FMCW激光雷達(dá)完勝ToF激光雷達(dá)，是真是假？

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近兩年來(lái)媒體報(bào)道似乎給公眾傳遞一種訊息：調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)（LiDAR）優(yōu)于飛行時(shí)間法（ToF）激光雷達(dá)，是未來(lái)激光雷達(dá)的終極技術(shù)路線。

本文對(duì)當(dāng)前業(yè)界關(guān)于ToF系統(tǒng)與FMCW系統(tǒng)的主張進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)比較。希望這有助于從業(yè)者理解激光雷達(dá)系統(tǒng)的取舍，從而激發(fā)更有利的知情討論、競(jìng)爭(zhēng)，最終促進(jìn)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛的ToF激光雷達(dá)和FMCW激光雷達(dá)的共同進(jìn)步。

主張1：FMCW是一項(xiàng)（全新的）革命性技術(shù)

這不是事實(shí)。

事實(shí)恰恰相反，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，它起源于二十世紀(jì)六十年代麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室，也就是在激光器發(fā)明七年后誕生。不幸的是，多年來(lái)我們從FMCW技術(shù)中學(xué)到的許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)卻未被應(yīng)用于公共領(lǐng)域，早已被人們遺忘。近年來(lái)看到的變化就是長(zhǎng)相干長(zhǎng)度激光器的使用普及率提高。從理論上講，它可以提供極高的信號(hào)增益，合理地激發(fā)人們對(duì)既有技術(shù)的興趣，但是要使這種激光雷達(dá)適用于自動(dòng)駕駛汽車，仍然必須解決一些過(guò)去就已有定論的“病根”。如果無(wú)法解決，那么聲稱“全新”FMCW激光雷達(dá)能收集到遠(yuǎn)距離、小尺寸物體的數(shù)據(jù)信息并經(jīng)濟(jì)有效地解決汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，這種說(shuō)法將被證實(shí)是不正確的。

主張2：FMCW激光雷達(dá)能更快地探測(cè)/跟蹤更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)

未經(jīng)證實(shí)。

ToF激光雷達(dá)可以提供非常高的激光發(fā)射頻率（shot rate），以AEye公司的ToF系統(tǒng)為例，每秒可發(fā)射幾百萬(wàn)次，掃描速度快，返回速度更快，感興趣區(qū)域（ROI）密度高。與其它激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，效率提高2~4倍。相比之下，許多低復(fù)雜度的激光雷達(dá)每秒只能發(fā)射數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)次（慢50倍）。因此，從本質(zhì)上講，我們是將納秒級(jí)停留時(shí)間（dwell time）、高重復(fù)率與數(shù)十微秒級(jí)停留時(shí)間和低重復(fù)率（每對(duì)激光器/接收端）進(jìn)行比較。

激光發(fā)射頻率會(huì)嚴(yán)重影響激光雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離物體的探測(cè)、采集（分類）和跟蹤，這是因?yàn)楦叩募す獍l(fā)射頻率（空間和/或時(shí)間）可提供更多信息，從而更快地探測(cè)到物體，并更好地過(guò)濾噪聲。AEye曾展示了一種能夠?qū)Φ头瓷渎饰矬w進(jìn)行多點(diǎn)探測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)象包括：200米以外小型物體和行人、300米以外的車輛和1000米內(nèi)的3級(jí)卡車。這充分證明了ToF技術(shù)的測(cè)距能力。實(shí)際上，幾乎所有的激光測(cè)距儀都利用ToF技術(shù)而非FMCW技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量（例如Voxtel公司提供的測(cè)距儀，一些產(chǎn)品具有超過(guò)10千米的最大探測(cè)距離）。盡管最近有文章聲稱FMCW技術(shù)的探測(cè)距離更遠(yuǎn)，但我們還沒(méi)有看到可以與先進(jìn)ToF系統(tǒng)探測(cè)距離相當(dāng)?shù)腇MCW系統(tǒng)。

