1. 课程导入

激光雷达（LiDAR）通过发射激光脉冲并接收目标反射回来的微弱回波，测量飞行时间、频率变化或相位差，从而获得目标的距离、速度与反射特性。在整个链路中，接收光学与探测器决定了“能收到多少光、能分辨多弱的光、能把光多准确地转成电信号”。它们不是发射端的附属品，而是决定探测距离、测距精度、抗环境光能力和系统信噪比的关键环节。

一、激光雷达系统的典型组成

从信号链角度看，激光雷达可以划分为发射链路、接收链路、扫描与光学天线、控制与计时、数据处理五个部分。发射链路产生高峰值功率、窄脉宽的激光；扫描与光学天线负责把光束投向目标并收集回波；接收链路把回波会聚到探测器上，完成光电转换与前置放大；控制与计时单元记录发射与回波的时间差；数据处理则完成距离解算、点云生成与目标识别。

其中，接收光学通常包括接收望远镜、滤光片、视场光阑、聚焦镜组和探测器窗口；探测器则可能是PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、硅光电倍增管（SiPM）或单光子雪崩二极管（SPAD）。不同探测器对应不同的增益机制、偏置电压和噪声模型，也直接影响接收光学的设计约束。

二、接收光学与探测器的作用

接收光学的第一职责是收集回波能量。回波功率随距离平方衰减，接收孔径越大，收集到的光功率越高，但孔径增大会带来体积、重量和像差控制问题。第二职责是抑制背景光。白天太阳辐射、路灯和对面车辆的车灯都会进入接收视场，窄带滤光片把通带压缩到激光波长附近，视场光阑则限制非目标方向的杂散光。第三职责是把光斑匹配到探测器光敏面。光斑过大，探测器接收不均匀；光斑过小，能量密度过高可能引起饱和或损伤。

探测器则完成光电转换与内部增益。PIN探测器结构简单、线性度好，但无内部增益，适合回波较强的近距场景；APD在击穿电压以下工作，通过雪崩倍增获得几十到几百倍增益，适合中远距；SiPM由大量微单元并联，具备单光子灵敏度和较高增益，但存在死时间和串扰；SPAD工作在盖革模式，可实现单光子计数，但对偏置稳定性和淬灭电路要求高。探测器的选择会反过来约束接收光学的孔径、滤光带宽和聚焦光斑尺寸。

三、课程整体框架与学习目标

本课程共30章，按照“系统认知 → 光学设计 → 探测器原理 → 电路与信号处理 → 系统集成与测试”的主线展开。前几章建立系统级概念和指标分解方法；中段深入接收望远镜、滤光片、视场光阑、聚焦镜组的设计与仿真；随后讲解PIN、APD、SiPM、SPAD的工作机理、偏置电路和噪声模型；最后进入前置放大、TDC/ADC、标定与测试环节。

四、案例场景：为什么接收端决定测距上限

假设一台1550 nm激光雷达，发射峰值功率10 W，脉宽10 ns，接收孔径25 mm，目标反射率10%，距离200 m。若使用PIN探测器，响应度约0.9 A/W，前置放大噪声较大，回波电流可能只有几纳安，信噪比不足；若换用APD，增益100，等效输入噪声虽增加，但信号增益远大于噪声增益，信噪比可提升一个数量级。若接收光学滤光片带宽从20 nm压缩到1 nm，背景光电流可降低约20倍，进一步改善白天探测能力。这个例子说明：接收光学与探测器不是独立选型，而是与发射功率、目标特性、环境光共同构成链路预算。

五、常见误区与复盘

• 误区一：只关注发射功率，忽视接收孔径和滤光。发射功率受人眼安全和功耗限制，接收端优化往往性价比更高。
• 误区二：认为探测器增益越高越好。APD增益过高会引入过剩噪声，SiPM/SPAD还有死时间和后脉冲，需在增益与噪声之间折中。
• 误区三：光学设计与探测器选型脱节。探测器光敏面尺寸决定聚焦光斑上限，滤光片带宽决定入射角范围，必须联合设计。
• 误区四：忽略背景光和温度漂移。白天环境光、探测器暗电流和击穿电压温漂都会改变阈值判断，需要标定和补偿。

链路预算简化示例（概念式）：
P_rx = P_tx × ρ × A_rx / (π × R²) × η_opt × η_filter
其中：
P_tx   发射峰值功率
ρ      目标反射率
A_rx   接收孔径面积
R      目标距离
η_opt  接收光学效率
η_filter 滤光片透过率

若 R 从100 m增至200 m，P_rx 降至约1/4；
若 A_rx 孔径从25 mm增至50 mm，P_rx 增至约4倍。