1. 课程导入

激光雷达（LiDAR）通过主动发射激光并接收回波来测量目标距离、方位与反射特性。在整个系统中，发射光路决定了激光以何种空间形态、何种能量分布、何种时序离开雷达；功率设计则决定了这份能量是否足以在目标距离上被可靠探测，同时又不越过人眼安全与器件可靠性的边界。二者共同构成激光雷达"看得远、看得清、看得安全"的物理基础。

本课程聚焦发射链路的工程化设计方法：从激光器选型、光束整形、扫描机构，到峰值功率、脉宽、重频、平均功率的分配与预算，再到与接收链路、探测阈值、人眼安全标准的联合权衡。它不是单纯的光学课，也不是单纯的电路课，而是一门跨光学、电子、热学与安全规范的系统设计课。

一、核心原理：发射链路的三段式能量传递

无论机械旋转式、MEMS 振镜式还是固态 OPA/Flash 架构，发射链路都可以抽象为三段：光源产生 → 光束整形与扫描 → 空间能量投射。每一段都会引入损耗、畸变或时间特性变化，最终决定到达目标表面的功率密度。

关键参数之间的关系可以用测距方程描述。对于漫反射目标，接收功率近似为：

P_rx ≈ (P_peak × ρ × A_rx × η_total) / (π × R²)

其中：
  P_peak   峰值发射功率 (W)
  ρ        目标反射率 (0.1 ~ 0.9)
  A_rx     接收孔径面积 (m²)
  η_total  系统总效率（发射+接收+滤波）
  R        目标距离 (m)

由上式可见，若要求探测距离翻倍，在接收端不变的前提下，发射峰值功率需提升约 4 倍。这正是功率设计必须与光路效率、接收灵敏度协同优化的原因——单纯堆功率会迅速撞上人眼安全与散热天花板。

同时，发射光束的发散角 θ 决定了光斑在距离 R 处的直径 D ≈ R·θ。发散角越小，能量越集中、探测距离越远，但对准精度与扫描角度误差的要求也越苛刻。这是发射光路设计中永恒的能量—精度权衡。

二、方法流程：从指标到方案的六步设计

工程实践中，发射光路与功率设计通常遵循自顶向下的流程，避免"先选激光器再凑指标"的常见陷阱。

1. 明确系统指标：最大测距 R_max、测距精度、视场角 FOV、帧率、点云密度、目标反射率范围。
2. 确定人眼安全等级：根据应用场景（车载、机器人、测绘）选定 Class 1 或 Class 1M，反推允许的 MPE 与 AEL。
3. 选择波长与光源类型：905 nm 成本低、硅探测器响应好；1550 nm 允许更高脉冲能量但器件昂贵。
4. 分配功率预算：由测距方程反推所需峰值功率，再逐项扣除整形、扫描、窗口、滤光片的插损。
5. 设计光束整形与扫描：确定发散角、光斑形状、扫描轨迹与重叠率，保证点云无盲区。
6. 验证与迭代：通过光学仿真、热仿真与实测回波，校核最远距离、近场饱和与安全边界。

三、典型应用场景与指标差异

不同应用对发射光路与功率的要求差异极大，理解场景是设计的第一步。

四、常见误区与复盘要点

初学者在发射光路与功率设计中最容易踩的坑，往往不是公式算错，而是约束识别不全。

• 只算峰值功率，忽略平均功率与热：高重频下平均功率上升，结温与散热成为真正的瓶颈。
• 把发散角当作越小越好：发散角过小会导致扫描覆盖不足、对准敏感、近场能量密度过高。
• 忽视人眼安全的评估口径：MPE 与脉宽、波长、光斑尺寸、观察距离都相关，不能只查一个数字。
• 忽略接收端匹配：发射功率再高，若回波光斑与探测器感光面不匹配，效率仍会大幅损失。
• 缺少批量一致性考虑：实验室单台达标不等于量产达标，需评估激光器阈值、镜片镀膜与装配公差。