spectrum高速采集卡在DIAL - 差分吸收激光雷达采集中的应用

现代世界的工业化已经成为环境大气污染的首要原因。因此，工业污染及其各种组成成分的研究已成为一个重要领域。例如，在中国，环境保护部已规定监测大气中二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的含量，这是工业区附近常见的危险排放物。这些气体被认为是重要的，因为已知SO2会引起不同程度的呼吸和眼睛刺激。SO2也是酸雨的主要来源，酸雨不仅对动植物造成危害，还会导致土壤退化和水道污染。

中国南京先进激光技术研究所与南京信息工程大学共同开发了新的用于检测空气污染的主动遥感技术。一种对检测污染气体特别有用的仪器是差分吸收激光雷达（DIAL，见图1）。DIAL的原理是选择两种不同的激光波长（通常称为在线和离线波长），使得一种波长被感兴趣的气体分子吸收，而另一种波长则不吸收。 通过测量两个返回激光信号的后续强度差异，可以确定所研究分子的浓度。

DIAL激光雷达的方框图如图2所示。

研究小组选择专注于开发使用中红外吸收（MI-DIAL）的DIAL系统。 中红外是一个大气传输窗口，因此它非常适合气体的许多吸收峰，包括有机和无机分子。 此外，它的吸收效率高于紫外线的吸收效率2到3个数量级，提高了测量精度和测量范围。

MI-DIAL系统的关键要素是具有5 MHz带宽的VIGO-PVI-4TE探测器和频谱监测M2i.4960-exp PCIe数字化仪，可在40ms /s和16位分辨率下从探测器采集信号。激光器本身以500 Hz脉冲重复率输出20 ns宽脉冲。

然后由数字化仪收集的数据被传送到PC，在PC中可以对其进行分析。所使用的过程是逐行法，它需要线参数数据，这些数据可以在高分辨率透射分子吸收数据库(HITRAN)中得到。该数据库记录了大多数气体分子的谱线位置和强度、压力漂移系数、低能态旋转量子数、温度相关系数、空气加宽半宽度和自加宽半宽度。图3显示了三种污染气体及其背景气体的线强度数据。