FMCW激光雷达与dTOF激光雷达的区别在哪？

　　FMCW与dTOF区别
　　20世纪60年代激光雷达系统就出现了，最初激光雷达采用一种简单的直接探测方法。发射一个短而明亮的激光脉冲，测量返回所需的时间，并转换为距离信息。这种方法也被称为脉冲式（Pulsed）直接飞行时间法（dToF）激光雷达。不过，雷达迅速演进到使用相干探测方法，这种方法考虑了发射信号的频率和相位。相干雷达系统的最大优点是能够检测到回波信号的小相位偏移，利用多普勒效应大大减少来自固定杂波或静止物体信号的影响。最新一代的汽车雷达以调频连续波（FMCW）技术为基础，作为提高发射效率、提高灵敏度和抗干扰能力的最佳调制
　　FMCW解决方案比当前脉冲式dToF激光雷达解决方案的峰值激光功率低四个数量级以上，在测量距离、瞬时速度、环境抑制、多用户无干扰操作等方面优势明显。脉冲式dToF激光雷达发射一个非常窄的高功率激光脉冲，通过测量飞行时间来确认物体的距离。相比之下，FMCW激光雷达提供低功率的频率啁啾，被测物体的距离和速度以频移的形式得出。
　　缺乏廉价相干激光器和接收器以及相关的低成本芯片集成技术，造成了大多数商用激光雷达系统仍然是脉冲式dToF激光雷达的局面，也减缓了激光雷达向FMCW技术路线的演进速度。
　　脉冲式dToF和FMCW方法均能测量来自动物和衣物等物体高度漫射表面的反射。最终，激光雷达解决方案提供的测量范围和能见度由系统的功率水平和信噪比（SNR）决定。对脉冲式dToF激光雷达而言，决定最大测量范围的信噪比与峰值激光功率成正比。这需要将所有可用的光子压缩成一道狭窄的（纳秒级）明亮激光闪光。对于1550nm的激光，脉冲峰值激光功率可以高达几千瓦。如此高的峰值功率，虽然对人类和大多数动物眼睛安全，但对图像传感器有害。
　　脉冲式dToF激光雷达和FMCW激光雷达的信噪比对比。假设：1英寸的接收孔径；脉冲式dToF激光雷达使用增益为20的雪崩光电二极管，而FMCW激光雷达使用更简单的无增益管脚光电二极管；目标物体反射率为5%。两种情况下的损耗均为6分贝。平均激光功率为30mW。
　　激光雷达的技术演进，必然会像雷达一样采用相干探测方法。一些公司使用的激光频率啁啾与雷达系统中已经使用的频率啁啾类似，不是简单的脉冲。这类相干激光雷达基于FMCW技术，得到更高的探测灵敏度和准确性，并解决了脉冲式dToF激光雷达的许多缺点，例如对背景辐射的抗扰能力差、多用户干扰和缺少瞬时速度信息。FMCW激光雷达的信噪比与发射光子总数成正比，而不是与峰值激光功率成正比。此外，由于FMCW激光雷达的灵敏度高出脉冲式dToF激光雷达10倍，平均发射功率却是脉冲激光雷达的十分之一。因此，FMCW激光雷达能够以小于100mW的峰值激光功率发射周期较长的波形，以获得与脉冲式dToF激光雷达相同的信噪比，同时具有较低的功率。
　　Bastion Schwarz和两位同事发布的最新研究表明，峰值激光功率比激光功率平均值对CMOS（互补金属氧化物半导体）和CCD（电荷耦合器件）传感器的危害更大。CMOS和CCD传感器的损伤阈值测定为10kW/mm²。由于摄像头镜头可以进一步聚焦光线，因此将该值又降低了1万倍，也就是1W的激光脉冲就可能对摄像头造成损害。如果功率低于上述数值，那FMCW激光雷达对摄像头和人眼来讲更安全。
　　1550nm FMCW激光雷达系统在测量距离和瞬时速度两个参数上具有优势。相干探测的高信噪比，加之1550nm波长的人眼安全性，意味着1550nm FMCW激光雷达在公路上行驶时，可以很容易探测到前方300米以外的轮胎或类似的低反射率物体。在极端天气条件下，包括雷暴天气，这一探测距离足够让以70英里/小时速度行驶的车辆有足够的时间停车或变换车道。FMCW技术还可以通过多普勒效应即时测量物体速度。此功能非常重要，不仅因为它支持预测性分析和响应，还能够从原始点云数据中区分对象。
　　迄今为止，将FMCW解决方案推向市场的关键挑战是所需的高性能元器件无法实现低成本、大批量制造。相干技术需要具有大相干长度（窄线宽）的激光器，才能在300米的探测距离内完美工作。FMCW解决方案还需要对光进行相干处理，以提取光子携带的附加信息。这意味着需要非常精确的低噪声光信号处理（OSP）电路来构建相干接收器。此外，因为相干混合只对相同偏振的光子起作用，偏振也扮演着重要角色。激光器的波长稳定性和线性度在整个测量过程中至关重要；否则，信噪比会显著降低。
　　要制造出由此套光学系统定义的稳定、鲁棒性强、精确的分立元器件既困难又昂贵。两家初创公司Blackmore Sensors and Analytics Inc.（2019年5月被Aurora收购）和AEVA Inc.被两家著名的德国汽车制造商选中，并获得了大量资金，用于开发FMCW解决方案。现有的基于电信级元器件的系统成本约数万美元。这种价格可能适用于全自动驾驶汽车，取代人类驾驶员并全天候运行，但无法被L3级或L4级ADAS（高级驾驶辅助系统）的主流乘用车所接受。业界都寄希望于半导体技术的进步最终能降低激光雷达的价格。
　　总而言之，FMCW解决方案比当前脉冲式dToF激光雷达解决方案的峰值激光功率低四个数量级以上，在测量距离、瞬时速度、环境抑制、多用户无干扰操作等方面优势明显，同时具备集成完整激光雷达光学系统于一颗尺寸非常小的低成本硅光子芯片的潜力。上述优势可以改变激光雷达的应用范围，想象空间远远不至于自动驾驶汽车。