調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)技術(shù)的前景及面臨的難題

本文試圖從國(guó)外汽車制造商及Tier 1供應(yīng)商的投資邏輯，從毫米波雷達(dá)的歷史來(lái)分析一下調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)的技術(shù)前景以及其中的量產(chǎn)難點(diǎn)。

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

1． 抗太陽(yáng)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(yīng)單像素實(shí)時(shí)測(cè)速，提供4D信息，有助于目標(biāo)分類；

3． 更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍（＞60dB）；

4． 適合硅光子和相控陣（OPA）技術(shù)低成本批量生產(chǎn)。

FMCW激光雷達(dá)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(dá)的少說(shuō)有上百家，但能做FMCW激光雷達(dá)的寥寥無(wú)幾。正所謂外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，只有懂FMCW的人才能欣賞它?？纯醋罱膸讉€(gè)案例：2017年通用Cruise收購(gòu)Strobe；2018年寶馬、豐田投資Blackmore；還有2019年5月24日Aurora收購(gòu)Blackmore。

全世界的激光雷達(dá)廠商那么多，為何Cruise、寶馬、豐田、Aurora都對(duì)FMCW青睞有加？財(cái)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_(kāi)花的毫米波雷達(dá)就知道了，幾乎全是基于FMCW原理。所以，應(yīng)該是他們的投資策略高瞻遠(yuǎn)矚。據(jù)傳聞，Intel正在研發(fā)基于硅光子的FMCW激光雷達(dá)，蘋(píng)果和Waymo也在評(píng)估和尋求進(jìn)入FMCW激光雷達(dá)領(lǐng)域。

鋪墊完畢，接下來(lái)我們借“Aurora全資收購(gòu)Blackmore”的新聞，來(lái)扒一下幾家美國(guó)FMCW激光雷達(dá)公司背后的核心技術(shù)。

FMCW激光雷達(dá)有幾大組成部分（參考圖1）：1）線性調(diào)頻窄線寬激光；2）MZI干涉儀；3）光束掃描機(jī)構(gòu)；4）平衡光電探測(cè)器；5）數(shù)字信號(hào)處理。這里每一個(gè)模塊相較于脈沖式激光雷達(dá)都更有難度，但其中最考驗(yàn)廠家功力的是線性調(diào)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(lǐng)了。

圖1：FMCW激光雷達(dá)框架示意圖

首先看看Blackmore。它是由位于美國(guó)蒙大拿（Montana）的Bridger Photonics成立的子公司，因此Blackmore的FMCW技術(shù)來(lái)自于其母公司。他們?cè)缭谑昵熬烷_(kāi)始研發(fā)線性調(diào)頻激光測(cè)距技術(shù)了，圖2來(lái)自他們十年前發(fā)表的論文。具體的調(diào)頻涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PZT壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)。熟悉光柵反射外腔調(diào)諧激光器的朋友們馬上會(huì)想到New Focus velocity系列激光器——它就是采用電機(jī)帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)低速大范圍調(diào)頻，加上PZT壓電陶瓷高速偏轉(zhuǎn)高速小范圍調(diào)頻，以及通過(guò)半導(dǎo)體激光器的電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)更高速度的小范圍調(diào)頻。

圖2：利用自差拍技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶激光調(diào)頻線性化的實(shí)驗(yàn)裝置

圖3和表1摘自Blackmore母公司Bridger Photonics于2015年申請(qǐng)的一篇專利（US20150071315A1），進(jìn)一步證實(shí)了上述猜測(cè)。該專利中也列出了幾種激光器選項(xiàng)：Thorlabs的PICO－D鈩?激光器、Luna Technologies的Phoenix 1000鈩?激光器，以及Advanced Semiconductor lasers家的未知型號(hào)激光器。在這三家激光器中，PICO－D恰好是使用外置光柵調(diào)頻的外腔激光器（參見(jiàn)圖4），與Brdger Photonics論文和專利中描述的通過(guò)三個(gè)不同調(diào)頻機(jī)制實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)的描述一致。

