FMCW激光雷達的性能優(yōu)勢有哪些 以及其中的量產難點有哪些

本文試圖從國外汽車制造商及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(xù)波（FMCW）激光雷達的技術前景以及其中的量產難點。

FMCW激光雷達被稱為激光雷達領域皇冠上的明珠，相較于脈沖式激光雷達有著明顯的性能優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1． 抗太陽光和其它激光的干擾，保證傳感器的安全可靠；

2． 多普勒效應單像素實時測速，提供4D信息，有助于目標分類；

3． 更高的靈敏度和動態(tài)范圍（＞60dB）；

4． 適合硅光子和相控陣（OPA）技術低成本批量生產。

FMCW激光雷達的門檻高、發(fā)展晚，不為大多數(shù)人所知。全世界能做脈沖式激光雷達的少說有上百家，但能做FMCW激光雷達的寥寥無幾。正所謂外行看熱鬧，內行看門道，只有懂FMCW的人才能欣賞它?？纯醋罱膸讉€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。

全世界的激光雷達廠商那么多，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?？纯幢榈亻_花的毫米波雷達就知道了，幾乎全是基于FMCW原理。所以，應該是他們的投資策略高瞻遠矚。據(jù)傳聞，Intel正在研發(fā)基于硅光子的FMCW激光雷達，蘋果和Waymo也在評估和尋求進入FMCW激光雷達領域。

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激光雷達公司背后的核心技術。

FMCW激光雷達有幾大組成部分（參考圖1）：1）線性調頻窄線寬激光；2）MZI干涉儀；3）光束掃描機構；4）平衡光電探測器；5）數(shù)字信號處理。這里每一個模塊相較于脈沖式激光雷達都更有難度，但其中最考驗廠家功力的是線性調頻窄線寬激光器，而這也正是Blackmore和Strobe有著多年積累的看家本領了。

圖1：FMCW激光雷達框架示意圖

首先看看Blackmore。它是由位于美國蒙大拿（Montana）的Bridger Photonics成立的子公司，因此Blackmore的FMCW技術來自于其母公司。他們早在十年前就開始研發(fā)線性調頻激光測距技術了，圖2來自他們十年前發(fā)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激光器的朋友們馬上會想到New Focus velocity系列激光器——它就是采用電機帶動光柵旋轉實現(xiàn)低速大范圍調頻，加上PZT壓電陶瓷高速偏轉高速小范圍調頻，以及通過半導體激光器的電流驅動實現(xiàn)更高速度的小范圍調頻。

圖2：利用自差拍技術實現(xiàn)寬帶激光調頻線性化的實驗裝置

圖3和表1摘自Blackmore母公司Bridger Photonics于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激光器選項：Thorlabs的PICO－D?激光器、Luna Technologies的Phoenix 1000?激光器，以及Advanced Semiconductor lasers家的未知型號激光器。在這三家激光器中，PICO－D恰好是使用外置光柵調頻的外腔激光器（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(xiàn)反饋調節(jié)的描述一致。

如果Blackmore在當前的產品中依然在使用該類型激光器，以及專利中描述的激光調頻線性化方案，那么可以認為其激光雷達不可能滿足量產車規(guī)的要求。為什么呢？首先，這款激光器的成本大于2萬美元，并且其使用的光柵外腔結構體積大，在汽車振動環(huán)境中也很難保持穩(wěn)定性和可靠性。而在圖2和圖3中，他們所使用的激光調頻線性化方案，使用了成本、功耗和體積都很高的AOM聲光調制器，這些都顯著增加激光系統(tǒng)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(jù)上述專利中的描述，激光掃頻范圍約為50GHz，而表1中激光掃頻速率為5THz／s，也就是說需要10ms的掃描時間。這很難滿足采樣速度、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激光器暫不得而知?；蛟S過一段時間，Aurora會發(fā)現(xiàn)其中的端倪。

圖3：Bridge Photonics線性調頻激光實現(xiàn)方案

表1：Brdige Photonics專利中列舉的幾種可能使用的種子激光源

圖4：Thorlabs PICO－D?激光器及其結構示意圖

話說回來，使用這種大范圍（幾十到上百納米）掃頻激光器可以測量物體的絕對長度，并且達到接近微米級別的測量精度，這在工業(yè)高精度測量中大有用武之地，這大概是為什么德國ZEISS今年年初投資了美國FMCW激光雷達公司——Bridger Photonics的原因吧。

其實Blackmore在激光器上所面臨的問題，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激光雷達公司——Strobe。Strobe的技術來源于其母公司OEwaves，核心調頻激光器示意圖見圖5（來源：專利US8605760）。該激光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激光頻率。該激光器體積小，可以實現(xiàn)高速線性調頻，剛好滿足FMCW激光雷達對激光器的需求。該外腔激光器同樣面臨著生產復雜、高成本、低可靠性等問題。

圖5：Strobe線性調頻激光（US8605760）

自2017年收購以后，關于Strobe激光雷達的新聞幾乎沒有，并且從Cruise依然在使用Velodyne脈沖式激光雷達也可看出Strobe激光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，F(xiàn)MCW技術占據(jù)了絕對主導地位，可以預見FMCW激光雷達未來極具潛力，也難怪通用寶馬豐田Aurora在眾多激光雷達廠商中相中了還處于發(fā)展早期的FMCW激光雷達公司。而FMCW激光雷達最核心的線性調頻激光器依然是制約其發(fā)展的瓶頸。熟悉毫米波雷達技術發(fā)展史的人應該知道，早在上世紀八九十年代，F(xiàn)MCW毫米波雷達同樣面臨著如何解決VCO線性調頻的難題。如果對比一下激光器和微波振蕩器，以及激光雷達和毫米波雷達，可以發(fā)現(xiàn)兩大領域的發(fā)展是一脈相承的，只是相隔一二十年。

線性調頻激光器技術不局限于本文描述的外腔調諧激光方案，其它方案還包括使用單頻激光加單邊調制器、基于半導體激光線性化調頻方案等。國內有科研院所使用過光纖激光器加單邊調制加光放大器的方案，但問題是器件成本都極其高昂也難以量產。

而使用半導體激光器的方案，則在成本、量產、符合車規(guī)等方面相比Blackmore、Strobe等有明顯的優(yōu)勢。相應地，則需要解決激光的相干性、調制線性度、調制速度、帶寬等面臨的綜合難題。幸運的是，半導體激光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激光器方案的FMCW激光雷達所采集的數(shù)據(jù)。

圖6：距FMCW激光雷達50米遠的建筑物信號頻譜圖

圖7：基于半導體激光器的FMCW激光雷達成像實景圖

最后總結，F(xiàn)MCW激光雷達若要獲得市場的認可，其中的激光器必須要在調頻速度、調頻范圍、線性度、激光相干性、滿足車規(guī)，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激光雷達前景是光明的！
責任編輯：wv