FMCW激光雷達完勝ToF激光雷達，是真是假？

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

本文對當前業(yè)界關于ToF系統(tǒng)與FMCW系統(tǒng)的主張進行了詳細的技術比較。希望這有助于從業(yè)者理解激光雷達系統(tǒng)的取舍，從而激發(fā)更有利的知情討論、競爭，最終促進應用于自動駕駛的ToF激光雷達和FMCW激光雷達的共同進步。

主張1：FMCW是一項（全新的）革命性技術

這不是事實。

事實恰恰相反，F(xiàn)MCW激光雷達已經(jīng)存在了很長時間，它起源于二十世紀六十年代麻省理工學院林肯實驗室，也就是在激光器發(fā)明七年后誕生。不幸的是，多年來我們從FMCW技術中學到的許多經(jīng)驗教訓卻未被應用于公共領域，早已被人們遺忘。近年來看到的變化就是長相干長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增益，合理地激發(fā)人們對既有技術的興趣，但是要使這種激光雷達適用于自動駕駛汽車，仍然必須解決一些過去就已有定論的“病根”。如果無法解決，那么聲稱“全新”FMCW激光雷達能收集到遠距離、小尺寸物體的數(shù)據(jù)信息并經(jīng)濟有效地解決汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，這種說法將被證實是不正確的。

主張2：FMCW激光雷達能更快地探測/跟蹤更遠距離的目標

未經(jīng)證實。

ToF激光雷達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。與其它激光雷達系統(tǒng)相比，效率提高2~4倍。相比之下，許多低復雜度的激光雷達每秒只能發(fā)射數(shù)萬到數(shù)十萬次（慢50倍）。因此，從本質(zhì)上講，我們是將納秒級停留時間（dwell time）、高重復率與數(shù)十微秒級停留時間和低重復率（每對激光器/接收端）進行比較。

激光發(fā)射頻率會嚴重影響激光雷達對遠距離物體的探測、采集（分類）和跟蹤，這是因為更高的激光發(fā)射頻率（空間和/或時間）可提供更多信息，從而更快地探測到物體，并更好地過濾噪聲。AEye曾展示了一種能夠對低反射率物體進行多點探測的系統(tǒng)，對象包括：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級卡車。這充分證明了ToF技術的測距能力。實際上，幾乎所有的激光測距儀都利用ToF技術而非FMCW技術進行距離測量（例如Voxtel公司提供的測距儀，一些產(chǎn)品具有超過10千米的最大探測距離）。盡管最近有文章聲稱FMCW技術的探測距離更遠，但我們還沒有看到可以與先進ToF系統(tǒng)探測距離相當?shù)腇MCW系統(tǒng)。

主張3：FMCW更準確有效地提供速度和距離信息

這是誤導。

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

假設有一輛汽車以30~40米/秒的速度行駛時被激光探測到。如果在短時間內(nèi)第二次發(fā)射激光，例如在第一次發(fā)射后50微秒，則目標在這個時間間隔內(nèi)僅移動了約1.75毫米。為了建立具有統(tǒng)計學意義的速度，目標應該移動至少2厘米，大約需要500微秒，同時需要足夠的信噪比（SNR）才能對距離樣本進行插值。通過第二次測量，在與幀速率相比可忽略的時間范圍內(nèi)建立統(tǒng)計顯著的距離和速度。以AEye開發(fā)的激光掃描儀為例，500微秒并不是專用于速度估算，可以在此時間段內(nèi)向目標多次發(fā)射激光。在對原始目標反饋高置信度速度測量值之前，可以巧妙地利用時間查看其它區(qū)域或目標。而FMCW激光雷達在其整個停留時間內(nèi)都只能專用于速度測量，成為這個測量項的“俘虜”。

要解決上述問題，F(xiàn)MCW激光雷達通常至少需要兩次激光頻率掃描（向上、向下）以實現(xiàn)明確探測，向下掃描可以解決“距離+多普勒頻移”組合引起的模糊問題。這使每次激光發(fā)射所需的停留時間增加了一倍，超出了上一段文字描述的時間。目標在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與實際線性運動區(qū)別。同樣，談及橫向速度，F(xiàn)MCW激光雷達系統(tǒng)根本不能像ToF激光雷達系統(tǒng)那樣不進行多位置估算就做到立即探測橫向速度，但又需要較長的停留時間。

在一種極端的ToF激光雷達系統(tǒng)示例中，AEye演示了探測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20Hz幀頻和典型車速的情況下，表現(xiàn)優(yōu)于對100米處物體一次發(fā)射的效果。

主張4：FMCW技術干擾較少

事實恰恰相反！

在ToF系統(tǒng)和FMCW系統(tǒng)中都會出現(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。決定激光雷達性能的關鍵在于在空間域（良好的光學器件）和波形時域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系統(tǒng)在空間行為上具有可比性，但是當存在高對比度目標時，F(xiàn)MCW真正遭受的損失來自于波形時域。

雜波：FMCW系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來解決自干擾（雜波），該干擾遠不如沒有旁瓣的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)，任何對象都將陷入快速傅里葉變換（時間）旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脈沖也可能會被150米外的高強度雜波破壞。第一個矩形窗口快速傅里葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的-13dB，遠高于獲得優(yōu)質(zhì)點云所需要的水平。

