在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我們對(duì)激光雷達(dá)“技術(shù)路線(xiàn)”的討論，都停留在ToF激光雷達(dá)“按掃描架構(gòu)如何分類(lèi)”，卻忽略了一個(gè)更高維度的分類(lèi)：以測(cè)距方式為依據(jù)，激光雷達(dá)可分為T(mén)oF與FMCW兩個(gè)大類(lèi)。

除光學(xué)鏡頭有相同之處，這是兩個(gè)幾乎完全不同的品類(lèi)。可以說(shuō)，TOF與FMCW的分類(lèi)，要遠(yuǎn)比所謂“機(jī)械旋轉(zhuǎn)、MEMS、轉(zhuǎn)鏡、棱鏡、Flash”這樣的分類(lèi)重要得多。

2.Waymo、禾賽、華為等現(xiàn)階段以ToF路線(xiàn)為主的公司。

有意思的是，在2017年之后成立的公司，幾乎都沒(méi)有做TOF產(chǎn)品，而是從一開(kāi)始就走FMCW路線(xiàn)。因?yàn)椋谶@些公司看來(lái)，TOF路線(xiàn)已經(jīng)被先發(fā)的公司做得比較成熟了，他們?cè)僮鰴C(jī)會(huì)已經(jīng)不多了；并且，TOF技術(shù)路線(xiàn)固有的局限性，也需要通過(guò)一種新的技術(shù)路線(xiàn)來(lái)“彌補(bǔ)”。

然而，盡管參與者甚眾，但據(jù)光勺科技CEO姚建在幾個(gè)月前的一次演講中說(shuō)，目前，在全球范圍內(nèi)，能提供FMCW激光雷達(dá)樣機(jī)的就Aeva、Blackmore、光勺等極少數(shù)幾家。

FMCW這個(gè)概念容易給人一種“不明覺(jué)厲”的感覺(jué)，但除少數(shù)從業(yè)者外，外界對(duì)FMCW激光雷達(dá)所知甚少。

9月份，《九章智駕》閱讀了超過(guò)10萬(wàn)字關(guān)于FMCW激光雷達(dá)的公開(kāi)資料，并在這些資料的基礎(chǔ)上又梳理出數(shù)十個(gè)問(wèn)題，然后，帶著這些問(wèn)題跟光勺科技CEO姚建、洛微CTO Andy.Sun、摯感光子IC設(shè)計(jì)總監(jiān)吳雷等6位業(yè)內(nèi)專(zhuān)家做了深入交流，整理出本系列關(guān)于FMCW激光雷達(dá)的“科普文”。

在采訪(fǎng)的過(guò)程中，《九章智駕》發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有意思的現(xiàn)象：對(duì)關(guān)于FMCW的一些基本問(wèn)題，從業(yè)者們之間尚未完全達(dá)成共識(shí)。

一．FMCW激光雷達(dá)的定義

FMCW的全稱(chēng)是 Frequency Modulated Continuous Wave,翻譯成中文為“調(diào)頻連續(xù)波”，它是一種相比于TOF的激光雷達(dá)測(cè)距原理。因此，在談FMCW前，我們先簡(jiǎn)單地介紹一下TOF。

TOF（全稱(chēng)為T(mén)ime of Flight，中文名為“飛行時(shí)間法”）的測(cè)距原理是：用光脈沖在目標(biāo)物與激光雷達(dá)間的飛行時(shí)間乘以光速來(lái)測(cè)算距離。TOF激光雷達(dá)采用了脈沖振幅調(diào)制技術(shù)（AM），因而也被稱(chēng)為AM激光雷達(dá)。

與ToF路線(xiàn)不同，F(xiàn)MCW主要通過(guò)發(fā)送和接收連續(xù)激光束，把回光和本地光做干涉，并利用混頻探測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量發(fā)送和接收的頻率差異，再通過(guò)頻率差換算出目標(biāo)物的距離。

具體地說(shuō)，激光束擊中目標(biāo)物后被反射，而反射會(huì)影響光的頻率——如果目標(biāo)物向車(chē)輛走來(lái)，頻率會(huì)升高；如果目標(biāo)物和車(chē)輛同方向行走，則頻率會(huì)降低。當(dāng)反射光返回到探測(cè)器，與發(fā)射時(shí)的頻率相比，就能測(cè)量?jī)煞N頻率之間的差值，從而計(jì)算出物體的距離信息。

簡(jiǎn)言之，ToF使用時(shí)間來(lái)測(cè)量距離，而FMCW使用頻率來(lái)測(cè)量距離。

下圖以三角波調(diào)頻連續(xù)波為例來(lái)介紹其測(cè)距原理：藍(lán)色為發(fā)射信號(hào)頻率，紅色為接收信號(hào)頻率，發(fā)射的激光束被反復(fù)調(diào)制，信號(hào)頻率不斷變化。

