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激光雷达的工作原理与物理基础.docx
资料介绍
激光雷达的工作原理与物理基础
一、引言
激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一种通过发射激光脉冲并测量反射回波来获取目标距离信息的主动式光电传感器。与摄像头依赖环境光照的被动成像不同，激光雷达自带光源，在任何光照条件下都能稳定工作。它的核心测量原理是飞行时间法——通过精确测量激光脉冲从发射到经目标反射后返回接收器的时间差，计算出目标与传感器之间的距离。深入理解激光雷达的物理基础和工作原理，是掌握其性能边界和选型逻辑的前提。
二、飞行时间测距原理
脉冲飞行时间法。 脉冲ToF（Time of Flight）是最主流的激光雷达测距方法。激光器发射一个纳秒级的短脉冲激光束，激光束经过目标反射后回到接收器。发射时刻和接收时刻之间的时间差Δt与目标距离d的关系由光速c决定：d = c × Δt / 2。脉冲ToF在短距离和中距离（200米以内）场景中的测距精度通常为1至3厘米。脉冲ToF的测距上限由激光脉冲的峰值功率和接收器的灵敏度共同决定。
调幅连续波法。 AMCW（Amplitude Modulated Continuous Wave）对连续激光进行正弦波幅度调制，通过测量发射信号与接收信号之间的相位差来计算距离。AMCW的测距精度高于脉冲ToF（可达毫米级），但测距范围受限于波长周期模糊问题。AMCW主要应用于工业级短距高精度测量场景，在车载激光雷达中应用较少。
调频连续波法。 FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）对连续激光进行线性调频调制，发射信号的频率随时间线性变化。回波信号与本振信号混频后产生差频，差频频率与目标距离成正比，同时多普勒频移与目标径向速度成正比。FMCW的优势在于一次测量可同时获取距离和速度信息，且抗干扰能力极强——不同激光雷达发射的信号频率调制方式不同，不易产生互扰。2026年，全球首款纯固态FMCW相干激光雷达实现60万个器件的单片集成，标志着FMCW技术向量产迈出了关键一步。
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