如果Blackmore在當(dāng)前的產(chǎn)品中依然在使用該類型激光器，以及專利中描述的激光調(diào)頻線性化方案，那么可以認(rèn)為其激光雷達(dá)不可能滿足量產(chǎn)車規(guī)的要求。為什么呢？首先，這款激光器的成本大于2萬(wàn)美元，并且其使用的光柵外腔結(jié)構(gòu)體積大，在汽車振動(dòng)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(diào)頻線性化方案，使用了成本、功耗和體積都很高的AOM聲光調(diào)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(chǎn)自動(dòng)駕駛汽車的要求。還有一個(gè)問(wèn)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(shuō)需要10ms的掃描時(shí)間。這很難滿足采樣速度、幀率和FMCW實(shí)時(shí)測(cè)速的要求。當(dāng)然這是幾年前的信息，他們是否已經(jīng)找到其它替代的激光器暫不得而知。或許過(guò)一段時(shí)間，Aurora會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的端倪。

圖3：Bridge Photonics線性調(diào)頻激光實(shí)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鈩?激光器及其結(jié)構(gòu)示意圖

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

其實(shí)Blackmore在激光器上所面臨的問(wèn)題，Cruise或許已經(jīng)經(jīng)歷了。2017年10月，通用汽車旗下子公司Cruise收購(gòu)了FMCW激光雷達(dá)公司——Strobe。Strobe的技術(shù)來(lái)源于其母公司OEwaves，核心調(diào)頻激光器示意圖見(jiàn)圖5（來(lái)源：專利US8605760）。該激光器通過(guò)注入式鎖頻鎖定在WGM諧振器的諧振頻率上，通過(guò)物理方法例如電光效應(yīng)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(shí)現(xiàn)高速線性調(diào)頻，剛好滿足FMCW激光雷達(dá)對(duì)激光器的需求。該外腔激光器同樣面臨著生產(chǎn)復(fù)雜、高成本、低可靠性等問(wèn)題。

圖5：Strobe線性調(diào)頻激光（US8605760）

自2017年收購(gòu)以后，關(guān)于Strobe激光雷達(dá)的新聞幾乎沒(méi)有，并且從Cruise依然在使用Velodyne脈沖式激光雷達(dá)也可看出Strobe激光雷達(dá)可能在可靠性和量產(chǎn)方面依然面臨諸多問(wèn)題。

另外，從當(dāng)今汽車毫米波雷達(dá)領(lǐng)域觀察，F(xiàn)MCW技術(shù)占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位，可以預(yù)見(jiàn)FMCW激光雷達(dá)未來(lái)極具潛力，也難怪通用寶馬豐田Aurora在眾多激光雷達(dá)廠商中相中了還處于發(fā)展早期的FMCW激光雷達(dá)公司。而FMCW激光雷達(dá)最核心的線性調(diào)頻激光器依然是制約其發(fā)展的瓶頸。熟悉毫米波雷達(dá)技術(shù)發(fā)展史的人應(yīng)該知道，早在上世紀(jì)八九十年代，F(xiàn)MCW毫米波雷達(dá)同樣面臨著如何解決VCO線性調(diào)頻的難題。如果對(duì)比一下激光器和微波振蕩器，以及激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，可以發(fā)現(xiàn)兩大領(lǐng)域的發(fā)展是一脈相承的，只是相隔一二十年。

線性調(diào)頻激光器技術(shù)不局限于本文描述的外腔調(diào)諧激光方案，其它方案還包括使用單頻激光加單邊調(diào)制器、基于半導(dǎo)體激光線性化調(diào)頻方案等。國(guó)內(nèi)有科研院所使用過(guò)光纖激光器加單邊調(diào)制加光放大器的方案，但問(wèn)題是器件成本都極其高昂也難以量產(chǎn)。

而使用半導(dǎo)體激光器的方案，則在成本、量產(chǎn)、符合車規(guī)等方面相比Blackmore、Strobe等有明顯的優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)地，則需要解決激光的相干性、調(diào)制線性度、調(diào)制速度、帶寬等面臨的綜合難題。幸運(yùn)的是，半導(dǎo)體激光器方案已經(jīng)被證明是可行的，下面的頻譜圖和實(shí)景圖就是使用低成本半導(dǎo)體激光器方案的FMCW激光雷達(dá)所采集的數(shù)據(jù)。

圖6：距FMCW激光雷達(dá)50米遠(yuǎn)的建筑物信號(hào)頻譜圖

圖7：基于半導(dǎo)體激光器的FMCW激光雷達(dá)成像實(shí)景圖

最后總結(jié)，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)若要獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，其中的激光器必須要在調(diào)頻速度、調(diào)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(chǎn)等多方面取得進(jìn)展。雖然道路是艱辛的，相信FMCW激光雷達(dá)前景是光明的！
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