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2020-11-23 電子發燒友

FMCW雷射雷達的性能優勢有哪些 以及其中的量產難點有哪些

微迷網 發表於 2020-03-15 15:57:00

本文試圖從國外汽車製造商及Tier 1供應商的投資邏輯，從毫米波雷達的歷史來分析一下調頻連續波（FMCW）雷射雷達的技術前景以及其中的量產難點。

FMCW雷射雷達被稱為雷射雷達領域皇冠上的明珠，相較於脈衝式雷射雷達有著明顯的性能優勢，主要體現在以下幾個方面：

1． 抗太陽光和其它雷射的幹擾，保證傳感器的安全可靠；

2． 都卜勒效應單像素實時測速，提供4D信息，有助於目標分類；

3． 更高的靈敏度和動態範圍（＞60dB）；

4． 適合矽光子和相控陣（OPA）技術低成本批量生產。

FMCW雷射雷達的門檻高、發展晚，不為大多數人所知。全世界能做脈衝式雷射雷達的少說有上百家，但能做FMCW雷射雷達的寥寥無幾。正所謂外行看熱鬧，內行看門道，只有懂FMCW的人才能欣賞它。看看最近的幾個案例：2017年通用Cruise收購Strobe；2018年寶馬、豐田投資Blackmore；還有2019年5月24日Aurora收購Blackmore。

全世界的雷射雷達廠商那麼多，為何Cruise、寶馬、豐田、Aurora都對FMCW青睞有加？財大氣粗也罷，押寶賽道也罷，人家真的是錢多人傻嗎？NO。看看遍地開花的毫米波雷達就知道了，幾乎全是基於FMCW原理。所以，應該是他們的投資策略高瞻遠矚。據傳聞，Intel正在研發基於矽光子的FMCW雷射雷達，蘋果和Waymo也在評估和尋求進入FMCW雷射雷達領域。

鋪墊完畢，接下來我們借「Aurora全資收購Blackmore」的新聞，來扒一下幾家美國FMCW雷射雷達公司背後的核心技術。

FMCW雷射雷達有幾大組成部分（參考圖1）：1）線性調頻窄線寬雷射；2）MZI幹涉儀；3）光束掃描機構；4）平衡光電探測器；5）數位訊號處理。這裡每一個模塊相較於脈衝式雷射雷達都更有難度，但其中最考驗廠家功力的是線性調頻窄線寬雷射器，而這也正是Blackmore和Strobe有著多年積累的看家本領了。

圖1：FMCW雷射雷達框架示意圖

首先看看Blackmore。它是由位於美國蒙大拿（Montana）的Bridger Photonics成立的子公司，因此Blackmore的FMCW技術來自於其母公司。他們早在十年前就開始研發線性調頻雷射測距技術了，圖2來自他們十年前發表的論文。具體的調頻涉及電機驅動、PZT壓電陶瓷驅動和電流驅動。熟悉光柵反射外腔調諧雷射器的朋友們馬上會想到New Focus velocity系列雷射器——它就是採用電機帶動光柵旋轉實現低速大範圍調頻，加上PZT壓電陶瓷高速偏轉高速小範圍調頻，以及通過半導體雷射器的電流驅動實現更高速度的小範圍調頻。

圖2：利用自差拍技術實現寬帶雷射調頻線性化的實驗裝置

圖3和表1摘自Blackmore母公司Bridger Photonics於2015年申請的一篇專利（US20150071315A1），進一步證實了上述猜測。該專利中也列出了幾種雷射器選項：Thorlabs的PICO－D™雷射器、Luna Technologies的Phoenix 1000™雷射器，以及Advanced Semiconductor lasers家的未知型號雷射器。在這三家雷射器中，PICO－D恰好是使用外置光柵調頻的外腔雷射器（參見圖4），與Brdger Photonics論文和專利中描述的通過三個不同調頻機制實現反饋調節的描述一致。

