第02章 激光雷达基础：激光原理、雷达方程、脉冲与连续波雷达对比
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一、激光原理
激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种通过受激辐射产生和放大的相干光。
1.1 核心物理过程
- 受激吸收：原子吸收光子从低能级跃迁到高能级。
- 自发辐射：处于高能级的原子自发跃迁到低能级，发射一个光子（非相干）。
- 受激辐射：入射光子诱导高能级原子跃迁，发射一个与入射光子同频率、同相位、同方向的光子（相干光）。
1.2 激光产生条件
- 粒子数反转：高能级粒子数多于低能级，打破热平衡分布。
- 光学谐振腔：由两面反射镜构成，提供正反馈，选择特定模式的光进行放大。
- 增益介质：能够实现粒子数反转的材料（如气体、固体、半导体）。
【原文此处有示意图，图片内容见源资料对应页面】
二、激光雷达方程
雷达方程描述了雷达系统的探测能力，是连接系统参数与目标特性的核心公式。
2.1 基本雷达方程（脉冲式）
P_r = (P_t * G_t * σ * A_r * η) / ((4π)² * R⁴ * L_s)
其中：
P_r : 接收功率 [W]
P_t : 发射功率 [W]
G_t : 发射天线增益
σ : 目标雷达截面积 [m²]
A_r : 接收孔径面积 [m²]
η : 系统效率
R : 目标距离 [m]
L_s : 系统损耗因子
2.2 FMCW雷达方程（考虑相干积分）
SNR = (P_t * ρ * A_r * η * T_int) / (4π * R² * k * T * F_n * L_s)
其中：
SNR : 信噪比
ρ : 目标反射率
T_int: 相干积分时间 [s]
k : 玻尔兹曼常数 (1.38e-23 J/K)
T : 系统噪声温度 [K]
F_n : 接收机噪声系数
2.3 关键影响因素
- 距离四次方衰减：回波功率与距离的四次方成反比，是雷达探测的主要限制。
- 目标截面积σ：取决于目标尺寸、形状、材料及入射角。
- 大气衰减：雨、雾、尘等会显著增加传播损耗。
三、脉冲雷达 vs. 连续波雷达
两种主流雷达体制在原理、性能和应用上存在显著差异。
| 对比维度 | 脉冲雷达 | 连续波雷达（以FMCW为例） |
|---|---|---|
| 工作原理 | 发射短时高功率脉冲，测量回波时延 | 发射频率调制的连续波，通过回波与发射信号的频率差测距 |
| 距离测量 | ΔR = c * Δt / 2，基于时间飞行（ToF） | R = (c * Δf) / (2 * B * f_m)，基于频率差 |
| 速度测量 | 通常需多个脉冲，通过多普勒频移计算 | 直接通过中频信号的相位变化或差频信号的多普勒分量获得 |
| 峰值功率 | 高（瞬时功率大） | 低（平均功率与峰值功率相近） |
| 抗干扰性 | 较差，易受其他脉冲源干扰 | 优秀，通过相干探测和匹配滤波抑制干扰 |
| 距离盲区 | 存在（发射脉冲期间无法接收） | 无（收发可同时进行） |
| 硬件复杂度 | 高功率开关、高速ADC | 线性调频源、高线性度要求、但功率器件要求低 |
| 典型应用 | 远程警戒、气象雷达、传统激光雷达 | 汽车雷达、近距离高精度成像、无人机避障 |
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四、本章核心要点总结
- 激光的相干性是激光雷达实现高精度、高分辨率探测的物理基础。
- 雷达方程是系统设计的指南针，揭示了功率、距离、目标特性之间的定量关系。
- 脉冲雷达适合远程、高瞬时功率应用，但存在盲区且抗干扰能力较弱。
- FMCW连续波雷达以其低峰值功率、无盲区、优异的抗干扰和直接测速能力，在自动驾驶、机器人等近距离高精度场景中占据优势。
- 选择雷达体制需综合考虑探测距离、分辨率、成本、功耗及环境复杂性。
理解这些基础是深入学习FMCW激光雷达相干探测、信号处理及抗干扰技术的前提。