多线激光雷达：时分、频分、空分、码分抑制线束间串扰

背景定义：激光雷达线数，是垂直方向上多路独立激光器，每一路对应一条探测线束。若多路激光器同时发光，回波光经目标漫反射、光学内部串扰，接收端 APD/SPAD 无法区分回波来自哪一路激光器，造成测距错乱、产生大量噪点。

借鉴通信领域四大复用思想，实现多路线束信号隔离，下面分别阐述原理、雷达内部实现、优缺点、工程落地情况（适配江苏省双创团队项目申报材料）。

一、时分复用 TDM（Time‑Division Multiplexing，产业主流方案）

原理

把探测时间轴切分为大量纳秒‑微秒级的时间时隙，不同垂直线束的激光器，分配不同的发射时隙，分时顺序发射；同一时刻，最多只有一路或者一组激光器发光。FPGA 主控严格记录：哪个时隙对应哪一路 LD 发射；TDC 记录回波到达时刻，把回波归属到对应时隙对应的线束通道，从时间维度把各路信号隔离开，从根源消除线束内部串扰。

通俗类比：

同一间教室，不同学生轮流发言，不同时间片分配给不同人，不会说话互相打架。

多线雷达内部实现

1. 32/64/128 线雷达，不会所有 LD 同一时刻点火；FPGA 按序列依次触发各路 LD，相邻通道发射间隔几十～几百 ns；
2. 虽然是分时发射，但是时隙间隔远小于扫描旋转周期，对点云输出帧率几乎没有影响，对外感知近似 “同时扫描”；
3. 配合接收门控：只有对应线束发射之后的回波时间窗口，才打开该通道接收电路，其余时间关闭接收，进一步抑制串扰；
4. 部分方案采用分组分时：把 128 路分为多组，组内分时，组间可以并行，平衡点频与串扰风险。

优点

1. 技术成熟、硬件简单，绝大多数机械旋转多线雷达采用该方案；
2. 不需要改动光学、探测器，仅靠 FPGA 时序逻辑即可实现；
3. 内部线束之间串扰抑制效果非常可靠。

缺点

1. 受最大脉冲重频限制，线束越多，单角度位置需要的时隙越多，会限制整机最大点频；
2. 只解决雷达本机内部多路线束干扰；不能解决外部其他雷达的干扰；
3. 需要极高精度 FPGA 时序控制，时隙偏移会造成通道归属错误。

工程现状：产业化落地最广泛，禾赛、速腾、Velodyne 多线雷达均以时分复用为基础架构。

二、空分复用 SDM（Space‑Division Multiplexing，光学物理隔离）

原理

利用空间、光路、视场的物理隔离，实现多路线束信号分离。不同激光器光束的发射光路、接收视场、探测器光敏面在空间上互相独立，一路线束的回波，只会落到对应通道的接收探测器上，不会串入其他线束接收通道，同一时刻允许多路线束同时发光。

通俗类比：很多独立的话筒，每个话筒只听对应位置的人说话，物理空间分开，大家可以同时讲话互不干扰。

多线雷达内部实现（两层含义）

1. 发射端空分：多路 LD 在垂直方向物理排布，发射透镜把每一路光束投射到不同垂直俯仰角，光束在空间传播路径相互分离；
2. 接收端空分（核心）：接收光学系统，把不同垂直角度的回波光，严格成像到不同 APD/SPAD 探测器像元；不同线束对应独立的接收光敏单元；光学光阑、遮光隔板阻挡光束的内部漫反射、光学串光。

理想空分下，多路 LD 可以真正同时并发发射脉冲，不需要分时，获得更高点云输出速率。

优点

1. 可多路线束真正并行发射，点频高；不占用时间资源；
2. 硬件层面阻断通道串扰根源。

缺点

1. 对光学设计、装配公差要求极高；一旦装配偏移，光束发生串光，会直接产生严重内部串扰；
2. 体积、成本上升；多线数（128 线）接收探测器阵列的加工难度显著提升；
3. 仅抑制本机内部线束串扰，不能解决外界其他雷达的干扰。

工程现状

所有多线雷达都会做基础的空分光学隔离；纯空分并发多用于 SPAD 面阵 Flash 雷达；传统机械多线雷达一般：空分为基础 + 时分复用配合使用，双重保障，不会只依靠空分。

三、频分复用 FDM（Frequency‑Division Multiplexing，FMCW 激光雷达主流，脉冲 dToF 极少使用）

原理

给不同垂直线束分配不同光频（光波长 / 调制频率），每一路激光器使用独特的光频率；接收端通过光学滤波或者相干混频，按频率筛选，只提取本通道对应频率的回波信号，滤除其他线束信号，实现同一时刻多路并行工作。

