2. 激光雷达基础
激光雷达（LiDAR）的本质，是用一束激光去“丈量”世界。无论后续算法多么复杂，其最底层的信息链只有一条：发射光→空间传播→目标作用→回波接收→光电转换→时间/频率解算→距离与速度输出。理解这条链路，是理解发射光路与功率设计为何如此关键的前提。
一、核心测距原理：从飞行时间到频率差
目前主流测距体制分为两大类：脉冲飞行时间法（Pulsed ToF）与调频连续波法（FMCW）。
脉冲ToF的原理非常直观：发射一个极短激光脉冲，记录出射时刻 t₁，接收回波时刻 t₂，则目标距离为：
R = c · (t₂ − t₁) / 2
其中 c ≈ 3×10⁸ m/s，除以2是因为光走了一个往返。例如，1 m 距离对应往返时间约 6.67 ns。要分辨 1 cm 的距离变化，时间测量精度需达到约 67 ps，这对探测器带宽与计时电路提出了很高要求。
FMCW则换了一种思路：发射一束频率随时间线性变化的连续激光（线性调频），回波因往返延迟产生频率差 f_b。通过测量拍频，可同时解出距离与速度：
R = c · f_b / (2 · B · T_m) （静止目标近似）
v = λ · f_d / 2 （多普勒频移解速度）
B：调频带宽，T_m：调频周期，f_d：多普勒频移FMCW的独特优势在于：它天然具备速度直接测量能力，且可使用人眼安全的连续波功率，抗干扰能力更强。
二、发射与接收链路组成
一条典型的激光雷达光链路可拆解为以下环节：
- 发射链路：激光器（EEL/VCSEL/光纤激光器）→ 驱动电路 → 准直光学 → 扫描机构（MEMS/转镜/棱镜/OPA）→ 出射光束。
- 接收链路：接收光学（透镜/滤光片）→ 光电探测器（APD/SPAD/SiPM/平衡探测器）→ 跨阻放大（TIA）→ 模拟前端（ADC/比较器）→ 时间或频率解算。
- 控制与同步：主控FPGA/SoC负责发射触发、扫描同步、回波采样与数据打包。
发射链路决定“能打多远、打多密”，接收链路决定“能收多弱、分多细”。两者必须协同设计，否则会出现“发射很强但接收饱和”或“接收灵敏但发射功率不足”的失衡。
三、ToF与FMCW体制差异对比
两种体制并非简单替代关系，而是面向不同场景的工程取舍。下表从多个维度进行对比：
| 对比维度 | 脉冲 ToF | FMCW |
|---|---|---|
| 测距依据 | 飞行时间 | 调频拍频 + 多普勒 |
| 速度测量 | 需多帧差分，间接 | 单帧直接输出 |
| 抗环境光 | 依赖窄带滤光与阈值 | 相干探测，天然强抗扰 |
| 人眼安全 | 高峰值功率，需严格限值 | 连续低峰值，更易合规 |
| 系统复杂度 | 较低，产业链成熟 | 高，需相干光源与平衡探测 |
| 典型应用 | 机器人、AGV、测绘 | 自动驾驶、高精度测速 |
四、关键性能指标与工程场景
评价一台激光雷达，不能只看“最远测距”。以下指标共同决定实际可用性：
- 测距范围：受发射功率、目标反射率、大气衰减与接收灵敏度共同约束。
- 测距精度：ToF看计时分辨率，FMCW看调频线性度与信噪比。
- 点频/帧率：决定单位时间获取的点云密度，影响感知实时性。
- 角分辨率：由扫描步进与光束发散角决定，直接影响目标轮廓还原。
- 视场角（FOV）：水平与垂直覆盖范围，决定盲区大小。
- 信噪比与探测概率：弱回波下的虚警率与漏检率。
场景示例：一台用于AGV的905nm脉冲ToF激光雷达，要求30m处对10%反射率目标仍能稳定测距。若发射峰值功率为75W、脉宽5ns、接收孔径25mm，则需核算回波功率是否高于APD最小可探测功率。若不足，可通过增大孔径、提高峰值功率或降低阈值来改善，但必须同步检查人眼安全余量。
五、常见误区与复盘
误区一：“发射功率越大越好。”——实际上，过强发射会导致近距回波饱和、探测器恢复时间变长，反而丢失近处目标。
误区二：“FMCW一定优于ToF。”——FMCW在成本、体积、供应链成熟度上仍有明显短板，选型应匹配场景而非盲目追新。
误区三：“只看最远测距指标。”——最远测距往往对应高反射率目标，实际道路中低反射率目标才是瓶颈。
误区二：“FMCW一定优于ToF。”——FMCW在成本、体积、供应链成熟度上仍有明显短板，选型应匹配场景而非盲目追新。
误区三：“只看最远测距指标。”——最远测距往往对应高反射率目标，实际道路中低反射率目标才是瓶颈。
复盘时建议按“发射—传播—接收—解算”四段逐项排查：先确认发射功率与光束质量，再核算大气与目标衰减，然后检查接收链路的灵敏度与饱和点，最后验证时间/频率解算的精度与线性度。只有四段都匹配，整机指标才真实可信。