激光雷达系统及其散热解决方案

激光雷达（LiDAR，光探测和测距）是一种测绘技术，它是通过测量激光脉冲从远处物体反射所需的时间以3D方式对物体及距离进行探测。热管理对大多数激光系统至关重要，激光雷达中的激光器自然也不例外。激光雷达系统的温度稳定对于系统实现最佳性能非常关键，因为温度波动会导致激光波长改变和距离误差增大。温度过高会影响激光器性能，降低可靠性，而且如果管理不当，甚至会导致组件故障。根据系统设计、所需功耗、工作环境和预期用途，一些激光雷达系统需要增强的主动制冷解决方案来保持更佳性能和准确性。

激光雷达技术应用广泛。*Bing Copilot生成的AI图像

激光雷达系统组件

激光雷达系统是利用激光二极管作为光源，但激光二极管在工作过程中会产生大量热量，特别是当系统以高频脉冲或高功率水平工作时产生的热量更多。当系统温度超过首选工作温度范围时，激光二极管性能会迅速下降。在激光雷达激光系统中，首选工作温度通常在15～35°C（59～95°F）之间。温度波动会改变激光波长，影响输出功率、光束质量、光谱线宽和相干长度，导致距离误差、跳模等问题。

此外，包括数据采集单元、信号处理电路和控制系统在内的组件在运行过程中也会产生热量，这增大了热管理复杂性。高效的制冷解决方案对于防止过热和确保这些组件的可靠性能非常重要。

激光雷达系统还具有敏感的光学元件，如透镜、反射镜和光电探测器等。温度波动也会导致这些组件膨胀或收缩，从而导致错位，并影响测量的准确性。可能需要主动温度稳定技术来尽量减少这些影响。

制冷要求

激光雷达系统通常应用在各种环境条件下，包括极端温度、湿度和灰尘或碎片。制冷解决方案必须足够耐用，以便在不同环境条件下保持最佳工作温度，而不会影响系统性能或可靠性。这些严苛环境下的应用包括：

• 汽车
  自动驾驶汽车或高级驾驶员辅助系统（ADAS）都会使用激光雷达，它们通常安装在需要暴露于不同环境条件下的车辆上。激光器和相关电子设备产生的热量，再加上阳光等外部因素，会导致温度波动，影响系统的准确性和可靠性。
• 工业
  用于严苛环境的制造、采矿或林业等应用的激光雷达组件会产生足够多的热量，因此需要制冷系统以保持最佳性能和防止设备损坏。
• 航空航天和国防
  由于高空运行、快速温度变化和潜在的强辐射，无人机（UAV）、卫星和军事侦察设备都会面临由此造成的热管理挑战。
• 大气测量
  用于大气研究、气象或环境监测的激光雷达系统需要在不同气候和高度下运行，温度变化会影响测量准确性。热管理对于确保精确的数据采集和仪器稳定性非常重要。
• 远距离运行
  为远距离扫描而设计的激光雷达系统，如用于地形测绘、城市规划或地质调查的系统，可能需要高功率激光器和复杂的光学元件，高效管理这些组件产生的热量能够保持光束质量和避免热变形。

制冷解决方案

许多激光雷达系统设计人员选择热电制冷器（TEC）对热敏元件进行局部制冷。在激光雷达系统中，TEC可直接与激光二极管接触安装，激光二极管和TEC之间可以进行高效的热传递。TEC会吸收激光二极管的热量并将其散走，有助于保持稳定的工作温度。如有必要，TEC也可放置在透镜、反射镜和光电探测器附近以进行散热。

热电制冷器也称为珀尔帖制冷器，它是一种牢固的固态制冷装置，对于多种不同环境条件的应用，都可以调节关键部件的温度。热电制冷器提供了一种紧凑、轻便、节能的制冷解决方案，使激光雷达系统能够可靠运行，而不需要大体积的外部制冷设备。

莱尔德热系统（Laird Thermal Systems）的热管理大师（Thermal Wizard）等工具现在可以帮助设计工程师快速选择更佳的热电制冷器解决方案。即便不知道Qc要求，也可以从激光二极管冷却计算器顺利开始。

如果您已经知道自己所要寻找的解决方案，请从各种标准TEC解决方案中进行选择:
https://lairdthermal.com/cn/products/thermoelectric-cooler-modules

如果您已经知道自己所要寻找的解决方案，请从各种标准TEC解决方案中进行选择：
https://lairdthermal.com/cn/thermal-design-services/prototyping/prototyping-thermoelectric-coolers

结论

设计具有高效散热特性的激光雷达系统可以帮助缓解散热问题，提高整体性能和可靠性。在需要精确温度控制和紧凑、节能制冷解决方案的各种激光雷达应用中，TEC都具有很大优势，它可满足低功率要求，并能够提供小型和微型尺寸。在传统制冷方案不可实现或运行不可靠的严苛环境中，TEC也能保持激光源或光学组件等关键部件的温度稳定性。