圖片摘自公眾號(hào)“美團(tuán)無(wú)人配送”于2021年6月28日發(fā)布的《主流激光雷達(dá)分類(lèi)及原理》

此外，據(jù)某FMCW激光雷達(dá)公司CEO奚先生介紹，FMCW與TOF還有一個(gè)很明顯的不同：TOF為了減少環(huán)境光的干擾，重點(diǎn)在于濾波，即將工作波長(zhǎng)以外的光擋在雷達(dá)接收器以外；而FMCW只對(duì)自身發(fā)射的激光產(chǎn)生干涉，不受其他光源的光干擾。簡(jiǎn)單地說(shuō)，TOF是“排斥異己”，而FMCW是“吸引同類(lèi)”。

FMCW激光雷達(dá)的核心技術(shù)多來(lái)自光通信領(lǐng)域，微源光子董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理朱曉琪說(shuō)，FMCW激光雷達(dá)收發(fā)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)算法跟光通信產(chǎn)品的光模塊有很大類(lèi)似之處；用光勺科技CEO姚建的話(huà)說(shuō)，就是“把光通信產(chǎn)品的發(fā)射端和接收端放到一起，然后把光纖折起來(lái)，就是一個(gè)FMCW激光雷達(dá)”。

光通信領(lǐng)域中用到大量的硅光技術(shù)，而FMCW激光雷達(dá)的接收和掃描中也需要用到硅光芯片。所謂硅光芯片，即在CMOS的晶元上做很多光路的控制，包括有源的控制、調(diào)制解調(diào)這些控制。簡(jiǎn)單地說(shuō)，與普通的硅芯片相比，硅光芯片既能導(dǎo)電又能導(dǎo)光。

當(dāng)然，光通信產(chǎn)品也并非一開(kāi)始就基于硅光技術(shù)。早期的光通信產(chǎn)品，也用到了很多分立器件，其典型特點(diǎn)是體積大、成本高；隨著硅光技術(shù)成熟并被引入，光通信產(chǎn)品開(kāi)始朝著集成化方向發(fā)展，應(yīng)用規(guī)模也開(kāi)始大幅度增長(zhǎng)。

鑒于FMCW激光雷達(dá)高度依賴(lài)于硅光的產(chǎn)業(yè)鏈，因此，F(xiàn)CMW激光雷達(dá)公司的成長(zhǎng)節(jié)奏也在很大程度上受制于硅光產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度。

某激光雷達(dá)公司創(chuàng)始人告訴《九章智駕》：“為什么DARPA系的FMCW激光雷達(dá)公司基本上都是在2018年之后才成立？因?yàn)椋挥羞@個(gè)時(shí)候，硅光的工藝才算成熟了。硅光通信也就是最近兩三年才火起來(lái)的。在此之前，由于沒(méi)有辦法依賴(lài)硅光的集成來(lái)降低成本，因此，做FMCW的成本一定很高。”

二．FMCW激光雷達(dá)的技術(shù)路線(xiàn)

1.按相干的方式分類(lèi)

調(diào)頻，類(lèi)似于把光波的信號(hào)加在一根“彈簧”上，彈簧被壓縮或拉升；

調(diào)相，是給信號(hào)加上一個(gè)隨機(jī)的編碼調(diào)制，本質(zhì)上一種編碼技術(shù)。

按洛微CTO Andy Sun的說(shuō)法，相位和頻率是關(guān)聯(lián)的，調(diào)相可以看作是一種非線(xiàn)性或編碼形式的調(diào)頻。

線(xiàn)性調(diào)頻FMCW的優(yōu)勢(shì)在于FFT的信號(hào)處理技術(shù)提供極高的信噪比，且芯片和IP非常成熟，但對(duì)激光器的調(diào)頻線(xiàn)性度要求很高，市面現(xiàn)有的激光器價(jià)格較高，但近年來(lái)隨著采用低成本光通信激光器技術(shù)的供應(yīng)商不斷涌入，未來(lái)成本會(huì)大為降低。線(xiàn)性調(diào)頻技術(shù)的代表公司為Blackmore和SILC。

編碼調(diào)相或非線(xiàn)性調(diào)頻，對(duì)激光器的調(diào)制的要求較低，可以采用更易獲得的大出光功率的光纖激光器，但缺點(diǎn)則在于ADC的采樣速率要求很高，需要特殊的DSP算法且信噪比相對(duì)FFT較低。采用這種技術(shù)路線(xiàn)的代表公司為Aeva、光勺科技。

