中低端激光雷達光學結(jié)構(gòu)研究進展

摘" 要：激光雷達作為新的主動傳感技術(shù)，在現(xiàn)代追求效率和自動化的工業(yè)社會中起到越來越大的作用。在其中，因為需要使用激光作為探測手段，所以光學的設(shè)計決定其極限性能比如信噪比的上限，但同時隨著需求的變化，比如小型化和降低成本的需求，激光雷達的光學設(shè)計也會發(fā)生變化，該文總結(jié)一些常見的中低端激光雷達光學結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：激光雷達；激光傳感；光學結(jié)構(gòu)；主動傳感；探測手段

中圖分類號：ＴＮ２４９" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0077-04

隨著激光傳感技術(shù)的進步，激光雷達作為其中的一部分也得到了進一步的發(fā)展，從原來的大型空間觀測的設(shè)備逐漸縮小成車輛甚至小型室內(nèi)自動化設(shè)備的組件[1-2]。作為傳感的硬件核心，光學設(shè)計決定了該設(shè)備的極限性能，但是由于應(yīng)用場景對尺寸可靠性成本等提出了新的要求，因此光學設(shè)計也要跟著改進。

1" 常見中低端激光雷達測距原理

市面常見多數(shù)中低端激光雷達測距原理如圖１、圖２所示。

對于使用直接式TOF檢測法的，會用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路TDC從激光光源發(fā)射光脈沖開始計時，當雪崩光電二極管之類的探測器收到對應(yīng)的反射的信號光后停止計時，這段時間記為t，光速為c，那激光雷達到被測物體的距離L可表示為[3]

間接式TOF測距的光信號被調(diào)制成正弦波、方波和三角波等由激光器發(fā)射，經(jīng)目標反射后被雪崩光電二極管之類的探測器接收，后端處理器根據(jù)多次累積得到光電子數(shù)算出連續(xù)調(diào)制波光信號的相位變化φ，則被測物體與探測器的距離L可表示為

而三角法激光測距，如圖2所示，基于三角測距技術(shù)的測距需一個基準點，通過基準點和待測點在線性CCD上成像的距離差x，從而算出傳感器與待測點的距離L。過基準點做平行于線性CCD表面的基準面，經(jīng)過待測點做平行于CCD表面的待測面。假設(shè)待測點為B點，線性CCD上B點形成的像點為B'點。基準點上的為A點，在線性CCD上形成A點的像點為A'點。y是AB點之間的距離，x為A'和B'之間的距離。發(fā)射激光與A點反射激光的夾角為α，線性CCD表面與A點反射激光的夾角為β?；鶞拭媾c成像透鏡中心O點的距離為F1，成像透鏡中心O點與線性C像表面的距離為F2

待測點和激光雷達距離L為

2" 中低端激光雷達常見光學結(jié)構(gòu)

常見的中低端激光雷達光學結(jié)構(gòu)有同軸式（圖3、圖4）和離軸式（圖5、圖6），其中TOF式測量方法２種結(jié)構(gòu)都可以用，但三角法測距一般是離軸式。

對于２種光學結(jié)構(gòu)，尤其是單線激光雷達，即只用一條激光來進行二維掃描的，發(fā)射系統(tǒng)都是半導(dǎo)體激光器EFL或者VESCEL發(fā)出激光后用單個PMMA材質(zhì)的非球面鏡進行準直。在設(shè)計上最大難點在于對激光光源的準確建模，不同廠家給出的發(fā)散角的定義和測量方式略有差別，導(dǎo)致計算出來的校準后光斑和實際測量出來的差別不小，需要加入修正系數(shù)，但現(xiàn)在有些廠家能提供光線文件，直接導(dǎo)入Zemax非序列模式或者Lighttools就可以很快計算出和實際觀測尺寸接近的。

對于發(fā)射系統(tǒng)，還有一個點就是在雷達外部起保護作用的外罩會把發(fā)射的部分光線反射回接收系統(tǒng)，從而影響信噪比及對應(yīng)的測量距離，對于帶旋轉(zhuǎn)反射鏡的同軸系統(tǒng)，反射鏡會因為潔凈度、加工平整度等原因仍然存在漫反射把發(fā)射激光部分反射到接收系統(tǒng)。因此對于離軸系統(tǒng)而言，發(fā)射系統(tǒng)要盡可能貼近保護外罩，而對于帶旋轉(zhuǎn)反射鏡的同軸系統(tǒng)，則會增加一個導(dǎo)光管從發(fā)射透鏡直接接到反射鏡再到很接近外罩的地方從而大大降低被反射到接收系統(tǒng)的光功率。