通俗类比：收音机不同电台占用不同频率，同时广播，靠滤波器选出自己需要的电台。

雷达内部实现

1. FMCW 调频连续波激光雷达：每一路发射不同调频斜率 / 光中心频率；接收端做相干外差混频，只有同频率的回波才产生有效中频信号，其余线束信号直接被滤除；
2. 传统脉冲 dToF 脉冲激光雷达几乎不使用光频分复用：905nm 激光器波长调谐难度、成本很高。

优点

1. 多路线束可完全同时并行发射，时间资源不被占用；
2. 抗干扰能力强，不仅抑制本机线束串扰，同时对外部雷达干扰有很强免疫力。

缺点

1. 硬件复杂度高，需要可调谐激光器、相干接收模块；
2. 成本高，传统脉冲 dToF 多线雷达极少采用；主要用于 FMCW 体制雷达。

工程现状

脉冲多线 dToF 雷达几乎不用；是下一代 FMCW 激光雷达的核心多路隔离手段。

四、码分复用 CDM / CDMA（Code‑Division Multiplexing，脉冲编码）

原理

每一路垂直线束，分配一组独一无二的正交伪随机脉冲编码序列；发射时不是单个脉冲，而是发射一组带专属编码的脉冲串；接收端做相关解码运算，只有和本机通道编码完全匹配的回波，才判定为有效信号；其他线束（或者外部雷达）的编码和本机不相关，直接被当作噪声过滤，同一时间允许多线束同时发光。

通俗类比：多人同时说话，但每个人使用一套专属密码，接收方只听得懂自己的密码，其他所有人的声音直接忽略。

多线雷达内部实现

1. FPGA 为每一路垂直线束 LD 生成独立正交脉冲编码序列；
2. 发射端按照编码序列，控制激光器输出一串脉冲；
3. 接收端采集回波波形，做数字相关运算，只有高相关峰才判定为本通道有效回波；拒绝其他线束编码的回波信号。

优点

1. 多路线束可以同一时刻并行发光，不消耗时间时隙资源；
2. 双重收益：既解决雷达本机内部多线束串扰，同时还能抵抗外部其他激光雷达的干扰，非常适合多雷达共存场景。

缺点

1. 发射脉冲变成脉冲串，同等峰值功率条件下单脉冲能量被分散，会降低最大测距；想要维持测距，需要提升总发射功率；
2. FPGA 算力开销显著增加，每一路通道都需要做实时相关解码；
3. 正交编码设计难度大，码间会存在部分互相关泄露，不能 100% 完全消除串扰。

工程现状

传统机械多线雷达很少单独使用码分复用；新一代 SPAD dToF 雷达，会把码分复用作为辅助抗干扰手段，配合时分 / 空分一起使用，不会单独依靠码分解决内部线束串扰。

五、四大技术对比汇总表（可直接用于申报材料）

表格

技术	隔离维度	是否可多路同时发光	主要适用雷达体制	核心优势	主要短板
时分复用 TDM	时间时隙	❌同一时刻仅单组通道发射	脉冲 dToF 机械多线雷达（16‑128 线）	技术成熟，实现简单，内部串扰抑制可靠	点频受时隙限制，无法抵抗外部雷达干扰
空分复用 SDM	光学空间视场	✅支持同时并发	全部多线雷达（光学基础）、Flash‑SPAD 雷达	并行能力强，硬件阻断串扰来源	光学装配要求极高，成本高
频分复用 FDM	光频率 / 调制频率	✅支持同时并发	FMCW 调频连续波雷达	并行度高，同时抗内部 + 外部干扰	硬件复杂、成本高，脉冲 dToF 难以落地
码分复用 CDM	正交编码序列	✅支持同时并发	新一代 SPAD dToF 雷达	同时抑制内部线束串扰与外部雷达干扰	算力开销大，会牺牲测距性能

六、产业实际工程组合方案（重点，双创项目可引用）

现实量产多线激光雷达几乎不会单独使用某一种技术，采用组合架构：

时分复用为主 + 空分复用作为光学基础，码分 / 频分作为增强抗干扰补充

1. 传统机械旋转多线 dToF 雷达（32/64/128 线）：空分（光学分离各路光束与探测器）+ 时分复用（FPGA 分时点火 LD），是行业主流组合，彻底解决本机内部线束之间互相串扰；
2. 新一代 SPAD 固态 dToF：空分做光学隔离，可叠加码分复用编码，兼顾内部通道隔离 + 多设备环境抗干扰；
3. FMCW 雷达：空分 + 频分复用，实现多路并行探测。

关键区分：时分 / 空分重点解决雷达本机内部不同垂直线束之间的互相干扰；码分、频分除了解决内部串扰，还可以抑制外部其他激光雷达设备带来的干扰