一套装在单引擎固定翼飞机上的差分吸收激光雷达（DIAL）系统，在 500 m 到 1 km 的对地高度上，每秒要完成 1,000 到 10,000 次甲烷测量。工程上的难点在于让激光、采集、定位和相机落在同一个时基上。
机载激光雷达甲烷测量光路与机柜，界面给出甲烷浓度剖面
01 要做什么：把 DIAL 装上单引擎固定翼飞机
甲烷是天然气的主要成分。自 2009 年以来，公开统计中有 250 多起严重管道事故，同期事故数量减少了 39%，但监管与行业法规仍在推动对甲烷逃逸排放的快速发现、分类和处理，需要覆盖的管道输送系统规模达 2.6 百万英里。
基于 50 余年的遥感经验，这套机载甲烷监测系统从单引擎固定翼飞机上识别地面的甲烷排放。相比既有的航空泄漏巡查方式，它的特点是：成本低于直升机挂载传感器；把整条甲烷羽流成像，作为更精确的监测手段；发现大排放源可立即通知运营方；飞行结束后数小时内给出完整报告。
从激光雷达（lidar）的基本原理看，激光源发出光脉冲，脉冲与地面或结构相互作用后，部分后向散射光子被收集并按时间记录，飞行时间直接对应散射发生的距离。DIAL 在两个激光波长上工作，一个位于目标分子吸收线上（on-resonance），一个在吸收线外（off-resonance）。共振波长被吸收得更强，两个信号的差值就对应激光路径上该分子的量，因此 DIAL 能测出目标分子的距离和数量，测距本身就是 DIAL 测量的固有组成部分。
02 难在哪：500 倍信噪比与不确定的脉冲间隔
系统针对甲烷分子（CH4）。DIAL 看的是光谱上尖锐的吸收线，设计上要能把甲烷的共振特征与其他可能混淆测量的分子区分开。有一个指标很能说明问题：这类测量所需的信噪比约为仅仅测距所需的 500 倍。
环境带来的挑战是回波信号受地面反射率变化影响；激光器也不完美，两个脉冲的能量和波长在逐次发射之间独立变化。因此系统对每次测量都要做背景反射率标定，把接收能量归一化到发射能量；还会在每次目标测量前测一个已标定的甲烷样品，用它反算吸收常数，修正激光波长逐发的不稳定。背景、参考、接收三类测量，在激光每次发射时都要做一遍。
时序上，on-resonance 与 off-resonance 两个脉冲相隔几百纳秒，且间隔是非确定性的。对地距离取决于调查目标和飞机姿态，一般在 500 m 到 1 km AGL 之间。回波脉冲可能是完整的（nominal），也可能畸变（例如高大植被）甚至缺失（例如浓度极大）；只有存在完整回波时，才会把测距与 DIAL 测量结合成路径积分的甲烷测量。视调查目标不同，每秒要做 1,000 到 10,000 次测量。
03 方案：用 PXI Express 做同步中枢
目标的定位与跟踪、姿态修正、甲烷测量的地理定位，都要求系统内每个组件保持同步。最终选择 PXI Express 机箱作为关键组件的平台。同步中枢是 PXI-6683H 模块，它提供与 GPS 对齐的系统参考时钟，送给激光器和 PXI 嵌入式系统，并对所有 PXI Express 外设可用。
往下分成几路。PXIe-6341 X Series DAQ 用参考时钟来同步模拟指令和遥测。NI-5761 FlexRIO 适配器模块的 A/D 转换器，通过 socketed CLIP 中的 IoModSyncClk 以及 sample clock select/commit 信号对齐到系统参考时钟。FlexRIO FPGA 模块运行定制的数字化仪和 DIAL 算法，其框图开箱即与参考时钟同步。PXI-6683H 还经 PXI 触发线为 FPGA 产生异步计数器复位信号，计数值与每次测量打包，用来对照来自位置姿态系统（POS）和转向镜控制器的数据，做校验、地理定位和插值。POS 通过一块经 PXIe-6341 连接的 SCB-68A 设备接收事件触发。PXI-6683H 同时触发 GigE 上下文相机，该相机平时由 NI-IMAQdx 控制；它还产生一个未来时间事件，让系统在起飞后不久启动。