對于接收系統(tǒng)而言，中低端TOF激光雷達會采用單個小曲率半徑的非球面透鏡來接收，由于不需要成像，光學設(shè)計的時候會以探測器（一般是雪崩光電二極管）的最大能量進行優(yōu)化。

對于同軸系統(tǒng)而言，因為發(fā)射和接收系統(tǒng)高度結(jié)合，因此能節(jié)約大量的空間，也能大幅度降低物料和生產(chǎn)成本，是很多企業(yè)的激光雷達入門產(chǎn)品。但由于發(fā)射系統(tǒng)的遮擋，加上可旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)光管和發(fā)射模組之間的縫隙存在漏光的可能，以及發(fā)射模組對返回激光的部分遮擋，因此在信噪比的上限比不上離軸。而根據(jù)目前的觀察，行業(yè)內(nèi)探測距離超過30 m的就很多是離軸系統(tǒng)。

而離軸式會是這些企業(yè)往中高端發(fā)展的下一步，除了離軸式系統(tǒng)帶來的信噪比優(yōu)勢進而更遠的探測距離以外，因為發(fā)射和接收系統(tǒng)分離，發(fā)射系統(tǒng)可以采用多個激光器+透鏡組合組成簡單的多線激光雷達。如圖7所示，這個一般是低成本的多線激光雷達，因此接收系統(tǒng)很多會沿用單線雷達的系統(tǒng)，相應(yīng)的部分生產(chǎn)流程會和單線版本共用，一般只要接收系統(tǒng)的視角足夠接收離接收透鏡中心軸角度最大的激光光束的反射光即可，如果接收透鏡設(shè)計合理，甚至可以做到一個接收透鏡同時安裝多個探測器對多線激光的反射光進行同時接收。但如果對多線激光的發(fā)射模組的空間限制較多，比如偏向車載的高端激光雷達，就需要一個準直透鏡或者一個鏡片組同時對多個半導(dǎo)體激光芯片發(fā)出的激光進行校準，如圖8所示，這時需要透鏡同時對多條光束進行優(yōu)化，如果探測距離比較遠，且激光器功率限制多比如護眼功率，就對每條光束發(fā)散角限制更多，會更加消耗計算資源，同時由于芯片和傳統(tǒng)透鏡離軸所帶來的像差，理論上難以通過單透鏡消除，因此即使是最佳優(yōu)化，和透鏡非同軸的激光光斑在遠場能量分布仍然是不均勻的，即能量會向靠近透鏡中心軸方向增加（圖9）。

對于三角測距法的激光雷達，需要根據(jù)測量精度和最大距離選擇合適的線性CCD[4]，而透鏡設(shè)計就根據(jù)以上指標進行優(yōu)化。有些低成本三角測距法激光雷達為了減少旋轉(zhuǎn)元器件，使用一個波浪透鏡將激光光束轉(zhuǎn)換成長條的光束，將多個線性CCD組合起來，形成類似成像用的CCD矩陣[5-7]，或者直接用二維CCD矩陣，不同水平角度反射回來的部分光束就在對應(yīng)位置的CCD線陣[8-11]，這就做到了類似視角有限的單線激光雷達的二維掃描功能[12-15]（圖10）[16]，但由于其低成本應(yīng)用場景比如掃地機器人，很多元器件包括CCD和透鏡，都是現(xiàn)成產(chǎn)品，對組裝工藝要求也低，不少公司會在基礎(chǔ)上做掃地機器人這樣的終端產(chǎn)品提高利潤率。

3" 結(jié)束語

對于中低端的激光雷達的光學結(jié)構(gòu)而言，主要還是接收-發(fā)射系統(tǒng)同軸和離軸的區(qū)別。同軸系統(tǒng)因為結(jié)構(gòu)緊湊、價格低的原因作為低端入門產(chǎn)品；離軸系統(tǒng)因為接收和發(fā)射系統(tǒng)的物理隔離更適合做更大量程的產(chǎn)品，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展成多線激光雷達等偏中高檔產(chǎn)品。

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Abstract： As a new active sensing technology， LiDAR plays an increasingly important role in modern industrial society that pursues efficiency and automation. Among them， because laser needs to be used as a detection means， the optical design determines its limit performance such as the upper limit of signal-to-noise ratio. However， at the same time， as needs change， such as miniaturization and cost reduction， the optical design of LiDAR will also change， this paper summarizes some common mid-to-low-end LiDAR optical structures.

作者簡介：肖駿（1996-），男，碩士。研究方向為激光雷達、激光器、光纖光柵、高功率光隔離器。