Andy Sun認(rèn)為，相比于非線(xiàn)性調(diào)頻或編碼調(diào)相，線(xiàn)性調(diào)頻方式可實(shí)現(xiàn)更高的信噪比，因此，在做遠(yuǎn)距離FMCW激光雷達(dá)時(shí)會(huì)是更好的選擇。

2.按調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi)

某不愿具名的激光雷達(dá)廠(chǎng)商負(fù)責(zé)人稱(chēng)，調(diào)頻有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

外調(diào)，即用光電調(diào)制器把射頻信號(hào)加載上去實(shí)現(xiàn)調(diào)頻；

直調(diào)，即直接改變激光器的工作電流，讓它的工作波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性調(diào)頻。

這兩種方案在性能上沒(méi)有什么區(qū)別，但集成度和成本很不一樣：

外調(diào)的集成度很低，成本很高；

直調(diào)的方式省掉了調(diào)制器和信號(hào)源的成本，但實(shí)現(xiàn)難度比較大。

按上述人士的說(shuō)法，目前，在激光雷達(dá)廠(chǎng)商中，只有Aeva一家搞定了直調(diào)技術(shù)。

三．FMCW相比于TOF的優(yōu)勢(shì)

與TOF相比，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)有哪些優(yōu)勢(shì)呢？下面，我們結(jié)合TOF激光雷達(dá)的局限性來(lái)一一做對(duì)比分享。

1.TOF的光波容易受環(huán)境光干擾，而FMCW的抗干擾能力很強(qiáng)

TOF的關(guān)鍵技術(shù)在電信號(hào)（通過(guò)調(diào)制電的脈沖讓光的脈沖更窄，再把光變成電信號(hào)，然后再去操縱電信號(hào)來(lái)解析出來(lái)這個(gè)脈沖），而電信號(hào)的一大特質(zhì)是，很容易被環(huán)境噪聲干擾。

TOF激光雷達(dá)因?yàn)椴捎玫?/span>是直接探測(cè)，對(duì)所有進(jìn)入探測(cè)器的光都響應(yīng)，因此，當(dāng)車(chē)上安裝的激光雷達(dá)比較多或多輛搭載激光雷達(dá)的車(chē)在同一個(gè)區(qū)域行駛時(shí)，如何避免各激光雷達(dá)發(fā)出的光波互相干擾就成為一大難題。

為解決這些問(wèn)題，各激光雷達(dá)廠(chǎng)商不得不投入大量資金去研究專(zhuān)門(mén)的抗干擾技術(shù)。最常見(jiàn)的技術(shù)是，對(duì)每一束激光脈沖進(jìn)行單獨(dú)編碼,使其不受其他激光雷達(dá)的干擾。不過(guò)，編碼會(huì)導(dǎo)致信噪比下降，進(jìn)而犧牲測(cè)距能力。

此外，TOF激光雷達(dá)還很容易受強(qiáng)光的影響。如果在工作時(shí)面向陽(yáng)光，則在陽(yáng)光太強(qiáng)時(shí)，它就很難看清目標(biāo)了。想象一下，攝像頭和激光雷達(dá)同時(shí)因陽(yáng)光太強(qiáng)而失靈，會(huì)是個(gè)什么情況？

Luminar等廠(chǎng)商為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的探測(cè)距離，甚至采用了1550納米激光器，但姚建等人則認(rèn)為，1550納米激光器如果用于TOF，會(huì)對(duì)陽(yáng)光比較敏感，因而無(wú)法在強(qiáng)光下工作。

當(dāng)然，這個(gè)問(wèn)題也并非完全無(wú)解。比如，可以通過(guò)各種濾波片來(lái)對(duì)抗干擾；也可以把系統(tǒng)的焦距做得更長(zhǎng)——焦距長(zhǎng)了，單點(diǎn)測(cè)試的視場(chǎng)角就更小了，因而，接觸到的陽(yáng)光也會(huì)更少。注意，后一種做法的代價(jià)是，會(huì)犧牲FOV。

不過(guò)，對(duì)FMCW激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，“干擾”就再不是一個(gè)問(wèn)題了。

首先，FMCW基于相干原理（被反射回的光跟本地光干涉），它只能接收到自己發(fā)出去的光（頻率相同或相近），因而不會(huì)受到各種“雜光”的干擾——這里的“雜光”，既包括來(lái)自其他激光雷達(dá)的光，也包括太陽(yáng)光等環(huán)境光。

其次，按光勺姚建的說(shuō)法，FMCW激光雷達(dá)是單光子，它內(nèi)置的光源的強(qiáng)度要比反射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光強(qiáng)度高至少三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，陽(yáng)光對(duì)它的影響基本可以忽略不計(jì)。

