和分析功能通常比其他更传统的采集系统快得多。德思特还提供数字化仪NETBOX、基于LXI/以太网的紧凑型设备或PXIe等行业标准，对于具有空间限制或振动问题的移动环境（例如机载或移动激光雷达）来说，这是一个不错的选择。

图2. 大气激光雷达扫描

 

三、激光雷达性能等级

对于LIDAR应用，存在三个独立的性能等级：

1.最快的光脉冲

为了捕获和分析非常快的信号，数字化仪需要高达5 GS/s的采样率和超过1 GHz的高带宽。此类数字化仪的一个示例是TS Spectrum M4i.22xx系列。M4i.22xx系列在PCIe和PXIe平台上每卡提供多达4个通道，在LXI平台上提供多达24个通道。这种组合使这些卡非常适合与产生纳秒甚至亚纳秒范围脉冲的快速传感器一起使用。此外，5 GS/s的快速采样率可实现亚纳秒分辨率的定时测量。它非常适合需要检测和测量小频移（例如由多普勒效应产生的频移）的情况。

2.适用于低电平信号和高灵敏度

当需要宽信号动态范围和非常高的灵敏度时，数字化仪需要能够以几百MS/s的采样率和匹配的带宽采集幅度低至毫伏范围的信号。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。这些装置还具有从±200 mV到±10 V的可编程满量程增益范围，使其适合需要观察和测量低电平信号和小幅度变化的应用。

3.具有低成本效益的中档性能

第三组适用于需要高灵敏度但时序要求不高的应用。高达100 MS/s的采样率和16位垂直分辨率（如TS Spectrum M2p.59xx系列）适合该应用领域。这些装置用于需要高信号灵敏度的长距离激光雷达应用，也用于需要高密度、多通道记录的情况。

数字化仪包括多种不同的采集模式，可有效利用数字化仪的板载内存并提供超快触发功能，从而不会错过任何重要事件。这些模式包括多重采集和门控采集，并配有时间戳、FIFO流或基于FPGA的高速块平均。

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