主張3：FMCW更準(zhǔn)確有效地提供速度和距離信息

這是誤導(dǎo)。

ToF激光雷達(dá)確實(shí)需要多次發(fā)射激光以確定目標(biāo)物體的速度。與FMCW激光雷達(dá)所稱的單次激光發(fā)射相比，這似乎是額外的“開(kāi)銷”。更重要的是，并非所有速度測(cè)量意義都是相同的。盡管兩輛汽車正面行駛時(shí)的徑向速度是非常重要的（原因之一：激光雷達(dá)對(duì)最大探測(cè)距離參數(shù)的要求是越大越好），其實(shí)橫向速度也很重要，因?yàn)闄M向速度引起的緊急情況占90%以上。闖紅燈的汽車、轉(zhuǎn)向的車輛、闖入街道的行人，都需要橫向速度才能做出規(guī)避危險(xiǎn)的決策。FMCW激光雷達(dá)不能一次性同時(shí)測(cè)量橫向速度，在橫向速度測(cè)量方面要超越ToF激光雷達(dá)并不容易。

假設(shè)有一輛汽車以30~40米/秒的速度行駛時(shí)被激光探測(cè)到。如果在短時(shí)間內(nèi)第二次發(fā)射激光，例如在第一次發(fā)射后50微秒，則目標(biāo)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)僅移動(dòng)了約1.75毫米。為了建立具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的速度，目標(biāo)應(yīng)該移動(dòng)至少2厘米，大約需要500微秒，同時(shí)需要足夠的信噪比（SNR）才能對(duì)距離樣本進(jìn)行插值。通過(guò)第二次測(cè)量，在與幀速率相比可忽略的時(shí)間范圍內(nèi)建立統(tǒng)計(jì)顯著的距離和速度。以AEye開(kāi)發(fā)的激光掃描儀為例，500微秒并不是專用于速度估算，可以在此時(shí)間段內(nèi)向目標(biāo)多次發(fā)射激光。在對(duì)原始目標(biāo)反饋高置信度速度測(cè)量值之前，可以巧妙地利用時(shí)間查看其它區(qū)域或目標(biāo)。而FMCW激光雷達(dá)在其整個(gè)停留時(shí)間內(nèi)都只能專用于速度測(cè)量，成為這個(gè)測(cè)量項(xiàng)的“俘虜”。

要解決上述問(wèn)題，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)通常至少需要兩次激光頻率掃描（向上、向下）以實(shí)現(xiàn)明確探測(cè)，向下掃描可以解決“距離+多普勒頻移”組合引起的模糊問(wèn)題。這使每次激光發(fā)射所需的停留時(shí)間增加了一倍，超出了上一段文字描述的時(shí)間。目標(biāo)在10微秒的位移量通常僅為0.5毫米。這種位移水平處于難以將振動(dòng)與實(shí)際線性運(yùn)動(dòng)區(qū)別。同樣，談及橫向速度，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)系統(tǒng)根本不能像ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)那樣不進(jìn)行多位置估算就做到立即探測(cè)橫向速度，但又需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間。

在一種極端的ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)示例中，AEye演示了探測(cè)1千米處的物體。即使需要連續(xù)發(fā)射兩次才能獲得1千米處物體的速度，也明顯看出在常見(jiàn)20Hz幀頻和典型車速的情況下，表現(xiàn)優(yōu)于對(duì)100米處物體一次發(fā)射的效果。

主張4：FMCW技術(shù)干擾較少

事實(shí)恰恰相反！

在ToF系統(tǒng)和FMCW系統(tǒng)中都會(huì)出現(xiàn)偽影。這可能包括反射器異常，例如“光環(huán)”、“殼”、第一表面反射（在擋風(fēng)玻璃后發(fā)生甚至更糟）、離軸空間旁瓣、多路徑和雜波。決定激光雷達(dá)性能的關(guān)鍵在于在空間域（良好的光學(xué)器件）和波形時(shí)域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系統(tǒng)在空間行為上具有可比性，但是當(dāng)存在高對(duì)比度目標(biāo)時(shí)，F(xiàn)MCW真正遭受的損失來(lái)自于波形時(shí)域。

