雷射雷達:ToF與FMCW之爭

圍繞汽車級雷射雷達的技術路線之爭，愈加激烈。

近日，有報導稱，調頻連續波(FMCW)雷射雷達將徹底改變目前的汽車級雷射雷達市場格局，並倒逼ToF雷射雷達退出主流市場。

作為全球光學領域的巨頭，卡爾蔡司（Carl Zeiss）公司的一家雷射雷達光學合資公司Scantinel Photonics GmbH表示，其研發的FMCW雷射雷達可以提高解析度，改善對物體的檢測。

根據Scantinel公司的介紹，FMCW雷射雷達工作在1550nm的波長範圍內，滿足對眼睛安全的高標準要求。此外，即使在能見度有限的情況下，如霧、雨、雪，也能提供準確的測量結果。

Scantinel還使用了一種新開發的、獨特的梁偏轉系統，不需要任何機械部件，如MEMS。

目前，最常見的ToF（飛行時間）雷射雷達系統工作在波長850和905納米，接近可見光光譜。因此，最大雷射功率受到限制，探測距離存在瓶頸。

此外，通過使用專有的線性晶片技術，Scantinel公司的FMCW傳感器可以即時測量任何測量點的距離和速度。

由於相干測量過程，這套系統被設計為只對其自身的光脈衝作出響應。如果返回的光與最初發出的光不匹配，FMCW傳感器可以過濾掉這個數據點。

輸入數據的處理速度也更快，因為不再需要估算物體位置變化帶來的速度，就像傳統ToF系統那樣，這降低了計算能力，同時提高了數據處理的成本。

到目前為止，Scantinel公司的技術優勢是將所有組件集成到單個晶片上，即所謂的PIC(光子集成電路)，以實現雷射雷達成本大幅下降的可能目標。

一、FMCW還是試水

一直以來，基於ToF（飛行時間）的脈衝雷射器處於行業主流地位。

脈衝雷射雷達是簡單的飛行時間測距系統。它們通過記錄短脈衝發射到接收反射光之間的時間來測量距離，並在測量過程中通過反射光的角度來測量物體的位置。

然而，測量速度需要發射多個脈衝，並將脈衝之間的距離變化除以脈衝之間的間隔。

脈衝雷射雷達的工作原理是在固定頻率發射短暫的光脈衝，根據這些雷射脈衝從表面反彈回傳感器所需要的時間來確定物體的位置。

相比之下，FMCW雷射雷達發出恆定的光流（連續波），並定期改變光的頻率（調頻），這使得既可以確定物體的位置，又可以利用都卜勒效應精確測量它們的速度。

ToF雷射雷達在夜間工作性能有巨大優勢，但在光線明亮的白天，來自太陽的光子會干擾信號，在接收到的信號中產生噪音。

而且，由於多個ToF雷射雷達在接收來自其他雷射雷達的脈衝時可能會造成幹擾。為了解決這個問題，一些企業開始引入編碼技術，將傳輸信號分割成多個脈衝。

然而，距離性能與峰值功率成正比，而將可用能量分割成多個脈衝會導致探測距離的性能下降。

而基於調頻連續波（FMCW）技術，允許更高的探測靈敏度和準確性。信噪比與傳輸光子的總數成正比，而與峰值雷射功率無關。

由於FMCW雷射雷達具有超過10倍的靈敏度，它能以低於ToF 脈衝雷射雷達1000倍的平均功率傳輸。

此外，FMCW雷射雷達的光子電路將一部分輸出相干雷射與接收光混合。這提供了一個獨特的優勢，有效地阻止任何背景輻射或其他雷射雷達的幹擾。

同時，FMCW雷射雷達的每一個像素的速度信息都可以提供，更容易形成4D感知數據。其次，雷射峰值功率在100mW範圍內，而ToF的峰值功率為數百或數千瓦。

瞬時速度也使得FMCW雷射雷達更容易將遙遠稀疏的數據點識別為物體，並跟蹤這些物體是如何隨時間移動的。

例如，FMCW雷射雷達傳感器可能只收到300米以外的目標的一些反饋，但如果這些零散的點是感知系統感興趣的速度值（例如，以>70英裡每小時的速度接近車輛），系統可以判定目標是重要的。

