文/Clement Kong

圖 1：飛行時(shí)間ToF（左）處理后依然存在光暈現(xiàn)象；調(diào)頻連續(xù)波FWCW（右）系統(tǒng)未經(jīng)處理，原始數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示無光暈影響。

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)（LiDAR）的工作原理，與傳統(tǒng)的飛行時(shí)間（ToF）LiDAR系統(tǒng)不同。ToF LiDAR測(cè)量光脈沖從發(fā)射到碰到物體并返回所需的時(shí)間，而 FMCW LiDAR則分析從物體反射回來的光波的頻率變化。這使得 FMCW LiDAR具有一些顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在精度和分辨率方面。

FMCW LiDAR的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在不影響信號(hào)完整性的情況下處理更高的光功率。相比之下，ToF 系統(tǒng)，特別是那些使用半導(dǎo)體芯片的ToF 系統(tǒng)，在應(yīng)對(duì)高功率光脈沖時(shí)往往存在困難。它們的光路通常存在“泄漏”問題 —— 過高的功率會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損失，尤其是當(dāng)光需要傳播較長距離或從明亮物體反射時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致ToF系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中缺乏可靠性。

另一方面，F(xiàn)MCW LiDAR能夠在承受更高峰值功率的同時(shí)，保持其測(cè)量精度，這使其非常適合工廠自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛等對(duì)精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。在這些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用環(huán)境中，F(xiàn)MCW LiDAR展現(xiàn)出了卓越的性能，與 ToF 系統(tǒng)相比，具有更高的一致性和可靠性。

ToF系統(tǒng)的問題：光暈現(xiàn)象和測(cè)距限制

雖然 ToF LiDAR因其簡(jiǎn)單性和可靠性而廣受重視，但它也面臨著幾個(gè)關(guān)鍵問題。其中最顯著的問題之一是“光暈現(xiàn)象（blooming）”，當(dāng)LiDAR傳感器接收到來自明亮物體的強(qiáng)烈反射時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。交通標(biāo)志、安全背心或高反射表面都會(huì)引發(fā)光暈現(xiàn)象，導(dǎo)致該明亮物體周圍出現(xiàn)模糊和誤報(bào)點(diǎn)。光暈現(xiàn)象在建筑工地或繁忙的城市區(qū)域尤為棘手。

為了應(yīng)對(duì)光暈現(xiàn)象，LiDAR系統(tǒng)使用濾波器去除誤報(bào)點(diǎn)，但這種濾波操作本身也會(huì)帶來一系列挑戰(zhàn)。過濾掉明亮的反射可能會(huì)遺漏對(duì)其附近物體的探測(cè)，比如反射性交通錐附近的行人，這對(duì)于自動(dòng)駕駛安全來說是一個(gè)重大隱患。

除了光暈現(xiàn)象，ToF 系統(tǒng)還存在測(cè)距限制。由于眼睛安全法規(guī)和能量限制，使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和單光子雪崩二極管（SPAD）等技術(shù)的LiDAR系統(tǒng)，在發(fā)射功率上會(huì)存在一定的限制。增加功率來擴(kuò)大ToF系統(tǒng)的測(cè)距范圍只會(huì)加劇光暈問題——這里存在一對(duì)矛盾體，即增加測(cè)距范圍，就會(huì)降低測(cè)量精度。

自動(dòng)駕駛車輛既需要長距離探測(cè)能力，又需要高探測(cè)精度，因此ToF系統(tǒng)存在的上述問題，導(dǎo)致其并不太適合下一代LiDAR傳感器系統(tǒng)。

是什么讓 FMCW LiDAR更具成本效益？

成本是LiDAR普及的最大障礙之一，尤其是對(duì)于汽車行業(yè)以及其他大規(guī)模市場(chǎng)部署至關(guān)重要的行業(yè)。傳統(tǒng)的LiDAR傳感器價(jià)格昂貴，這將其使用范圍限制在高端應(yīng)用和原型制作中。為了實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)駕駛汽車及其他應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)�；�部署，LiDAR系統(tǒng)的成本必須大幅降低。

這正是 FMCW LiDAR的優(yōu)勢(shì)所在（見圖 1）。雖然 FMCW 系統(tǒng)通常比 ToF系統(tǒng)需要更多組件，但通過降低制造復(fù)雜性和成本，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)具有更大的集成潛力。FMCW LiDAR可以集成到單個(gè)芯片或片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)中，這顯著降低了生產(chǎn)成本（見圖 2、圖 3）。通過減少分立組件的數(shù)量，F(xiàn)MCW 系統(tǒng)更易于大規(guī)模生產(chǎn)，成本也更低，這使其在汽車、機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用中更具成本效益。

圖 2：帶有片上光束轉(zhuǎn)向功能的 FMCW 固態(tài)LiDAR。

圖 3：片上光束轉(zhuǎn)向：FMCW硅光子集成芯片。

相比之下，ToF 系統(tǒng)需要分立組件，這會(huì)導(dǎo)致更高的制造成本和復(fù)雜性，使得大規(guī)模生產(chǎn)的可行性較低。雖然 FMCW LiDAR的性能優(yōu)勢(shì)顯而易見，但其面臨的挑戰(zhàn)在于：擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以滿足各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用需求。

