激光雷达（LiDAR）的核心结构主要分为以下几个子系统，各司其职完成“发射光信号→探测反射信号→计算距离与位置”的过程：

核心结构分系统详解

1. 激光发射系统

• 激光源:
  • 常见类型：半导体激光二极管（905nm/1550nm波长）、光纤激光器
  • 关键指标：波长（1550nm人眼更安全）、功率、脉冲频率（决定点云密度）
• 光束整形与调制:
  • 光学镜头：准直透镜（压缩光束发散角）
  • 调制部件：控制激光脉冲宽度（直接影响测距精度）
• 扫描驱动（动态扫描式雷达）:
  • 旋转电机：传统360°机械雷达的核心部件
  • MEMS微振镜：芯片级振动镜面（车规级主流方案，体积小）
  • 光学相控阵（OPA）：无机械部件的电子扫描（前沿技术）

2. 光学接收系统

• 接收镜头组:
  • 大口径菲涅尔透镜/非球面透镜：高效收集反射光子
  • 窄带滤光片：屏蔽环境杂散光（如日光干扰）
• 光电探测器:
  • 类型：雪崩光电二极管（APD）、硅光电倍增管（SiPM）、PIN二极管
  • 作用：将光子转化为电信号（1550nm需用InGaAs材料）
• 信号放大电路:
  • TIA放大器：将微安级电流放大至可处理电平
  • 增益控制：自适应调整防止强反射过饱和

3. 扫描系统（实现空间覆盖）

• 机械旋转式:
  • 整机旋转：360°点云（如Velodyne HDL系列）
  • 转镜扫描：反射镜高速旋转（减少运动部件）
• 固态方案:
  • MEMS：二维振镜扫描（如速腾聚创M1）
  • Flash：一次发射覆盖整个视场（无扫描，抗振动）
  • OPA：通过相位控制改变波束方向（技术壁垒高）

4. 时间测量单元（核心测距模块）

• 直接测量法（ToF）:
  • 原理：Δt = (2d)/c （d=距离，c=光速）
  • 计时芯片：TDC（时间数字转换器），分辨率达皮秒级
  • 例子：SPAD阵列检测光子飞行时间
• 调频连续波（FMCW）:
  • 原理：利用反射光频率偏移解算距离+速度（抗干扰强）
  • 需相干探测：本振光与信号光干涉（代表企业：Aeva）

5. 控制系统与数据处理

• 主控处理器:
  • FPGA：实时处理点云数据流
  • SoC：嵌入式系统运行目标检测算法
• 同步模块:
  • GPS/IMU：融合位置姿态数据（移动测绘必备）
  • 时间同步芯片：精确对齐激光发射与接收时刻
• 数据输出:
  • 原始点云：包含XYZ坐标、反射强度、时间戳
  • 目标级信号：输出障碍物位置、速度（车用雷达）

6. 辅助与防护

• 温控模块:
  • TEC半导体制冷器：维持激光器波长稳定（-40℃~85℃）
• 防护结构:
  • IP67外壳：防尘防水
  • 金属屏蔽层：抗电磁干扰

技术趋势

• 芯片化整合：片上LiDAR（OPA+FMCW+探测器集成）
• 波长升级：1550nm光源（人眼安全功率提升40倍）
• 算法革新：深度学习实时去噪（雨雾天点云优化）

实际结构因类型差异显著：机械式（大体积高可靠性）、MEMS（车规模块化）、Flash（短距补盲）、FMCW（4D成像雷达）各有技术侧重。

如需特定类型（如车载前向雷达/测绘雷达）的深入结构分析，可进一步探讨！