激光雷達(dá)（LiDAR）作為自動駕駛、3D 測繪等領(lǐng)域的 “眼睛”，其測距精度、響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性直接依賴于信號處理的精準(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量能力，成為解析信號特性、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)測試中的關(guān)鍵應(yīng)用場景，以及如何通過精準(zhǔn)測量推動技術(shù)突破。

一、信號完整性分析：筑牢測距精度的基礎(chǔ)

激光雷達(dá)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(yōu)化提供量化依據(jù)。

波形參數(shù)的精準(zhǔn)捕捉

激光脈沖的上升時間、下降時間及振鈴現(xiàn)象是評估信號質(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(nèi)）和后續(xù)振鈴，為優(yōu)化驅(qū)動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(qū)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(xiàn)為信號基線的無規(guī)則抖動，可通過示波器的直方圖功能統(tǒng)計噪聲幅值分布，指導(dǎo)濾波電路設(shè)計；

周期性噪聲：多源于電源紋波或時鐘干擾，呈現(xiàn)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(yōu)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(dá)（如 128 線自動駕駛雷達(dá)），各通道的時序同步誤差需控制在亞納秒級，否則會導(dǎo)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(zhǔn)的核心手段。

飛行時間的高精度測量

激光脈沖從發(fā)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(dǎo)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(zhǔn)測量納秒級延遲，配合觸發(fā)釋抑功能，可在百萬次脈沖中篩選出有效信號，排除環(huán)境雜散光干擾。

多通道同步性驗證

多通道激光雷達(dá)需確保各發(fā)射器的脈沖觸發(fā)信號同步。通過示波器的 4 通道同步采集功能，可同時監(jiān)測各通道的觸發(fā)信號與回波信號，計算通道間的時間偏移。例如，某 32 線雷達(dá)在測試中發(fā)現(xiàn)第 5 通道存在 2.3ns 的延遲，通過調(diào)整 FPGA 的觸發(fā)時序，最終將同步誤差控制在 0.5ns 以內(nèi)，點云拼接精度提升 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，貫穿原型驗證、參數(shù)優(yōu)化到量產(chǎn)測試的全環(huán)節(jié)，大幅縮短迭代周期。

原型電路的快速驗證

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

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(guān)系；

評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，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(shù)的動態(tài)優(yōu)化

激光器的脈寬與重復(fù)頻率直接影響測距精度與功耗。通過示波器實時監(jiān)測不同參數(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)致回波信號減弱；

降低重復(fù)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(tǒng)調(diào)試周期

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

硬件故障的波形溯源

當(dāng)接收端信號出現(xiàn)異常尖峰時，通過對比正常與故障狀態(tài)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(zhuǎn)換器的紋波干擾，需加強電源濾波；

若尖峰隨機出現(xiàn)，可能是光電探測器的暗電流異常，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 級存儲深度，可連續(xù)記錄數(shù)小時的信號變化。例如，某激光雷達(dá)在高溫環(huán)境下偶爾出現(xiàn)測距失效，通過示波器的長時間記錄，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時激光器驅(qū)動信號的脈寬突然變窄，最終定位為溫度導(dǎo)致的驅(qū)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(yīng)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(zhǔn)捕捉窄至 1ns 的激光脈沖。測試時，激光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號后輸入示波器，通過以下功能實現(xiàn)高效測試：

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

脈沖模板測試：預(yù)設(shè)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(chǎn)篩查；

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

在激光雷達(dá)技術(shù)向更高分辨率、更遠(yuǎn)測距、更低功耗演進(jìn)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(zhǔn)捕捉信號細(xì)節(jié)、量化噪聲與時序誤差、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。