随着当前电磁波雷达探测技术从厘米波、毫米波向光波探测技术的发展，激光雷达作为传统雷达技术和现代激光技术的结合体，具有光波波长较短的特点，便于利用激光与大气中存在的空气分子和气溶胶粒子间的相互作用来实现对大气光学与物理特性，以及大气气象参数的主动遥感探测。同时，激光在单色性、方向性、相干性和高亮度上的良好特性促使激光雷达在测量高度、时空分辨率、测量精度以及连续自动监测等方面都具有传统大气探测手段所无法比拟的优势。经过几十年的发展，激光雷达现已广泛运用于激光大气传输、气溶胶和云辐射效应、大气环境监测以及全球气候模式等研究领域。
作为当前大气探测领域的先进手段，激光雷达的特性同样决定了其对于数据信息的高速高精度需求，激光雷达必须得到具备高空间分辨率、高时间分辨率以及高测量精度的廓线信息，这也是激光雷达数据采集单元的最大挑战。具体来说，在激光雷达系统设计中，根据大气气溶胶和云时空分布特点，数据采集的空间分辨率必须在30m以内，时间分辨率在15min以内，测量信号动态范围在104以上，而最小测量精度在1mV量级以下。综合这些挑战和需求，最终选择了凌华 PCI-9846数据采集卡作为激光雷达系统的数据采集单元，以实现0-15km大气范围内大气气溶胶和云的探测目的。
成功的关键
激光雷达主要由激光发射单元、光学接收单元、信号探测单元、数据采集单元以及控制单元五部分组成，其中数据采集单元主要用于对信号探测单元输出的电信号进行模数转换和采集，该部分直接决定了系统的成功实现与否。
鉴于大气在时间和空间的分布特点以及激光雷达测量原理，激光雷达对数据采集单元也提出了特定的需求，包括：
测量灵敏度——由于激光雷达实际测量的大气回波光信号属于典型的弱信号探测，因此激光雷达数据采集单元必须具备很高的测量灵敏度;
数据采集范围——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单元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;
空间和时间分辨能力——实际大气状况在空间和时间分布上都具有不均匀性，因此为有效揭示大气分布细节信息，数据采集单元也必须具备很高的空间和时间分辨能力;
响应能力——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单元必须具备超快的外触发响应能力;
抗电磁干扰——激光雷达是集光机电为一体的精密测量系统，同时包含强电和弱电，因此激光雷达数据采集单元必须具备较强的抗电磁干扰能力。
由此可见，数据采集单元是激光雷达系统中的重要部件，其性能参数的好坏将直接决定激光雷达的探测性能和探测精度。
让激光雷达如虎添翼
图1 PRML激光雷达外观图(左)和结构示意图(右)
偏振-拉曼-米散射激光雷达系统(PRML激光雷达)是专门为中国气象局研制的大气主动探测产品，主要用于连续自动测量0-15km高度范围内对流层大气气溶胶(包括污染气溶胶、沙尘、霾等)和云(水云、冰晶云等)光学参数的时空分布特征(如图1)。
该产品采用Nd:YAG激光器的二倍频532nm线偏振激光作为探测光源。后继光学与探测单元由三个探测通道组成，其中拉曼探测通道用于测量 532nm出射激光与空气中氮气分子作用产生的607nm拉曼散射信号，垂直探测通道用于测量532nm出射激光与大气中粒子作用产生的米散射信号垂直分量，平行探测通道用于测量532nm出射激光与大气中粒子作用产生的米散射信号平行分量。利用三个探测通道的测量数据并结合上述反演方法便可得到对流层气溶胶和云光学参数垂直分布特征。其中532nm米散射垂直和平行探测通道采用凌华PCI-9846高分辨率数字采集卡进行数据采集。
鉴于大气气溶胶和云测量要求，PRML激光雷达产品的空间分辨率为7.5m，时间分辨率为8min，测量范围为0-15km，并且需要双通道信号输入，因此选用凌华PCI-9846高分辨率数字采集卡作为其数据采集单元。表1给出了凌华PCI-9846采集卡的性能参数与对应激光雷达的性能参数对比。
表1 凌华PCI-9846采集卡主要性能参数和对应激光雷达性能参数
可以看到，凌华PCI-9846高分辨率数字采集卡为4通道，可同时用于4个通道的模拟数据输入，对应于激光雷达而言则可同时满足4个探测通道。在本文中提及的PRML激光雷达则只利用了其一半，即2个输入通道。PCI-9846采集卡的采样速率为20MHz，对应于激光雷达的空间分辨率为 7.5m，完全满足大气探测高空间分辨率要求。PCI-9846采集卡的采样精度为16bit，对应的采样点数为65536。但考虑到激光雷达探测器输出为负电流，因此实际采样点数为32768，对应采样信号的动态范围达到104以上，可覆盖0-15km范围内实际探测信号。结合PCI-9846采集卡的输入电压和阻抗分别为±1V和50Ω，其对应激光雷达信号探测单元的实际测量精度为0.03mv和0.61uA，具备很好的弱信号探测能力。PCI- 9846采集卡的外触发为TTL脉冲电信号，其响应时间 < 20ns，对应的激光雷达测距精度为3m，具备很高的距离定位精度。同时PCI-9846采集卡可方便插入工控机PCI标准差槽内，具备较高的数据传输速度和抗电磁干扰能力。以上参数均表明PCI-9846采集卡非常适合于作为PRML激光雷达的数据采集所用。
验证优良品质
在有云天气和无云天气条件下，从PCI-9846采集卡采集的原始信号、有效信号和信噪比的数据图形对比可以发现，利用该采集卡测量的数据质量均满足激光雷达对大气气溶胶和云的测量要求。
激光雷达大气探测的最终目标并不仅仅是要获取高质量的回波信号，而是要反演得到实际大气的光学特性。而激光雷达测量数据反演结果的好坏直接取决于采集信号的准确性和精确性，因此衡量激光雷达采集信号质量的唯一标准便是其反演结果。通过实际大气光学特性分析与对比，证明PCI-9846采集卡的性能参数足以满足0-15km对流层高度范围内实际气溶胶和云光学性质的测量需求，而退偏振比测量结果显示PCI-9846采集卡具备两个通道同时进行高质量信号采集的能力。
为验证PCI-9846采集卡的长时间连续工作能力，PRML激光雷达在2010-8-10至2010-8-15期间进行了六天的连续自动测量，测量时间间隔为30min，空间分辨率为7.5m，结果表明PCI-9846采集卡具备可靠的连续工作能力，非常适合应用于激光雷达的自动连续工作模式。
综合而言，凌华PCI-9846高分辨率数字采集卡在实际测试中表现出的优良品质表明该采集卡可以满足激光雷达对于数据采集的要求，让激光雷达探测系统设计如虎添翼。