NI-Sync、NI-DAQmx、NI-IMAQdx 与 FPGA 的能力，使系统在真实工况下保证距离与甲烷测量同步并完成地理定位。
04 LabVIEW 里的程序：FPGA 下沉处理，主机做呈现
FlexRIO FPGA 模块根据调查目标运行若干定制 bit 文件之一，负责捕获 DIAL 信号、测距并计算甲烷浓度。
数据序列化与修正。系统用三到四个换能器，配合 NI 5761 FlexRIO 数字化仪适配器模块，吞吐率在 11.2 Gibit/s 到 15.2 Gibit/s 之间，这个量级决定了 FPGA 的处理方式。在标定好换能器链路每个 A/D 计数值之后，FPGA 做可变偏置修正，并利用激光两次发射之间的时间把数据串行化。
定制触发。对串行化后的每一路信号，用电平触发的循环缓冲区在 A/D 计数值峰值附近精确捕获。串行化、定制触发和定制采集三者共同降低了数据吞吐；每个峰值都被赋予时间戳，用于测距。
DIAL 分析。FPGA 对数据做质量检查，例如校验是否收到地面脉冲，并根据脉冲参数设置标志位；还会对每个脉冲做整形，修正确定性的电学效应。激光每发射一次，FPGA 就执行一次甲烷浓度算法，并把遥测流式传送给运行在 PXIe-8135 控制器上的 LabVIEW 应用程序。
LabVIEW 应用为操作员提供捕获脉冲、测量结果、性能与系统健康的即时视图，并把最终数据产品交给可视化软件，将距离和浓度叠加到上下文相机图像上。所有数据记录到一块 NI 8260 1.2 TB PXI SSD；后处理用 DIAdem 软件，服务于质量保证和持续改进。
05 结果
系统已累计飞行超过 100 小时，甲烷检测阈值被确定为风速的函数。已探测到低至 50 SCFH（标准立方英尺/小时）的甲烷流量。感测带宽度可配置到 200 m。空间分辨率和地理定位精度均优于 2 m。
测量结果经彩色编码叠加在共瞄的上下文图像上，为操作员提供排放的实时视图；飞行后经后处理还可生成地理图层。
后续计划采用 PXIe-5172 可编程数字化仪：可在约 3,000 ft AGL 工作，高度是现在的两倍，勘测带宽扩大五倍，空间分辨率提升两倍，化学灵敏度相当。PXI 电子设备已支撑多轮 DIAL 迭代和多种调查目标，其中包括一项探测液态丙烷的任务。
06 这个案例说明什么
第一，瓶颈往往不在"采"，而在"对"和"算"。11.2 Gibit/s 到 15.2 Gibit/s 的数据若原样送主机，几乎没有实时处理的余地；把串行化、峰值触发和浓度计算下沉到 FPGA，主机才有余力做呈现和后处理。
第二，非确定性间隔是物理事实，不是软件缺陷。系统没有试图去修复它，而是让每次测量自带计数器值和时戳，再配合 POS 与转向镜数据做地理定位和插值。与其强行对齐，不如让每份数据自证其时刻。
第三，标定要写进单次测量的循环里。逐发变化的脉冲能量和波长、变化的地面反射率，都要求每次发射都完成背景、参考、接收三类测量，周期性标定不够用。
第四，平台化收益体现在迭代速度上。小规模开发也能快速设计、实现、测试并演进系统，同一套 PXI 电子设备支撑了多轮 DIAL 迭代，甚至换到探测液态丙烷。
500 倍信噪比
DIAL 测甲烷所需的信噪比，约为单纯测距所需的 500 倍，这是整个系统设计的起点。
同步先于算法GPS 对齐的参考时钟分发给每块板卡与相机，测距和浓度才能落到同一时基上。
07 写在最后
我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成，从硬件选型、方案设计到现场交付调试，提供一站式服务。像这类多板卡同步、FPGA 实时处理加主机端实时呈现的外场测量系统，正是我们日常处理的问题。欢迎在评论区留言；身边朋友有类似项目，也欢迎帮忙引荐。