FMCW LiDAR勢(shì)頭漸起

FMCW LiDAR在各個(gè)行業(yè)正獲得顯著的發(fā)展動(dòng)力，尤其是在機(jī)器人領(lǐng)域。原始設(shè)備制造商（OEM）和一級(jí)供應(yīng)商正在越來越多地探索 FMCW 解決方案，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)FMCW LiDAR將獲得廣泛應(yīng)用。

FMCW LiDAR受歡迎的關(guān)鍵原因之一是，它能夠在廣泛的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。與在強(qiáng)光或弱光環(huán)境中可能會(huì)遇到困難的 ToF 系統(tǒng)不同，F(xiàn)MCW LiDAR在各種光照條件下都具有出色的表現(xiàn)。這使其在自動(dòng)駕駛應(yīng)用中特別有價(jià)值，因?yàn)樽詣?dòng)駕駛要求傳感器無論在明亮的白天，還是在完全黑暗的夜晚環(huán)境中，都能夠可靠地運(yùn)行。

除了汽車應(yīng)用外，F(xiàn)MCW LiDAR在長距離上提供高精度且不會(huì)出現(xiàn)光暈現(xiàn)象的能力，也為工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和測(cè)繪應(yīng)用提供了頗具吸引力的解決方案。FMCW LiDAR在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)環(huán)境中所表現(xiàn)出的性能，使其成為需要先進(jìn)三維（3D）傳感的行業(yè)的首選技術(shù)。

邁向主流應(yīng)用之路

盡管具有諸多優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)MCW LiDAR仍在不斷發(fā)展，其被市場(chǎng)大規(guī)模廣泛應(yīng)用尚需時(shí)時(shí)日。FMCW技術(shù)比 ToF 技術(shù)更為復(fù)雜，這使其在保持成本效益的同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。但是，隨著集成化小規(guī)模解決方案變得更加可行，將有助于FMCW 系統(tǒng)成本的降低。在半導(dǎo)體芯片上進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)也有助于降低成本、提高可靠性并增強(qiáng)可擴(kuò)展性。

這將有助于 FMCW LiDAR成為從自動(dòng)駕駛到機(jī)器人等行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)，進(jìn)一步的創(chuàng)新將加速其應(yīng)用。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 FMCW LiDAR

Voyant 公司推出了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 FMCW LiDAR技術(shù)及其 CARBON LiDAR系統(tǒng)（見圖 4）。這是一款超低成本的 FMCW 四維（4D）LiDAR，旨在為廣泛的行業(yè)和不同預(yù)算的用戶提供高性能的 3D 傳感。它采用了片上LiDAR技術(shù)（LiDAR-on-chip），這是一種高度集成的硅光子芯片，其將數(shù)千個(gè)光學(xué)和電氣組件（包括片上光束轉(zhuǎn)向）集成到一個(gè)緊湊的、只有指甲大小的模塊中。

圖 4：Voyant 公司的 CARBON FMCW LiDAR系統(tǒng)。

CARBON LiDAR緊湊的外觀和強(qiáng)大的功能，能夠在每個(gè)像素點(diǎn)即時(shí)測(cè)量速度，且精度極高，非常適合實(shí)時(shí)物體探測(cè)。其低成本（單臺(tái)應(yīng)用售價(jià) 1490 美元）有望使尖端LiDAR技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

Voyant 公司正在接受 CARBON LiDAR的訂單，預(yù)計(jì) 2025 年 2 月開始發(fā)貨。它有望徹底改變那些一直在等待經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高性能LiDAR技術(shù)的行業(yè)，并將進(jìn)一步推動(dòng) FMCW LiDAR走向主流。

FMCW LiDAR會(huì)超越 ToF LiDAR嗎？

FMCW LiDAR和 ToF LiDAR之間的競(jìng)爭(zhēng)正在加劇，雖然 ToF LiDAR一直是主導(dǎo)技術(shù)，但 FMCW LiDAR正成為許多高需求應(yīng)用的更優(yōu)解決方案。FMCW LiDAR能夠處理更高光功率、克服光暈問題以及提供經(jīng)濟(jì)高效集成的能力，使其成為下一代LiDAR系統(tǒng)的首選技術(shù)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和價(jià)格的下降，F(xiàn)MCW LiDAR有望徹底改變從自動(dòng)駕駛到機(jī)器人等行業(yè)，并為傳感器技術(shù)的創(chuàng)新提供新的可能性。

像 Voyant 公司的 CARBON LiDAR這樣的發(fā)展成果，正在使 FMCW LiDAR越來越容易獲得且價(jià)格親民，這加速了其大規(guī)模應(yīng)用的進(jìn)程。隨著該技術(shù)的不斷成熟，F(xiàn)MCW LiDAR無疑將在未來打造先進(jìn)傳感解決方案中，發(fā)揮關(guān)鍵作用。