此外，FMCW激光雷達(dá)抗干擾能力強(qiáng)，還有一個(gè)原因是：濾波片很小很小。

前面說(shuō)過(guò)，加濾波片是對(duì)抗環(huán)境光干擾的一種手段，濾波片的帶寬越小，抗干擾能力越強(qiáng)。通常，TOF激光雷達(dá)的濾波片帶寬有20-30納米，而FMCW激光雷達(dá)的濾波片帶寬則在0.01納米以?xún)?nèi)。

2.TOF的信噪比過(guò)低，而FMCW的信噪比很高

信噪比過(guò)低，是TOF激光雷達(dá)難以擺脫的一個(gè)痛點(diǎn)。具體地說(shuō)，一款激光雷達(dá)宣稱(chēng)探測(cè)距離達(dá)200米，但實(shí)踐中，它可能無(wú)法區(qū)分出所謂的目標(biāo)物究竟是真目標(biāo)還是偽目標(biāo)。

原因在于，目標(biāo)物對(duì)陽(yáng)光等環(huán)境光的反射、漫反射等會(huì)引起不必要的噪聲信號(hào)，而在接收端，這些噪聲信號(hào)又會(huì)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并被放大。

據(jù)姚建介紹，TOF激光雷達(dá)遇到的噪音在業(yè)內(nèi)被稱(chēng)為“加性噪音”。所謂“加性噪音”，即探測(cè)端接收端到了信號(hào)，但這有可能是個(gè)“偽目標(biāo)點(diǎn)”。通常，TOF激光雷達(dá)需要根據(jù)反射率去判斷這個(gè)點(diǎn)究竟是真目標(biāo)點(diǎn)還是“偽目標(biāo)點(diǎn)”。

而FMCW激光雷達(dá)就不必?fù)?dān)心這個(gè)問(wèn)題。原因有二：

（1）.FMCW激光雷達(dá)的探測(cè)端只能接收到自己發(fā)出去的光，因此，如果返回的光不匹配最初傳輸?shù)臅r(shí)間、頻率和波長(zhǎng)，FMCW激光雷達(dá)知道過(guò)濾掉那個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的目標(biāo)檢測(cè)。

（2）.FMCW激光雷達(dá)中，除了激光器所發(fā)出的信號(hào)光外，還有經(jīng)過(guò)光束分束器的本振光，信號(hào)光的回波和本振光一同耦合到光探測(cè)。除了接收到光信號(hào)光功率，外本地震蕩光功率也一同與背景噪聲相競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果就壓抑了噪聲。

通常，FMCW激光雷達(dá)的信噪比要比TOF高10倍以上。某FMCW激光雷達(dá)公司CEO奚先生甚至認(rèn)為，FMCW激光雷達(dá)采用相干的檢測(cè)方式，其信噪比可以比TOF高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，并且，“隨著半導(dǎo)體工藝更加精進(jìn)，其干涉效率還會(huì)進(jìn)一步提升”，理論上可以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。

用姚建的話(huà)來(lái)說(shuō)，FMCW激光雷達(dá)的噪音屬于“乘性噪音”，即“一旦探測(cè)端收到了某個(gè)信號(hào)，那前方目標(biāo)就是真實(shí)存在的，而不是‘偽目標(biāo)’”。

遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)往往會(huì)犧牲FOV來(lái)追求更長(zhǎng)的探測(cè)距離，這其實(shí)對(duì)信噪比要求比較高，因此，在技術(shù)成熟后，F(xiàn)MCW會(huì)是遠(yuǎn)距離感知更好的選擇。

3.TOF的速度維數(shù)據(jù)質(zhì)量低，而FMCW可獲取每個(gè)像素點(diǎn)的速度維數(shù)據(jù)

在FMCW激光雷達(dá)廠(chǎng)商的PR中，“速度維數(shù)據(jù)”是一個(gè)無(wú)法回避的亮點(diǎn)。那么，TOF激光雷達(dá)就不能提供目標(biāo)物的速度維數(shù)據(jù)嗎？

未必。準(zhǔn)確地說(shuō)，TOF僅通過(guò)測(cè)量發(fā)出的激光脈沖的返回時(shí)間計(jì)算距離，因而“無(wú)法直接獲取目標(biāo)物的速度信息”。在實(shí)踐中，TOF是根據(jù)目標(biāo)物在激光雷達(dá)工作中各幀之間的位移及時(shí)間差等，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)測(cè)算出其瞬時(shí)速度。

