普源 DS70000 示波器在激光雷達測試中的技術應用

激光雷達（LiDAR）作為自動駕駛、3D 測繪等領域的 “眼睛”，其測距精度、響應速度與系統穩定性直接依賴于信號處理的精準性。在激光雷達的研發、調試與量產環節，示波器憑借高帶寬、高采樣率及多通道同步測量能力，成為解析信號特性、優化系統性能的核心工具。本文將系統闡述示波器在激光雷達測試中的關鍵應用場景，以及如何通過精準測量推動技術突破。

一、信號完整性分析：筑牢測距精度的基礎

激光雷達的核心原理是通過測量激光脈沖的飛行時間計算距離，而信號完整性直接決定測距誤差。示波器通過對激光脈沖的波形解析，為信號優化提供量化依據。

波形參數的精準捕捉

激光脈沖的上升時間、下降時間及振鈴現象是評估信號質量的關鍵指標。例如，某 1550nm 光纖激光雷達的脈沖上升時間僅為 5ns，需使用帶寬≥1GHz 的示波器（如普源精電 DS70000 系列，帶寬達 2GHz）才能完整捕捉波形細節。通過示波器的高采樣率（如 12.5Gsa/s），可清晰觀察到脈沖過沖（通常需控制在 10% 以內）和后續振鈴，為優化驅動電路的阻抗匹配提供數據支撐。

噪聲源的定位與抑制

激光雷達的接收端信號往往淹沒在噪聲中，示波器的低噪聲前端（如 DS70000 的底噪≤2mVrms）可有效區分兩類噪聲：

隨機噪聲：由光電探測器的散粒噪聲或放大器熱噪聲引起，表現為信號基線的無規則抖動，可通過示波器的直方圖功能統計噪聲幅值分布，指導濾波電路設計；

周期性噪聲：多源于電源紋波或時鐘干擾，呈現固定頻率的周期性波動，利用示波器的 FFT 頻譜分析功能可定位干擾源頻率（如 50Hz 工頻干擾），通過接地優化或電源濾波消除。

二、時序分析：破解多通道同步難題

對于多線激光雷達（如 128 線自動駕駛雷達），各通道的時序同步誤差需控制在亞納秒級，否則會導致點云拼接錯位。示波器的多通道同步測量能力成為時序校準的核心手段。

飛行時間的高精度測量

激光脈沖從發射到接收的延遲時間（ToF）直接決定測距精度。以 100 米測距為例，1ns 的時間誤差會導致 15 厘米的距離偏差。示波器的時間分辨率（如 DS70000 的 1ps/div）可精準測量納秒級延遲，配合觸發釋抑功能，可在百萬次脈沖中篩選出有效信號，排除環境雜散光干擾。

多通道同步性驗證

多通道激光雷達需確保各發射器的脈沖觸發信號同步。通過示波器的 4 通道同步采集功能，可同時監測各通道的觸發信號與回波信號，計算通道間的時間偏移。例如，某 32 線雷達在測試中發現第 5 通道存在 2.3ns 的延遲，通過調整 FPGA 的觸發時序，最終將同步誤差控制在 0.5ns 以內，點云拼接精度提升 40%。

三、系統調試與優化：從原型到量產的全流程支撐

示波器在激光雷達的研發周期中，貫穿原型驗證、參數優化到量產測試的全環節，大幅縮短迭代周期。

原型電路的快速驗證

在模擬前端（AFE）設計階段，示波器可快速驗證關鍵參數：

測試跨阻放大器（TIA）的增益線性度，通過注入已知光功率的脈沖信號，對比輸入與輸出電壓的線性關系；

評估濾波器的截止頻率，利用示波器的函數發生器輸出掃頻信號，觀測濾波后的波形衰減特性，確保有效濾除高頻噪聲。

工作參數的動態優化

激光器的脈寬與重復頻率直接影響測距精度與功耗。通過示波器實時監測不同參數下的輸出波形：

縮短脈寬（如從 10ns 降至 5ns）可提高距離分辨率，但需避免脈沖能量不足導致回波信號減弱；

降低重復頻率（如從 1MHz 降至 500kHz）可減少熱損耗，但會降低點云密度。示波器的實時測量功能可幫助找到性能與功耗的平衡點。

四、故障診斷：縮短系統調試周期

激光雷達的間歇性故障（如偶發測距跳變）往往難以復現，示波器的長時間記錄功能成為定位問題的關鍵。

硬件故障的波形溯源

當接收端信號出現異常尖峰時，通過對比正常與故障狀態的波形，可快速鎖定故障點：

若尖峰與電源信號同步，可能是 DC-DC 轉換器的紋波干擾，需加強電源濾波；

若尖峰隨機出現，可能是光電探測器的暗電流異常，需更換器件或優化偏置電壓。

間歇性故障的記錄與分析

現代示波器（如 DS70000）支持 TB 級存儲深度，可連續記錄數小時的信號變化。例如，某激光雷達在高溫環境下偶爾出現測距失效，通過示波器的長時間記錄，發現故障發生時激光器驅動信號的脈寬突然變窄，最終定位為溫度導致的驅動芯片性能漂移，通過增加溫控電路解決問題。

五、案例：普源 DS70000 示波器在激光脈沖測試中的應用

針對高性能光纖脈沖激光器的測試需求，DS70000 系列示波器憑借 2GHz 帶寬、12.5Gsa/s 采樣率及 16bit 垂直分辨率，可精準捕捉窄至 1ns 的激光脈沖。測試時，激光信號經光電探測器轉換為電信號后輸入示波器，通過以下功能實現高效測試：

脈沖參數自動測量：一鍵獲取脈寬、上升時間、峰值電壓等 18 項參數，測試效率提升 60%；

脈沖模板測試：預設合格脈沖的波形模板，自動判定被測脈沖是否超出誤差范圍，適合量產篩查；

多通道同步分析：同時測量激光發射信號、觸發信號與回波信號，直觀分析三者的時序關系。

結語

在激光雷達技術向更高分辨率、更遠測距、更低功耗演進的過程中，示波器的角色已從單純的波形顯示工具，升級為 “信號解析中樞”。通過精準捕捉信號細節、量化噪聲與時序誤差、加速故障定位，示波器為激光雷達的研發迭代與量產質量控制提供了不可替代的技術支撐。選擇適配帶寬、采樣率及存儲深度的示波器，將成為解鎖激光雷達性能潛力的關鍵一步。