1. 课程导入

激光雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）是一类通过主动发射激光、接收回波并测量飞行时间或相位差来获取目标距离与空间信息的光电传感系统。它并不是“一个激光器加一个探测器”的简单组合，而是由激光发射、光束扫描、光学收发、回波探测、时间测量、数据处理与整机控制等多个子系统协同工作的精密仪器。理解这些子系统的分工与耦合关系，是后续学习扫描机构与光机系统设计的前提。

一、LiDAR系统的典型组成

从信号链角度看，一台典型的机械旋转式或混合固态LiDAR可以划分为以下功能单元：

• 激光发射单元：包括激光二极管、驱动电路、准直透镜组，负责产生满足人眼安全、脉宽和峰值功率要求的激光脉冲。
• 光束扫描单元：包括旋转棱镜、振镜、MEMS微镜、转镜或光学相控阵，决定激光束在空间中的指向与扫描轨迹。
• 收发光学单元：包括发射整形光路、接收汇聚光路、窄带滤光片、大口径接收镜头，负责光束整形、回波收集与背景光抑制。
• 光电探测单元：包括APD、SPAD、SiPM或PIN探测器及前置放大电路，将微弱回波转换为电信号。
• 时间测量单元：包括TDC、ADC或模拟峰值检测电路，完成飞行时间测量与距离解算。
• 控制与数据处理单元：包括FPGA、MCU、点云生成与坐标变换模块，负责时序控制、扫描同步与点云输出。

这些单元之间存在明确的信号流与能量流关系：发射单元产生光脉冲，扫描单元改变其传播方向，收发光学单元完成光束整形与回波收集，探测与时间测量单元完成光电转换和距离解算，最终由控制单元将距离、角度、强度等信息融合为三维点云。

二、扫描机构与光机系统的核心作用

在整机中，扫描机构与光机系统承担着“把激光送到该去的地方，并把回波尽可能多地收回来”的关键任务。具体而言，扫描机构决定视场角（FOV）、角分辨率、扫描轨迹与帧率；光机系统则决定光束质量、接收效率、杂散光抑制能力以及整机的环境适应性。

以常见的旋转棱镜扫描方案为例，其核心参数关系可以概括为：

水平FOV ≈ 2 × arcsin(n·sin(α/2))   // 棱镜顶角α、折射率n
角分辨率 ≈ 扫描步进角 / 每圈采样数
点频 = 线数 × 帧率 × 每线点数
测距方程：Pr = Pt · ρ · Ar · η / (π · R²)   // 接收功率与距离平方成反比

这些参数并非孤立存在。增大FOV往往意味着边缘角分辨率下降；提高点频会压缩单点积分时间，进而影响测距信噪比；接收口径增大会提升回波功率，但也会带来体积、重量与成本压力。因此，扫描机构与光机系统设计本质上是一组多目标约束下的权衡问题。

三、课程学习目标与知识框架

本课程围绕“扫描机构—光机系统—整机性能”这条主线展开，学习目标包括：

1. 掌握LiDAR整机架构与各子系统之间的信号流、能量流关系。
2. 理解机械旋转、MEMS、棱镜、OPA等主流扫描方式的工作原理与适用场景。
3. 能够进行发射光路准直、接收光路汇聚与滤光片选型的基本计算。
4. 掌握扫描角度、角分辨率、点频、帧率与测距能力之间的参数耦合关系。
5. 具备光机装配、公差分析、杂散光抑制与可靠性设计的初步能力。

四、典型应用场景与常见误区

在自动驾驶、机器人导航、测绘与工业检测中，LiDAR的扫描机构与光机系统直接决定了点云质量。例如，自动驾驶前向LiDAR要求水平FOV宽、中心区域角分辨率高；测绘LiDAR则更关注测距精度与回波强度一致性；机器人避障LiDAR强调小体积、低成本与近距盲区小。