雜波：FMCW系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來(lái)解決自干擾（雜波），該干擾遠(yuǎn)不如沒(méi)有旁瓣的ToF系統(tǒng)健壯。為了提供背景信息，一束10微秒的FMCW脈沖可以在1.5公里范圍內(nèi)徑向傳播。在此范圍內(nèi)，任何對(duì)象都將陷入快速傅里葉變換（時(shí)間）旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脈沖也可能會(huì)被150米外的高強(qiáng)度雜波破壞。第一個(gè)矩形窗口快速傅里葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的-13dB，遠(yuǎn)高于獲得優(yōu)質(zhì)點(diǎn)云所需要的水平。

當(dāng)然，可以采用更深的旁瓣錐度，但是會(huì)犧牲脈沖展寬。此外，接收機(jī)前端的非線性（所謂無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍）將限制整體系統(tǒng)能達(dá)到的有效旁瓣水平，這是由于：壓縮和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）雜散（三階截距）、相位噪聲和大氣相位調(diào)制等，這些都無(wú)法減輕窗口錐度。航空航天和國(guó)防系統(tǒng)當(dāng)然可以克服這些限制，但用于汽車的系統(tǒng)成本相對(duì)低，也必須能夠在超過(guò)100db的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)從近距離后向反射鏡中分揀出遠(yuǎn)距離小物體，這在FMCW系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)。

相比之下，典型的高斯ToF系統(tǒng)在2納秒的脈沖持續(xù)時(shí)間下，除了脈沖持續(xù)時(shí)間本身產(chǎn)生的幾厘米以外，沒(méi)有任何基于時(shí)間的旁瓣。當(dāng)捕獲小目標(biāo)時(shí)，小偏移和大偏移回波之間的動(dòng)態(tài)范圍都不會(huì)對(duì)入射到光電探測(cè)器上的光產(chǎn)生任何影響。我們邀請(qǐng)激光雷達(dá)系統(tǒng)評(píng)估人員親自檢查T(mén)oF激光雷達(dá)與FMCW激光雷達(dá)在不同駕駛條件下的點(diǎn)云質(zhì)量。FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)中大量潛在的旁瓣會(huì)導(dǎo)致偽影，這些偽影不僅會(huì)影響局部距離樣本，還會(huì)影響給定脈沖的整個(gè)返回波形！

第一表面（例如，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)安裝在擋風(fēng)玻璃后面或其它第一表面）：潛在更強(qiáng)的干擾源是由擋風(fēng)玻璃或激光雷達(dá)系統(tǒng)其它第一表面引起的反射。就像發(fā)射光束連續(xù)不斷地反射一樣，相對(duì)于遠(yuǎn)處的物體，反射將是連續(xù)非常強(qiáng)烈的，代表了一種類似的低頻分量，該低頻分量會(huì)在轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不良的FFT旁瓣，還可能會(huì)大大降低可用動(dòng)態(tài)范圍。此外，擋風(fēng)玻璃作為在機(jī)械應(yīng)力下的多層玻璃，具有復(fù)雜的不均勻極化。這使返回到光電探測(cè)器的信號(hào)電場(chǎng)隨機(jī)化，提高了光學(xué)混合復(fù)雜度（去相干）。

最后，由于時(shí)域處理與頻域處理的性質(zhì)不同，即使在高動(dòng)態(tài)范圍的情況下，多回波處理在ToF系統(tǒng)也是直接完成的。而FMCW系統(tǒng)則需要非常明確的指示。多回波處理在處理煙霧、蒸汽和霧氣等掩蔽物時(shí)尤其重要。