然而，按照某FMCW激光雷達(dá)公司創(chuàng)始人的說(shuō)法，在許多情況下，一款號(hào)稱(chēng)探測(cè)距離達(dá)到300米的TOF激光雷達(dá)，一旦目標(biāo)物的距離超過(guò)某100米，由于激光雷達(dá)打在上面的線(xiàn)數(shù)太少，速度就很難被計(jì)算出來(lái)。

洛微CTO Andy Sun提到另一種原因：速度計(jì)算中需要用到2幀之間的距離差對(duì)時(shí)間差求導(dǎo)數(shù)，對(duì)噪聲的敏感度很高，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差會(huì)非常大，甚至根本就不能用。實(shí)踐中通常需要使用遠(yuǎn)多于2幀的數(shù)據(jù)做平滑來(lái)降低噪音干擾，算出來(lái)的速度會(huì)靠譜一些，但這樣做又會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的時(shí)延。

但FMCW激光雷達(dá)就不必?fù)?dān)心這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)椋現(xiàn)MCW的反射光頻率會(huì)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)根據(jù)前方移動(dòng)物體的速度而改變，可直接計(jì)算出目標(biāo)物每個(gè)像素點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)。

速度維數(shù)據(jù)有什么用？

某FMCW激光雷達(dá)公司CEO奚先生提到這樣兩個(gè)場(chǎng)景：

（1）.一輛自動(dòng)駕駛車(chē)輛正以120公里時(shí)速行駛，突然被另一輛以125公里的時(shí)速行駛的車(chē)輛近距離加塞，會(huì)發(fā)生什么？

在人開(kāi)車(chē)的情況下，駕駛員通常會(huì)敏銳地意識(shí)到，另一輛車(chē)在加塞成功后跟我的間隙會(huì)越來(lái)越大，因此，我不必采取任何措施；但對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是一件非常難的事情——由于無(wú)法獲取精確的速度維數(shù)據(jù)，攝像頭及TOF激光雷達(dá)均無(wú)法幫助決策系統(tǒng)做出“它（加塞車(chē)輛）跟我的間隙會(huì)越來(lái)越大”的判斷，事實(shí)上，緊急制動(dòng)才是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在這種情況下更常見(jiàn)的舉措，而這容易引發(fā)后方（被）追尾。

但如果將TOF激光雷達(dá)換成FMCW，問(wèn)題便迎刃而解了。因?yàn)椋現(xiàn)MCW激光雷達(dá)不僅可以精確地檢測(cè)到加塞車(chē)輛的位置，而且也會(huì)精確地探測(cè)到加塞車(chē)輛的矢量速度，從而幫助決策系統(tǒng)做出“我只要不加塞，就能避免碰撞”的結(jié)論，因此，就避免了不必要的剎車(chē)。

（2）.下雨天，車(chē)輛前輪胎會(huì)濺起水霧，TOF激光雷達(dá)射到水霧上后，形成的點(diǎn)云也是一團(tuán)一團(tuán)的，看起來(lái)跟車(chē)輛或其他障礙物沒(méi)什么區(qū)別，這種信息，會(huì)給決策系統(tǒng)造成很大的困擾——是剎車(chē)還是不剎車(chē)呢？如果經(jīng)常因水霧而誤剎車(chē)，不僅乘坐體驗(yàn)很差，而且還埋下了安全隱患（被追尾）。

但如果將TOF換成FMCW，問(wèn)題便迎刃而解了。因?yàn)椋拜喬R起的水霧，都有明顯的上升和下降的軌跡，而FMCW激光雷達(dá)可通過(guò)這些矢量速度信息，幫助決策系統(tǒng)判斷出它們是“水霧”，因而在決策算法將其過(guò)濾掉。

而姚建則舉了這樣幾個(gè)例子：

(1).有摩托車(chē)被白色汽車(chē)遮擋，只漏出一個(gè)小角，對(duì)這樣的目標(biāo)，TOF是無(wú)法識(shí)別的，而FMCW則因?yàn)榭梢员O(jiān)測(cè)到這一個(gè)“小角”的速度信息，就能夠識(shí)別。

(2).兩輛車(chē)貼得很近，TOF激光雷達(dá)很難分清這究竟是一輛車(chē)還是兩輛車(chē)，但FMCW因?yàn)榭梢垣@取車(chē)輛每個(gè)像素點(diǎn)的速度信息，便可以很容易就將兩輛車(chē)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

(3).監(jiān)測(cè)行人時(shí)，TOF激光雷達(dá)只能籠統(tǒng)地判斷出“那兒有一個(gè)人”，而FMCW則可以清晰地看哪邊是這個(gè)人的左胳膊、哪邊是右胳膊。