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

相比之下，典型的高斯ToF系統(tǒng)在2納秒的脈沖持續(xù)時間下，除了脈沖持續(xù)時間本身產(chǎn)生的幾厘米以外，沒有任何基于時間的旁瓣。當捕獲小目標時，小偏移和大偏移回波之間的動態(tài)范圍都不會對入射到光電探測器上的光產(chǎn)生任何影響。我們邀請激光雷達系統(tǒng)評估人員親自檢查ToF激光雷達與FMCW激光雷達在不同駕駛條件下的點云質(zhì)量。FMCW激光雷達系統(tǒng)中大量潛在的旁瓣會導致偽影，這些偽影不僅會影響局部距離樣本，還會影響給定脈沖的整個返回波形！

第一表面（例如，F(xiàn)MCW激光雷達安裝在擋風玻璃后面或其它第一表面）：潛在更強的干擾源是由擋風玻璃或激光雷達系統(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，相對于遠處的物體，反射將是連續(xù)非常強烈的，代表了一種類似的低頻分量，該低頻分量會在轉換后的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不良的FFT旁瓣，還可能會大大降低可用動態(tài)范圍。此外，擋風玻璃作為在機械應力下的多層玻璃，具有復雜的不均勻極化。這使返回到光電探測器的信號電場隨機化，提高了光學混合復雜度（去相干）。

最后，由于時域處理與頻域處理的性質(zhì)不同，即使在高動態(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尤其重要。

主張5：FMCW激光雷達是汽車級的，又可靠又易于擴展

未經(jīng)證實。

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

激光雷達元器件的供應鏈尚處于起步階段，但是諸如光纖激光器、PIN陣列接收器、模數(shù)轉換器（ADC）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）之類的元件已在各個行業(yè)應用多年。從基本的供應鏈角度來看，這些特定類型的元件風險非常低。相比之下，F(xiàn)MCW激光雷達系統(tǒng)的關鍵元件是普及率非常低的相位噪聲激光器，要求嚴格，沒有其他批量用戶幫助降低批量制造成本。

ToF激光雷達系統(tǒng)使用的光學元件是廣泛應用于商業(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，幾乎存在于每輛汽車中的安全氣囊和壓力傳感器，以及軍事領域的Gatlin槍、導彈導引頭和激光諧振器Q開關等，現(xiàn)在也被用于激光雷達。FMCW系統(tǒng)中的元件已經(jīng)存在于實驗室多年，但還沒出現(xiàn)批量生產(chǎn)系統(tǒng)完成其所需元件的制造，如頻率捷變長相干長度二極管激光器。

此外，ToF激光雷達所需的車規(guī)級元件（激光器、探測器、ASIC等）供應商相對較多。從歷史上看，一項突破性技術（例如FMCW激光源）必須付出十倍的功夫才能擁有強大的供應鏈。

可擴展性與成熟度直接相關。一種描述技術成熟度的方法由美國國家航空航天局（NASA）制定，稱為“技術就緒指數(shù)”（TRL）。該方案將技術成熟度分為9個等級，從技術萌芽狀態(tài)（TRL 1）到成功部署于多項任務（TRL 9）進行編號。這種編號方案并未說明從一個級別到另一個級別要進行多少工作，但是我們的經(jīng)驗是，每個級別之間至少存在因子為10甚至100的差異。

對于ToF激光雷達，我們認為元件和系統(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)可擴展性的主要缺點包括：由于激光啁啾脈沖展寬而導致的發(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，但構成了激光雷達系統(tǒng)的大部分成本，因此，通道翻倍幾乎使激光雷達的整體成本翻了一番。

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

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

光學元件成本：在典型的ToF系統(tǒng)中，發(fā)生非相干探測（簡單的振幅峰值檢測），光學元件僅需在波長的四分之一（即λ/4）之內(nèi)。相比之下，F(xiàn)MCW系統(tǒng)使用相干探測，所有光學表面都必須在更嚴格的公差范圍內(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)行峰值檢測和距離計算的FPGA。電子器件的帶寬與距離分辨率成正比，對于常見的激光雷達系統(tǒng)要求，這些元件都非常普通。

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

主張6：光學相控陣（OPA）可以彌補FMCW固態(tài)性能的不足

未經(jīng)證實。

FMCW的TRL數(shù)值較低，而光學相控陣（OPA）的TRL數(shù)值更低（實驗性原理證明，大致相當于TRL 3），還無法為FMCW激光雷達大規(guī)模使用。最初的美國國防高級研究計劃局（DARPA）模塊化光學孔徑構建塊（MOABB）項目表明，要實現(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。這么短的波導對元件的功耗處理能力要求很高，是限制該技術的基本因素。在接收端，將來自輸入透鏡的光耦合到光學襯底的想法也是光學性能的挑戰(zhàn)（光闌限制），光學襯底必須將光收集到一個非常小的波導中。

大多數(shù)OPA系統(tǒng)使用激光波長的熱位移來控制一維光束，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）。光束操縱機制依賴于恒定的光強和恒定的波長，而測距機制依賴于激光器的掃頻（波長），這種組合對于傳統(tǒng)的FMCW技術效果不佳。將FMCW技術與處于發(fā)展初期的OPA光束操縱技術相結合的想法，具有極大的風險。我們認為，這條道路可能還需要十年才能達到可用的成熟度。

結論

AEye認為，在成本、測距范圍、性能和點云質(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)更能有效滿足自動駕駛汽車激光雷達的需求。