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普源 DS70000 示波器在激光雷達(dá)測(cè)試中的技術(shù)應(yīng)用

發(fā)布日期:2025-07-11 14:48:57         瀏覽數(shù):   

激光雷達(dá)(LiDAR)作為自動(dòng)駕駛、3D 測(cè)繪等領(lǐng)域的 “眼睛”,其測(cè)距精度、響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性直接依賴于信號(hào)處理的精準(zhǔn)性。在激光雷達(dá)的研發(fā)、調(diào)試與量產(chǎn)環(huán)節(jié),示波器憑借高帶寬、高采樣率及多通道同步測(cè)量能力,成為解析信號(hào)特性、優(yōu)化系統(tǒng)性能的核心工具。本文將系統(tǒng)闡述示波器在激光雷達(dá)測(cè)試中的關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景,以及如何通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量推動(dòng)技術(shù)突破。

普源 DS70000 示波器在激光雷達(dá)測(cè)試中的技術(shù)應(yīng)用(圖1)


一、信號(hào)完整性分析:筑牢測(cè)距精度的基礎(chǔ)

激光雷達(dá)的核心原理是通過(guò)測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間計(jì)算距離,而信號(hào)完整性直接決定測(cè)距誤差。示波器通過(guò)對(duì)激光脈沖的波形解析,為信號(hào)優(yōu)化提供量化依據(jù)。

波形參數(shù)的精準(zhǔn)捕捉

激光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間及振鈴現(xiàn)象是評(píng)估信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。例如,某 1550nm 光纖激光雷達(dá)的脈沖上升時(shí)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(dá) 2GHz)才能完整捕捉波形細(xì)節(jié)。通過(guò)示波器的高采樣率(如 12.5Gsa/s),可清晰觀察到脈沖過(guò)沖(通常需控制在 10% 以內(nèi))和后續(xù)振鈴,為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的阻抗匹配提供數(shù)據(jù)支撐。

噪聲源的定位與抑制

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

隨機(jī)噪聲:由光電探測(cè)器的散粒噪聲或放大器熱噪聲引起,表現(xiàn)為信號(hào)基線的無(wú)規(guī)則抖動(dòng),可通過(guò)示波器的直方圖功能統(tǒng)計(jì)噪聲幅值分布,指導(dǎo)濾波電路設(shè)計(jì);

周期性噪聲:多源于電源紋波或時(shí)鐘干擾,呈現(xiàn)固定頻率的周期性波動(dòng),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(guò)接地優(yōu)化或電源濾波消除。

二、時(shí)序分析:破解多通道同步難題

對(duì)于多線激光雷達(dá)(如 128 線自動(dòng)駕駛雷達(dá)),各通道的時(shí)序同步誤差需控制在亞納秒級(jí),否則會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云拼接錯(cuò)位。示波器的多通道同步測(cè)量能力成為時(shí)序校準(zhǔn)的核心手段。

飛行時(shí)間的高精度測(cè)量

激光脈沖從發(fā)射到接收的延遲時(shí)間(ToF)直接決定測(cè)距精度。以 100 米測(cè)距為例,1ns 的時(shí)間誤差會(huì)導(dǎo)致 15 厘米的距離偏差。示波器的時(shí)間分辨率(如 DS70000 的 1ps/div)可精準(zhǔn)測(cè)量納秒級(jí)延遲,配合觸發(fā)釋抑功能,可在百萬(wàn)次脈沖中篩選出有效信號(hào),排除環(huán)境雜散光干擾。

多通道同步性驗(yàn)證

多通道激光雷達(dá)需確保各發(fā)射器的脈沖觸發(fā)信號(hào)同步。通過(guò)示波器的 4 通道同步采集功能,可同時(shí)監(jiān)測(cè)各通道的觸發(fā)信號(hào)與回波信號(hào),計(jì)算通道間的時(shí)間偏移。例如,某 32 線雷達(dá)在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)第 5 通道存在 2.3ns 的延遲,通過(guò)調(diào)整 FPGA 的觸發(fā)時(shí)序,最終將同步誤差控制在 0.5ns 以內(nèi),點(diǎn)云拼接精度提升 40%。

三、系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化:從原型到量產(chǎn)的全流程支撐

示波器在激光雷達(dá)的研發(fā)周期中,貫穿原型驗(yàn)證、參數(shù)優(yōu)化到量產(chǎn)測(cè)試的全環(huán)節(jié),大幅縮短迭代周期。