如果Blackmore在當前的產品中依然在使用該類型雷射器，以及專利中描述的雷射調頻線性化方案，那麼可以認為其雷射雷達不可能滿足量產車規的要求。為什麼呢？首先，這款雷射器的成本大於2萬美元，並且其使用的光柵外腔結構體積大，在汽車振動環境中也很難保持穩定性和可靠性。而在圖2和圖3中，他們所使用的雷射調頻線性化方案，使用了成本、功耗和體積都很高的AOM聲光調製器，這些都顯著增加雷射系統的成本和體積，使其幾乎不可能滿足量產自動駕駛汽車的要求。還有一個問題是，依據上述專利中的描述，雷射掃頻範圍約為50GHz，而表1中雷射掃頻速率為5THz／s，也就是說需要10ms的掃描時間。這很難滿足採樣速度、幀率和FMCW實時測速的要求。當然這是幾年前的信息，他們是否已經找到其它替代的雷射器暫不得而知。或許過一段時間，Aurora會發現其中的端倪。

圖3：Bridge Photonics線性調頻雷射實現方案

表1：Brdige Photonics專利中列舉的幾種可能使用的種子雷射源

圖4：Thorlabs PICO－D™雷射器及其結構示意圖

話說回來，使用這種大範圍（幾十到上百納米）掃頻雷射器可以測量物體的絕對長度，並且達到接近微米級別的測量精度，這在工業高精度測量中大有用武之地，這大概是為什麼德國ZEISS今年年初投資了美國FMCW雷射雷達公司——Bridger Photonics的原因吧。

其實Blackmore在雷射器上所面臨的問題，Cruise或許已經經歷了。2017年10月，通用汽車旗下子公司Cruise收購了FMCW雷射雷達公司——Strobe。Strobe的技術來源於其母公司OEwaves，核心調頻雷射器示意圖見圖5（來源：專利US8605760）。該雷射器通過注入式鎖頻鎖定在WGM諧振器的諧振頻率上，通過物理方法例如電光效應或壓電形變，可以高速改變諧振器頻率牽引雷射頻率。該雷射器體積小，可以實現高速線性調頻，剛好滿足FMCW雷射雷達對雷射器的需求。該外腔雷射器同樣面臨著生產複雜、高成本、低可靠性等問題。

圖5：Strobe線性調頻雷射（US8605760）

自2017年收購以後，關於Strobe雷射雷達的新聞幾乎沒有，並且從Cruise依然在使用Velodyne脈衝式雷射雷達也可看出Strobe雷射雷達可能在可靠性和量產方面依然面臨諸多問題。

另外，從當今汽車毫米波雷達領域觀察，FMCW技術佔據了絕對主導地位，可以預見FMCW雷射雷達未來極具潛力，也難怪通用寶馬豐田Aurora在眾多雷射雷達廠商中相中了還處於發展早期的FMCW雷射雷達公司。而FMCW雷射雷達最核心的線性調頻雷射器依然是制約其發展的瓶頸。熟悉毫米波雷達技術發展史的人應該知道，早在上世紀八九十年代，FMCW毫米波雷達同樣面臨著如何解決VCO線性調頻的難題。如果對比一下雷射器和微波振蕩器，以及雷射雷達和毫米波雷達，可以發現兩大領域的發展是一脈相承的，只是相隔一二十年。

線性調頻雷射器技術不局限於本文描述的外腔調諧雷射方案，其它方案還包括使用單頻雷射加單邊調製器、基於半導體雷射線性化調頻方案等。國內有科研院所使用過光纖雷射器加單邊調製加光放大器的方案，但問題是器件成本都極其高昂也難以量產。

而使用半導體雷射器的方案，則在成本、量產、符合車規等方面相比Blackmore、Strobe等有明顯的優勢。相應地，則需要解決雷射的相干性、調製線性度、調製速度、帶寬等面臨的綜合難題。幸運的是，半導體雷射器方案已經被證明是可行的，下面的頻譜圖和實景圖就是使用低成本半導體雷射器方案的FMCW雷射雷達所採集的數據。

圖6：距FMCW雷射雷達50米遠的建築物信號頻譜圖

圖7：基於半導體雷射器的FMCW雷射雷達成像實景圖

最後總結，FMCW雷射雷達若要獲得市場的認可，其中的雷射器必須要在調頻速度、調頻範圍、線性度、雷射相干性、滿足車規，以及能夠低成本量產等多方面取得進展。雖然道路是艱辛的，相信FMCW雷射雷達前景是光明的！
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