主張5：FMCW激光雷達(dá)是汽車級(jí)的，又可靠又易于擴(kuò)展

未經(jīng)證實(shí)。

FMCW激光雷達(dá)聲稱具有以下優(yōu)勢(shì)：憑借光子學(xué)和電信技術(shù)的成熟度，更容易達(dá)到更高性能（節(jié)省成本除外）。的確，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)允許使用低成本的光電探測(cè)器（例如PIN），而ToF激光雷達(dá)通常使用雪崩光電二極管（APD）和其它更昂貴的探測(cè)器。

激光雷達(dá)元器件的供應(yīng)鏈尚處于起步階段，但是諸如光纖激光器、PIN陣列接收器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）之類的元件已在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用多年。從基本的供應(yīng)鏈角度來(lái)看，這些特定類型的元件風(fēng)險(xiǎn)非常低。相比之下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是普及率非常低的相位噪聲激光器，要求嚴(yán)格，沒(méi)有其他批量用戶幫助降低批量制造成本。

ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)使用的光學(xué)元件是廣泛應(yīng)用于商業(yè)系統(tǒng)（有線電視、電信、醫(yī)療儀器和其它行業(yè)）中常規(guī)元件的衍生產(chǎn)品。MEMS技術(shù)，幾乎存在于每輛汽車中的安全氣囊和壓力傳感器，以及軍事領(lǐng)域的Gatlin槍、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭和激光諧振器Q開(kāi)關(guān)等，現(xiàn)在也被用于激光雷達(dá)。FMCW系統(tǒng)中的元件已經(jīng)存在于實(shí)驗(yàn)室多年，但還沒(méi)出現(xiàn)批量生產(chǎn)系統(tǒng)完成其所需元件的制造，如頻率捷變長(zhǎng)相干長(zhǎng)度二極管激光器。

此外，ToF激光雷達(dá)所需的車規(guī)級(jí)元件（激光器、探測(cè)器、ASIC等）供應(yīng)商相對(duì)較多。從歷史上看，一項(xiàng)突破性技術(shù)（例如FMCW激光源）必須付出十倍的功夫才能擁有強(qiáng)大的供應(yīng)鏈。

可擴(kuò)展性與成熟度直接相關(guān)。一種描述技術(shù)成熟度的方法由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）制定，稱為“技術(shù)就緒指數(shù)”（TRL）。該方案將技術(shù)成熟度分為9個(gè)等級(jí)，從技術(shù)萌芽狀態(tài)（TRL 1）到成功部署于多項(xiàng)任務(wù)（TRL 9）進(jìn)行編號(hào)。這種編號(hào)方案并未說(shuō)明從一個(gè)級(jí)別到另一個(gè)級(jí)別要進(jìn)行多少工作，但是我們的經(jīng)驗(yàn)是，每個(gè)級(jí)別之間至少存在因子為10甚至100的差異。

對(duì)于ToF激光雷達(dá)，我們認(rèn)為元件和系統(tǒng)處于TRL 8，而FMCW元件和系統(tǒng)則處于TRL 4。TRL數(shù)值上的差異需要多年才能趕上。FMCW系統(tǒng)可擴(kuò)展性的主要缺點(diǎn)包括：由于激光啁啾脈沖展寬而導(dǎo)致的發(fā)射頻率低，以及處理回波所需的高速ADC和FPGA。如果需要更高的激光發(fā)射頻率，則需要部署光路和電子器件的并行通道?？墒褂脝屋S掃描MEMS，但構(gòu)成了激光雷達(dá)系統(tǒng)的大部分成本，因此，通道翻倍幾乎使激光雷達(dá)的整體成本翻了一番。

激光器成本：在FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)中，相干長(zhǎng)度由激光器的設(shè)計(jì)和制造方式?jīng)Q定，并且長(zhǎng)度必須至少是最大探測(cè)距離的兩倍。通常，低相位噪聲激光器比傳統(tǒng)的二極管激光器價(jià)格高很多。相反，除了保持良好的脈沖形狀外，ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)激光器的其它要求不會(huì)高于電信應(yīng)用。