姚建解釋道：“因?yàn)橛兴俣染S數(shù)據(jù)，激光在碰到障礙物后哪怕只返回了一個(gè)點(diǎn)（目標(biāo)物反射率過(guò)低、距離過(guò)遠(yuǎn)等原因?qū)е拢膊淮髸?huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。”

按姚建的說(shuō)法，FMCW激光雷達(dá)的探測(cè)距離可長(zhǎng)達(dá)500-600米。這也是Aurora在轉(zhuǎn)向干線(xiàn)物流場(chǎng)景后決定收購(gòu)FMCW激光雷達(dá)廠(chǎng)商Blackmore的關(guān)鍵原因——卡車(chē)需要看得很遠(yuǎn)，而在遠(yuǎn)處激光雷達(dá)的光點(diǎn)就很稀疏了，但如果有了速度維數(shù)據(jù)，光點(diǎn)稀疏就不是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題了。

2.從傳感器曾經(jīng)就輸出目標(biāo)物每個(gè)像素點(diǎn)的速度，這便減少了后端處理對(duì)算力的要求。并且，傳感器融合的算法架構(gòu)也好做了。

此外，速度維數(shù)據(jù)，還可以彌補(bǔ)FMCW激光雷達(dá)在點(diǎn)頻上的劣勢(shì)。

某TOF激光雷達(dá)廠(chǎng)商負(fù)責(zé)人說(shuō)，與TOF測(cè)距一次需要2微秒不同的是，F(xiàn)MCW測(cè)距一次需要20微秒，因此，后者的點(diǎn)頻會(huì)更少。但總體上，點(diǎn)頻低并沒(méi)有影響到探測(cè)效果，原因在于，因?yàn)槊總€(gè)像素點(diǎn)都包括了速度維數(shù)據(jù)，點(diǎn)頻不需要做到很高就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)物體的感知。

不過(guò)，某FMCW激光雷達(dá)公司CEO奚先生則認(rèn)為，在光點(diǎn)很稀疏情況下的探測(cè)結(jié)果，不僅要看激光雷達(dá)本身的能力，還要看下游客戶(hù)的算法是怎樣實(shí)現(xiàn)的——如果算法認(rèn)為，激光雷達(dá)的點(diǎn)云太稀疏，打在前方遠(yuǎn)處車(chē)輛上只有三個(gè)點(diǎn)，“置信度不夠”的話(huà)，那這個(gè)探測(cè)結(jié)果就會(huì)被“無(wú)視”。

現(xiàn)在有種新的說(shuō)法，AI算法感知周?chē)矬w，還需要實(shí)時(shí)驗(yàn)證感知結(jié)果是否正確，離真實(shí)值有多少差距，激光雷達(dá)的作用將在此體現(xiàn)出來(lái)——通常來(lái)講測(cè)量是客觀的、可參考的，當(dāng)然前提條件還是需要激光雷達(dá)提供的測(cè)量結(jié)果具有足夠的精度、密度及穩(wěn)定度。

4.TOF很難跟OPA掃描結(jié)構(gòu)兼容，而FMCW天然更適合OPA

前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，TOF還是FMCW，主要是對(duì)收發(fā)系統(tǒng)而言的，掃描系統(tǒng)也很關(guān)鍵。TOF激光雷達(dá)的掃描方式有機(jī)械旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)鏡、棱鏡、MEMS與Flash、OPA等多種，其中，只有Flash和OPA算是純固態(tài)掃描，而OPA掃描的優(yōu)勢(shì)更明顯。

因?yàn)椋?/span>Flash是面陣掃描，而OPA是點(diǎn)掃描，光功率更集中，理論上，探測(cè)距離可以比Flash更長(zhǎng)。

但真相是，前面幾種掃描方案都有頭部激光雷達(dá)廠(chǎng)商在做，但OPA雖然也曾火過(guò)一陣子，卻始終沒(méi)鬧出什么動(dòng)靜。事實(shí)上，第一個(gè)提出將OPA用于TOF激光雷達(dá)的Quanergy公司，已在三年前就從車(chē)載激光雷達(dá)市場(chǎng)上出局了。

為何？ OPA掃描通常基于硅光芯片來(lái)做，而TOF的峰值功率過(guò)高（通常在40-50瓦，甚至可達(dá)100 瓦），硅光芯片“根本扛不住”。

當(dāng)然，也可以把TOF的功率做低一些，這樣OPA芯片就不會(huì)受損了。然而，這同時(shí)也意味著探測(cè)距離的縮短。如Quanergy之前TOF+OPA組合的方案，探測(cè)距離就不到100米，這顯然無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛車(chē)輛對(duì)主激光雷達(dá)的要求。

