深度研究激光雷達(dá)PCB，從設(shè)計(jì)到PCB解決方案

2025-04-11 11:11

激光雷達(dá)的工作原理

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)。通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光)，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得目標(biāo)的距離、方位、速度等相關(guān)信息。

激光雷達(dá)PCB之激光測(cè)量原理

自動(dòng)駕駛中，激光雷達(dá)的用途如下：

障礙物檢測(cè)：識(shí)別和定位車輛周圍的行人、自行車、其他車輛等。

車輛定位：結(jié)合地圖和GPS傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確的定位。

道路特征識(shí)別：包括路面情況，道路邊緣、交通標(biāo)志等。

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）：即時(shí)構(gòu)建周圍環(huán)境地圖并定位自身位置。

攝像頭成像與激光雷達(dá)成像

激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛技術(shù)中的最大優(yōu)勢(shì)在于其高精度和良好的環(huán)境適應(yīng)性。即使在惡劣的天氣條件下，激光雷達(dá)仍然可以提供準(zhǔn)確的三維信息。

激光雷達(dá)的構(gòu)成

激光雷達(dá)由以下幾個(gè)核心部分組成：

發(fā)射器：通常使用半導(dǎo)體激光器發(fā)射脈沖激光。

掃描和光學(xué)系統(tǒng)：用以改變激光的方向，對(duì)環(huán)境進(jìn)行掃描。

探測(cè)器和接收器：接收反射回來(lái)的激光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

位置和導(dǎo)航系統(tǒng)：包括GPS和慣性測(cè)量單元(IMU)，用于確定激光雷達(dá)的精確位置和方向。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：用來(lái)將模擬前端輸出的信號(hào)進(jìn)行算法處理并輸出最終雷達(dá)測(cè)量到的數(shù)據(jù)。

每個(gè)核心組件都有多種技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)方式，這些方式也會(huì)影響到激光雷達(dá)的性能指標(biāo)，例如測(cè)量的距離、精度、分辨率和靈敏度。

激光雷達(dá)線路板之激光雷達(dá)的分類

機(jī)械式激光雷達(dá)進(jìn)行掃描即是在電機(jī)的帶動(dòng)下將發(fā)射模塊和接收模塊進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描。

機(jī)械式旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)360°全方位測(cè)量，適用于高能激光，但是其體型較大，長(zhǎng)時(shí)間使用之后電機(jī)的損耗也會(huì)較大。

混合固態(tài)激光雷達(dá)包括三條技術(shù)路線：棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和MEMS微振鏡。棱鏡和轉(zhuǎn)鏡技術(shù)路線下，發(fā)射模塊和接收模塊固定不動(dòng)，電機(jī)只帶動(dòng)一面或幾面“鏡子”旋轉(zhuǎn)。

MEMS微振鏡技術(shù)路線更進(jìn)一步，取消了電機(jī)，微振鏡在靜電、電磁、電熱或壓電驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描。

MEMS微振鏡激光掃描

固態(tài)激光雷達(dá)，內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，包括光學(xué)相控陣（Optical Phased Array，OPA）和Flash兩種方案。

OPA激光雷達(dá)運(yùn)用光的相干原理，將若干激光發(fā)射單元組成發(fā)射陣列，通過(guò)改變加在不同發(fā)射單元上的電壓，改變不同發(fā)射單元發(fā)射光波相位，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的相長(zhǎng)干涉，從而合成具有特定方向、高強(qiáng)度的激光主光束。而其它方向上從各個(gè)發(fā)射單元射出的光波產(chǎn)生相消干涉，輻射強(qiáng)度接近于零。

硅基OPA激光雷達(dá)的發(fā)射與接收陣列

OPA激光雷達(dá)的掃描速度和精度較高，可以實(shí)現(xiàn)MHz量級(jí)以上的掃描速度和千分之一度量級(jí)以上的掃描精度。在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向。但是OPA激光雷達(dá)的掃描角度有限，工藝要求高、加工難度大，還存在旁瓣效應(yīng)。

Flash激光雷達(dá)采用快閃的非掃描方式，通過(guò)在短時(shí)間直接發(fā)射出一大片激光脈沖（面陣光），再通過(guò)高度靈敏的探測(cè)器接收，完成被測(cè)物體三維圖像的構(gòu)建。Flash激光雷達(dá)就是沒(méi)有掃描模塊，只有發(fā)射模塊和接收模塊。