文/Clement Kong

圖 1：飛行時間ToF（左）處理后依然存在光暈現象；調頻連續(xù)波FWCW（右）系統(tǒng)未經處理，原始數據點顯示無光暈影響。

調頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達（LiDAR）的工作原理，與傳統(tǒng)的飛行時間（ToF）LiDAR系統(tǒng)不同。ToF LiDAR測量光脈沖從發(fā)射到碰到物體并返回所需的時間，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，尤其是在精度和分辨率方面。

FMCW LiDAR的一個關鍵優(yōu)勢在于，它能夠在不影響信號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體芯片的ToF 系統(tǒng)，在應對高功率光脈沖時往往存在困難。它們的光路通常存在“泄漏”問題 —— 過高的功率會導致信號損失，尤其是當光需要傳播較長距離或從明亮物體反射時，這會導致ToF系統(tǒng)在實際環(huán)境中缺乏可靠性。

另一方面，FMCW LiDAR能夠在承受更高峰值功率的同時，保持其測量精度，這使其非常適合工廠自動化和自動駕駛等對精度要求極高的應用場景。在這些具有挑戰(zhàn)性的應用環(huán)境中，FMCW LiDAR展現出了卓越的性能，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：光暈現象和測距限制

雖然 ToF LiDAR因其簡單性和可靠性而廣受重視，但它也面臨著幾個關鍵問題。其中最顯著的問題之一是“光暈現象（blooming）”，當LiDAR傳感器接收到來自明亮物體的強烈反射時，就會出現這種現象。交通標志、安全背心或高反射表面都會引發(fā)光暈現象，導致該明亮物體周圍出現模糊和誤報點。光暈現象在建筑工地或繁忙的城市區(qū)域尤為棘手。

為了應對光暈現象，LiDAR系統(tǒng)使用濾波器去除誤報點，但這種濾波操作本身也會帶來一系列挑戰(zhàn)。過濾掉明亮的反射可能會遺漏對其附近物體的探測，比如反射性交通錐附近的行人，這對于自動駕駛安全來說是一個重大隱患。

除了光暈現象，ToF 系統(tǒng)還存在測距限制。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）等技術的LiDAR系統(tǒng)，在發(fā)射功率上會存在一定的限制。增加功率來擴大ToF系統(tǒng)的測距范圍只會加劇光暈問題——這里存在一對矛盾體，即增加測距范圍，就會降低測量精度。

自動駕駛車輛既需要長距離探測能力，又需要高探測精度，因此ToF系統(tǒng)存在的上述問題，導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，尤其是對于汽車行業(yè)以及其他大規(guī)模市場部署至關重要的行業(yè)。傳統(tǒng)的LiDAR傳感器價格昂貴，這將其使用范圍限制在高端應用和原型制作中。為了實現在自動駕駛汽車及其他應用領域的規(guī)�；渴�，LiDAR系統(tǒng)的成本必須大幅降低。

這正是 FMCW LiDAR的優(yōu)勢所在（見圖 1）。雖然 FMCW 系統(tǒng)通常比 ToF系統(tǒng)需要更多組件，但通過降低制造復雜性和成本，FMCW 系統(tǒng)具有更大的集成潛力。FMCW LiDAR可以集成到單個芯片或片上系統(tǒng)（SoC）設計中，這顯著降低了生產成本（見圖 2、圖 3）。通過減少分立組件的數量，FMCW 系統(tǒng)更易于大規(guī)模生產，成本也更低，這使其在汽車、機器人和工業(yè)自動化等領域的大規(guī)模應用中更具成本效益。

圖 2：帶有片上光束轉向功能的 FMCW 固態(tài)LiDAR。

圖 3：片上光束轉向：FMCW硅光子集成芯片。

相比之下，ToF 系統(tǒng)需要分立組件，這會導致更高的制造成本和復雜性，使得大規(guī)模生產的可行性較低。雖然 FMCW LiDAR的性能優(yōu)勢顯而易見，但其面臨的挑戰(zhàn)在于：擴大生產規(guī)模以滿足各個行業(yè)的應用需求。

FMCW LiDAR勢頭漸起

FMCW LiDAR在各個行業(yè)正獲得顯著的發(fā)展動力，尤其是在機器人領域。原始設備制造商（OEM）和一級供應商正在越來越多地探索 FMCW 解決方案，預計在未來幾年內FMCW LiDAR將獲得廣泛應用。

FMCW LiDAR受歡迎的關鍵原因之一是，它能夠在廣泛的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能。與在強光或弱光環(huán)境中可能會遇到困難的 ToF 系統(tǒng)不同，FMCW LiDAR在各種光照條件下都具有出色的表現。這使其在自動駕駛應用中特別有價值，因為自動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，都能夠可靠地運行。

除了汽車應用外，FMCW LiDAR在長距離上提供高精度且不會出現光暈現象的能力，也為工業(yè)自動化、機器人和測繪應用提供了頗具吸引力的解決方案。FMCW LiDAR在復雜、動態(tài)環(huán)境中所表現出的性能，使其成為需要先進三維（3D）傳感的行業(yè)的首選技術。

邁向主流應用之路

盡管具有諸多優(yōu)勢，FMCW LiDAR仍在不斷發(fā)展，其被市場大規(guī)模廣泛應用尚需時時日。FMCW技術比 ToF 技術更為復雜，這使其在保持成本效益的同時進行大規(guī)模生產，成為一項重大挑戰(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。在半導體芯片上進行大規(guī)模生產也有助于降低成本、提高可靠性并增強可擴展性。

這將有助于 FMCW LiDAR成為從自動駕駛到機器人等行業(yè)的主導技術，進一步的創(chuàng)新將加速其應用。

經濟實惠的 FMCW LiDAR

Voyant 公司推出了經濟實惠的 FMCW LiDAR技術及其 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)和不同預算的用戶提供高性能的 3D 傳感。它采用了片上LiDAR技術（LiDAR-on-chip），這是一種高度集成的硅光子芯片，其將數千個光學和電氣組件（包括片上光束轉向）集成到一個緊湊的、只有指甲大小的模塊中。

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

CARBON LiDAR緊湊的外觀和強大的功能，能夠在每個像素點即時測量速度，且精度極高，非常適合實時物體探測。其低成本（單臺應用售價 1490 美元）有望使尖端LiDAR技術得到更廣泛的應用。

Voyant 公司正在接受 CARBON LiDAR的訂單，預計 2025 年 2 月開始發(fā)貨。它有望徹底改變那些一直在等待經濟實惠的高性能LiDAR技術的行業(yè)，并將進一步推動 FMCW LiDAR走向主流。

FMCW LiDAR會超越 ToF LiDAR嗎？

FMCW LiDAR和 ToF LiDAR之間的競爭正在加劇，雖然 ToF LiDAR一直是主導技術，但 FMCW LiDAR正成為許多高需求應用的更優(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濟高效集成的能力，使其成為下一代LiDAR系統(tǒng)的首選技術。隨著生產規(guī)模的擴大和價格的下降，FMCW LiDAR有望徹底改變從自動駕駛到機器人等行業(yè)，并為傳感器技術的創(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格親民，這加速了其大規(guī)模應用的進程。隨著該技術的不斷成熟，FMCW LiDAR無疑將在未來打造先進傳感解決方案中，發(fā)揮關鍵作用。