接收器成本：盡管FMCW激光雷達(dá)所用探測(cè)器確實(shí)可以用相對(duì)低廉的PIN。但由于前端光學(xué)器件和后端電子器件的要求，接收器的整體成本很高。關(guān)于所需的接收器尺寸，同軸FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)和同軸ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收器成本不會(huì)出現(xiàn)明顯差異。但如果看接收器的總成本，ToF系統(tǒng)占優(yōu)勢(shì)。

光學(xué)元件成本：在典型的ToF系統(tǒng)中，發(fā)生非相干探測(cè)（簡(jiǎn)單的振幅峰值檢測(cè)），光學(xué)元件僅需在波長(zhǎng)的四分之一（即λ/4）之內(nèi)。相比之下，F(xiàn)MCW系統(tǒng)使用相干探測(cè)，所有光學(xué)表面都必須在更嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，例如λ/20。這些元件可能非常昂貴，而且供應(yīng)商也很少。

電子元件成本：AEye提供的ToF系統(tǒng)中，電子元件包括一顆高速ADC和一顆執(zhí)行峰值檢測(cè)和距離計(jì)算的FPGA。電子器件的帶寬與距離分辨率成正比，對(duì)于常見(jiàn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)要求，這些元件都非常普通。

FMCW對(duì)ADC轉(zhuǎn)換速率的要求是ToF系統(tǒng)的2~4倍，對(duì)FPGA的要求是能夠接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行超高速FFT轉(zhuǎn)換。即使使用ASIC，F(xiàn)MCW系統(tǒng)所需的處理系統(tǒng)復(fù)雜度（和成本）也是ToF系統(tǒng)的幾倍。

主張6：光學(xué)相控陣（OPA）可以彌補(bǔ)FMCW固態(tài)性能的不足

未經(jīng)證實(shí)。

FMCW的TRL數(shù)值較低，而光學(xué)相控陣（OPA）的TRL數(shù)值更低（實(shí)驗(yàn)性原理證明，大致相當(dāng)于TRL 3），還無(wú)法為FMCW激光雷達(dá)大規(guī)模使用。最初的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）模塊化光學(xué)孔徑構(gòu)建塊（MOABB）項(xiàng)目表明，要實(shí)現(xiàn)非常低的空間旁瓣發(fā)射波束操縱性能，必須使用亞微米（λ/2）波導(dǎo)。這么短的波導(dǎo)對(duì)元件的功耗處理能力要求很高，是限制該技術(shù)的基本因素。在接收端，將來(lái)自輸入透鏡的光耦合到光學(xué)襯底的想法也是光學(xué)性能的挑戰(zhàn)（光闌限制），光學(xué)襯底必須將光收集到一個(gè)非常小的波導(dǎo)中。

大多數(shù)OPA系統(tǒng)使用激光波長(zhǎng)的熱位移來(lái)控制一維光束，使用OPA控制另一維光束。眾所周知，隨著激光束的頻移，相控陣光束操縱能力非常迅速地退化（產(chǎn)生空間旁瓣）。光束操縱機(jī)制依賴于恒定的光強(qiáng)和恒定的波長(zhǎng)，而測(cè)距機(jī)制依賴于激光器的掃頻（波長(zhǎng)），這種組合對(duì)于傳統(tǒng)的FMCW技術(shù)效果不佳。將FMCW技術(shù)與處于發(fā)展初期的OPA光束操縱技術(shù)相結(jié)合的想法，具有極大的風(fēng)險(xiǎn)。我們認(rèn)為，這條道路可能還需要十年才能達(dá)到可用的成熟度。

結(jié)論

AEye認(rèn)為，在成本、測(cè)距范圍、性能和點(diǎn)云質(zhì)量很重要的前提下，激光發(fā)射頻率高、掃描快速的ToF系統(tǒng)比FMCW系統(tǒng)更能有效滿足自動(dòng)駕駛汽車激光雷達(dá)的需求。