相比之下，FMCW的峰值功率只有“百毫瓦級(jí)別”，比TOF“低4個(gè)數(shù)量級(jí)”。原因在于：

TOF的單次測(cè)距只需2微秒，而FMCW單次測(cè)距需要20微秒，盡管總能量并不少，但由于能量在時(shí)間上是平攤的，因而峰值功率會(huì)比較低；

TOF的信噪比較低，如果功率太低，就無(wú)法獲得足夠多的“有效信號(hào)”，而FMCW的信噪比很高，即便是用很低的功率，也可以獲得足夠多的“有效信號(hào)”。

鑒于此，OPA掃描如果跟FMCW收發(fā)搭配，就不必?fù)?dān)心峰值功率的問(wèn)題了。

反過(guò)來(lái)，也可以說(shuō)，OPA只有在FMCW成熟之后才可以應(yīng)用在車(chē)載激光雷達(dá)上。

5.FMCW 可實(shí)現(xiàn)更高程度的“芯片化”

（注：TOF激光雷達(dá)中的光學(xué)鏡頭無(wú)法集成化，是多數(shù)廠(chǎng)商的共識(shí)，但奚先生認(rèn)為，在單晶硅的光學(xué)化技術(shù)加持下，哪怕在TOF中，光學(xué)鏡頭將來(lái)也是可以被集成化。）

然而，在FMCW激光雷達(dá)中，在最理想的情況下，連光學(xué)鏡頭和掃描部件也可以被芯片化。

當(dāng)然，從技術(shù)原理上看，FMCW并非天然就是芯片化的。

據(jù)洛微CTO Andy Sun介紹，同樣基于相干原理的光通信產(chǎn)品，早期都是由一堆分立器件“拼接”起來(lái)的。但近幾年，有一個(gè)新的趨勢(shì)是包括，思科、華為及中興這些巨頭都開(kāi)始采用基于硅光子芯片的集成集成方案。

原因在于，由于供應(yīng)鏈已經(jīng)比較成熟，基于分立器件做的光通信產(chǎn)品，盡管性能可以得到保障，但由于組件眾多且需要高精度的對(duì)準(zhǔn)耦合，每套的成本高達(dá)數(shù)萬(wàn)美金，相比之下，基于硅光的方案，單套成本已可降至一兩千美金、甚至幾百美金了。

類(lèi)似的是，早期的FMCW激光雷達(dá)（如Blackmore公司之前的產(chǎn)品），還是由光源、分光器、天線(xiàn)、混頻、探測(cè)器等分立器件堆疊起來(lái)的。但這種方案，不僅成本高達(dá)數(shù)千美金，而且很難過(guò)車(chē)規(guī)，所以，跟光通信產(chǎn)品類(lèi)似，FMCW激光雷達(dá)最終還是要基于硅光技術(shù)來(lái)做。

（圖片版權(quán)屬于洛微公司）

在TOF激光雷達(dá)中，激光器和探測(cè)器用的是不同的芯片，而在FMCW中，在最理想的情況下，激光器和探測(cè)器可以被集成到同一個(gè)soc上。

TOF中的芯片化，不包括光學(xué)鏡頭和掃描部件，而在FMCW中，光學(xué)鏡頭有可能被芯片化，掃描部件直接就是用硅光芯片來(lái)做。在最理想的情況下，掃描模塊可跟收發(fā)模塊（激光器+探測(cè)器）集成到同一個(gè)芯片上（這是英特爾和Mobileye及某位于上海的中國(guó)公司正在努力的方向）。

因此，很多廠(chǎng)商都認(rèn)為，FMCW激光雷達(dá)的芯片化程度可以做得更徹底，因而也就更有可能享受到摩爾定律的紅利。

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四．關(guān)于FMCW激光雷達(dá)的一些爭(zhēng)議和誤解

1.FCMW的探測(cè)距離比TOF長(zhǎng)？

許多媒體在關(guān)于FMCW激光雷達(dá)的報(bào)道中都提到了其在探測(cè)距離上面的優(yōu)勢(shì)，這個(gè)觀點(diǎn)，不能說(shuō)完全不對(duì)，但也存在爭(zhēng)議。

按光勺科技CEO姚建的說(shuō)法，因?yàn)橛兴俣染S信息，哪怕在打到目標(biāo)物上的點(diǎn)數(shù)很少，或者返回來(lái)的光點(diǎn)很少，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)仍然可以探測(cè)到障礙物。因此，探測(cè)到500-600米外的車(chē)輛是有可能的。

摯感光子IC設(shè)計(jì)總監(jiān)吳雷也持類(lèi)似觀點(diǎn)。

某FMCW激光雷達(dá)公司CEO奚先生甚至稱(chēng)，由于對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力很強(qiáng)，其應(yīng)用在航空航天場(chǎng)景中的FMCW激光雷達(dá)探測(cè)距離可達(dá)12公里；而其應(yīng)用在車(chē)載場(chǎng)景的FMCW激光雷達(dá)，探測(cè)距離也可達(dá)2公里。