這意味著，更快的識別和跟蹤給了決策和執行系統更多的機動時間。更好地了解物體移動的速度也能讓運動規劃系統給出更好的反應。

此外，FMCW雷射雷達只對自己發出的光脈衝做出反應。如果返回的光與最初傳輸的光的時間、頻率和波長不匹配，系統就會過濾掉該數據點。

不過，FMCW也有自己的短板，複雜度比ToF脈衝雷射雷達更高，同時對雷射光源有更嚴格的要求。

比如，已經宣布為沃爾沃汽車L4級自動駕駛量產車提供雷射雷達的Luminar公司，雖然用的也是1550nm波長的光源，但是採用的是類似於脈衝都卜勒的方法。

該公司表示，與FMCW方法不同的是，發光體速度屬性並不會降低測量速率，而且有利於測量非徑向運動物體的速度。

目前，已經公開亮相的FMCW雷射雷達，就是由自動駕駛公司Aurora推出的（收購初創公司Blackmore）FirstLight，此前宣傳今年裝車測試。

不過，Blackmore在拿到豐田和寶馬的投資幾年後，最終被Aurora收購，也表明汽車製造商對於FMCW方案未來不確定性的投票。

二、ToF仍是主流

FMCW的雷射雷達已經存在了很長時間，它起源於20世紀60年代在麻省理工學院林肯實驗室所做的工作。

一些專注於ToF雷射雷達研發的公司表示，事實上，幾乎所有的雷射測距儀都使用ToF，而不是FMCW來進行距離測距。

ToF雷射雷達系統可以提供非常快的雷射脈衝、敏捷掃描、增加的返回顯著性，以及應用高密度感興趣區域(ROIs)的能力。

雖然理論上，FMCW有更優越的探測距離性能，但到目前為止還沒有看到FMCW雷射雷達產品可以比得上ToF。

對於物體速度測量而言，ToF系統確實需要多次雷射脈衝來確定目標速度。不過，FMCW不能一次性同時測量橫向速度。

但往往橫向速度包含了超過90%的最危險的邊緣情況。闖紅燈的車輛、急轉彎的車輛、臨街的行人，都需要橫向速度進行避讓決策。

在成本方面，FMCW的優勢在於，它利用了光子學和通訊技術的產業鏈成熟度，使其達到更高的性能水平。比如，更低成本的光電探測器，而ToF經常使用APD和其他更昂貴的探測器。

有企業表示，雷射雷達組件的供應鏈相對較新，但光纖雷射器、PIN陣列接收器、ADC和FPGA等組件已在各個行業使用多年。

從供應基礎的角度來看，這些特定類型的組件風險非常低。相比之下，FMCW系統的關鍵部件是非常低的相位噪聲雷射器，它有許多嚴格的要求，而且沒有其他大批量用戶來幫助降低批量製造成本。

即便是MEMS也已經在各個行業，包括汽車上很多地方被使用。但FMCW系統的組件一直在實驗室中測試驗證，還沒有大規模生產的經驗。

此外，ToF雷射雷達系統已經有多家供應商在整個硬體堆棧上生產符合汽車標準的組件：包括雷射器、探測器、專用集成電路等。

因此，在成本、探測距離、性能和點雲質量等綜合性能方面，高發射率、敏捷掃描的ToF系統比FMCW更能有效地滿足自動駕駛對雷射雷達的需求。

從目前披露的量產計劃來看，基於ToF的方案還是主流。

比如，為寶馬提供L3級自動駕駛量產雷射雷達的Innoviz，採用的是基於ToF的MEMS方案。此前，法雷奧已經量產的SCALA雷射雷達，也是ToF測量方案。

一徑科技CEO石拓表示，未來十年MEMS一定是市場的主流。MEMS的優勢有很多，主要有三點，更強的感知能力、車規可靠性以及低成本。

MEMS雷射雷達在當前是更好的選項，首先MEMS基於矽基材料，是鋼性材料，雖然MEMS微振鏡在做微小振動，但只要控制其遠低於損壞閾值，就不會有金屬疲勞的現象；

其次雷射器、探測器等的散熱結構更容易設計，熱阻很低，無需風扇也可以達到很好的散熱效果。

石拓表示，FMCW可能是未來的一個方向，也可能是ToF方案雷射雷達的一個補充方案，因為它能補充速度維度的信息。

FMCW若要在產品端形成競爭力，需要基於晶片集成技術開發全固態的方案，但是還有很多不確定性和挑戰，包括開發低成本窄線寬掃頻光源、解決掃描方式問題、提高溫度穩定性、開發ASIC晶片等。