原型電路的快速驗(yàn)證

在模擬前端(AFE)設(shè)計(jì)階段,示波器可快速驗(yàn)證關(guān)鍵參數(shù):

測(cè)試跨阻放大器(TIA)的增益線性度,通過(guò)注入已知光功率的脈沖信號(hào),對(duì)比輸入與輸出電壓的線性關(guān)系;

評(píng)估濾波器的截止頻率,利用示波器的函數(shù)發(fā)生器輸出掃頻信號(hào),觀測(cè)濾波后的波形衰減特性,確保有效濾除高頻噪聲。

工作參數(shù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

激光器的脈寬與重復(fù)頻率直接影響測(cè)距精度與功耗。通過(guò)示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同參數(shù)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(dǎo)致回波信號(hào)減弱;

降低重復(fù)頻率(如從 1MHz 降至 500kHz)可減少熱損耗,但會(huì)降低點(diǎn)云密度。示波器的實(shí)時(shí)測(cè)量功能可幫助找到性能與功耗的平衡點(diǎn)。

四、故障診斷:縮短系統(tǒng)調(diào)試周期

激光雷達(dá)的間歇性故障(如偶發(fā)測(cè)距跳變)往往難以復(fù)現(xiàn),示波器的長(zhǎng)時(shí)間記錄功能成為定位問(wèn)題的關(guān)鍵。

硬件故障的波形溯源

當(dāng)接收端信號(hào)出現(xiàn)異常尖峰時(shí),通過(guò)對(duì)比正常與故障狀態(tài)的波形,可快速鎖定故障點(diǎn):

若尖峰與電源信號(hào)同步,可能是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的紋波干擾,需加強(qiáng)電源濾波;

若尖峰隨機(jī)出現(xiàn),可能是光電探測(cè)器的暗電流異常,需更換器件或優(yōu)化偏置電壓。

間歇性故障的記錄與分析

現(xiàn)代示波器(如 DS70000)支持 TB 級(jí)存儲(chǔ)深度,可連續(xù)記錄數(shù)小時(shí)的信號(hào)變化。例如,某激光雷達(dá)在高溫環(huán)境下偶爾出現(xiàn)測(cè)距失效,通過(guò)示波器的長(zhǎng)時(shí)間記錄,發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬突然變窄,最終定位為溫度導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)芯片性能漂移,通過(guò)增加溫控電路解決問(wèn)題。

五、案例:普源 DS70000 示波器在激光脈沖測(cè)試中的應(yīng)用

針對(duì)高性能光纖脈沖激光器的測(cè)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(zhǔn)捕捉窄至 1ns 的激光脈沖。測(cè)試時(shí),激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸入示波器,通過(guò)以下功能實(shí)現(xiàn)高效測(cè)試:

脈沖參數(shù)自動(dòng)測(cè)量:一鍵獲取脈寬、上升時(shí)間、峰值電壓等 18 項(xiàng)參數(shù),測(cè)試效率提升 60%;

脈沖模板測(cè)試:預(yù)設(shè)合格脈沖的波形模板,自動(dòng)判定被測(cè)脈沖是否超出誤差范圍,適合量產(chǎn)篩查;

多通道同步分析:同時(shí)測(cè)量激光發(fā)射信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)與回波信號(hào),直觀分析三者的時(shí)序關(guān)系。 

普源 DS70000 示波器在激光雷達(dá)測(cè)試中的技術(shù)應(yīng)用(圖2)

在激光雷達(dá)技術(shù)向更高分辨率、更遠(yuǎn)測(cè)距、更低功耗演進(jìn)的過(guò)程中,示波器的角色已從單純的波形顯示工具,升級(jí)為 “信號(hào)解析中樞”。通過(guò)精準(zhǔn)捕捉信號(hào)細(xì)節(jié)、量化噪聲與時(shí)序誤差、加速故障定位,示波器為激光雷達(dá)的研發(fā)迭代與量產(chǎn)質(zhì)量控制提供了不可替代的技術(shù)支撐。選擇適配帶寬、采樣率及存儲(chǔ)深度的示波器,將成為解鎖激光雷達(dá)性能潛力的關(guān)鍵一步。

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