不過(guò)，某TOF激光雷達(dá)廠(chǎng)商負(fù)責(zé)人表示，與TOF相比，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)在探測(cè)距離上確有優(yōu)勢(shì)，但并不是“碾壓性?xún)?yōu)勢(shì)”。

隨著單光子探測(cè)器的日益普及，TOF激光雷達(dá)的測(cè)距能力正在不斷提升，FMCW勝在直接測(cè)速，而其在測(cè)距能力上相比TOF的優(yōu)勢(shì)則在日益縮小。

并且，探測(cè)距離一定要跟點(diǎn)頻結(jié)合在一起看，只有當(dāng)分辨率足夠高的時(shí)候，談探測(cè)距離才有意義，但實(shí)際上，FMCW激光雷達(dá)的點(diǎn)頻要比TOF低，因此，其宣稱(chēng)的探測(cè)遠(yuǎn)探測(cè)距離，對(duì)于靜態(tài)物體的識(shí)別，實(shí)際價(jià)值有限。

另一位FMCW激光雷達(dá)公司創(chuàng)始人認(rèn)為，如果TOF也采用1550nm激光器，那FMCW在探測(cè)距離上的優(yōu)勢(shì)就不存在了，“因?yàn)镕MCW系統(tǒng)的損耗相對(duì)偏高”。

2.FMCW激光雷達(dá)存在時(shí)延？

網(wǎng)上有一種說(shuō)法是，FMCW激光類(lèi)雷達(dá)“存在時(shí)延”。帶著這一問(wèn)題，筆者特意向一些業(yè)內(nèi)專(zhuān)家求證。

按TOF激光雷達(dá)廠(chǎng)商負(fù)責(zé)人的話(huà)來(lái)講，與TOF激光雷達(dá)單次測(cè)距往往只需要2微秒不同的是，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)單次測(cè)距往往需要20微秒左右。原因在于，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)發(fā)出去的光在返回之后還需要和本身的信號(hào)做一個(gè)拍頻，而拍頻時(shí)間太短的話(huà)會(huì)影響功率。

不過(guò)，這18微秒的時(shí)間差，并不足以影響到行車(chē)安全。因?yàn)椋凹词箖奢v相向而行的車(chē)都開(kāi)100公里/小時(shí)，相對(duì)速度也就200公里/小時(shí)，在不到20微秒的時(shí)間內(nèi)，兩輛車(chē)相對(duì)位置也只改變了幾毫米”。

3.FMCW不能提供橫向速度，是個(gè)缺點(diǎn)？

前面提到FMCW可提供速度維數(shù)據(jù)，不過(guò)，它也有局限性的——只能提供徑向速度（目標(biāo)物在運(yùn)動(dòng)方向與車(chē)輛的行駛方向平行時(shí)的速度），卻不能提供橫向速度（目標(biāo)物在運(yùn)動(dòng)方向與車(chē)輛的行駛方向垂直時(shí)的速度）。這也被一些媒體說(shuō)成是FMCW激光雷達(dá)的“缺點(diǎn)”。

對(duì)橫向速度的確實(shí)被說(shuō)成FMCW的“缺點(diǎn)”，有廠(chǎng)商是不服氣的。比如，某FMCW激光雷達(dá)公司創(chuàng)始人反問(wèn)：“TOF連個(gè)徑向速度都提供不了，F(xiàn)MCW最起碼可以提供徑向速度，為何反而成了缺點(diǎn)了？

我多個(gè)徑向速度，總比什么都沒(méi)有好吧？”

此外，按照這位創(chuàng)始人的說(shuō)法，通常，在目標(biāo)物“有一定體積”的情況下，激光雷達(dá)掃到目標(biāo)物上會(huì)有很多個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上測(cè)一個(gè)徑向速度，到那個(gè)點(diǎn)上再測(cè)一個(gè)徑向速度，是可以利用一些公式把橫向速度算出來(lái)的。

這位人士還說(shuō)：“我們用人眼做個(gè)類(lèi)比就知道，橫向速度并不需要特別強(qiáng)調(diào)，因?yàn)椋瑱M向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)物很容易被人眼‘檢測(cè)’到；但徑向速度，那個(gè)目標(biāo)物是遠(yuǎn)離你還是靠近你，速度是多少，其實(shí)人眼是很難準(zhǔn)確評(píng)估的，這就需要FMCW激光雷達(dá)來(lái)發(fā)揮作用了。”

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