據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，激光雷達(dá)（LiDAR）是一種利用激光來(lái)測(cè)量物體之間距離的遙感方法。激光雷達(dá)根據(jù)不同類(lèi)型可以通過(guò)閃光快照（flash）或掃描來(lái)提供周?chē)h(huán)境的三維（3D）點(diǎn)云圖，因此，有望幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)更快、更好的決策，并改善導(dǎo)航來(lái)提高自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全性。

目前，激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)一直依賴(lài)于被稱(chēng)為飛行時(shí)間（Time-of-flight, ToF）的第一代脈沖技術(shù)。脈沖ToF激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射強(qiáng)大的光脈沖，并測(cè)量從物體反射回來(lái)的光子的往返時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)。

ToF激光雷達(dá)在夜間的運(yùn)行效果很好，但是在日光明亮的白天，來(lái)自太陽(yáng)的光子會(huì)干擾信號(hào)，從而在接收信號(hào)中產(chǎn)生噪聲。此外，在附近有多個(gè)ToF激光雷達(dá)同時(shí)工作時(shí)，ToF系統(tǒng)可能會(huì)由于從其他激光雷達(dá)系統(tǒng)接收到的脈沖干擾而完全無(wú)法工作。為了解決這些問(wèn)題，一些ToF激光雷達(dá)供應(yīng)商開(kāi)始通過(guò)將發(fā)射信號(hào)分成多個(gè)脈沖來(lái)引入編碼技術(shù)。但是，測(cè)距性能與系統(tǒng)的峰值功率成正比，將可用能量分成多個(gè)脈沖會(huì)導(dǎo)致測(cè)距性能的下降。

人眼安全問(wèn)題

此外，目前大部分ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為850 nm和905 nm，非常接近可見(jiàn)光譜。

人眼安全問(wèn)題很重要，它限制了系統(tǒng)的功率和探測(cè)范圍。此外，在850 nm~905 nm波段有明顯的太陽(yáng)輻射，會(huì)在日光下帶來(lái)干擾。更好的波長(zhǎng)選擇是1550 nm，其人眼安全性相對(duì)高40倍，并且不容易受到日光干擾。

激光雷達(dá)必然會(huì)像雷達(dá)一樣向相干探測(cè)方案發(fā)展。與發(fā)射簡(jiǎn)單的脈沖不同，相干探測(cè)發(fā)射并依賴(lài)于低功率頻率啁啾。

該圖說(shuō)明了FMCW激光雷達(dá)的主要工作原理。低功率發(fā)射啁啾（綠色）信號(hào)到達(dá)物體反射，返回啁啾（藍(lán)色）信號(hào)之間的頻移與物體的距離和速度成比例。向上和向下的啁啾用于解析距離和速度值。

反射啁啾以頻移形式包含了測(cè)量點(diǎn)的距離信息。如果測(cè)量點(diǎn)也具有徑向速度，則反射啁啾會(huì)增加多普勒頻移。

利用上/下啁啾可以使相干激光雷達(dá)同時(shí)解析每個(gè)像素的距離和速度。ToF激光雷達(dá)無(wú)法即時(shí)分辨速度。而速度，是關(guān)于車(chē)輛周?chē)腥撕臀矬w的非常重要的環(huán)境信息。

面向未來(lái)的FMCW激光雷達(dá)

基于FMCW的相干激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的探測(cè)靈敏度和精度。對(duì)于FMCW激光雷達(dá)，信噪比與發(fā)射光子總數(shù)成比例，而非峰值激光功率。由于FMCW激光雷達(dá)具有高出10倍以上的靈敏度，因此其發(fā)射平均功率可以比脈沖ToF激光雷達(dá)低1000倍。

FMCW激光雷達(dá)的光子電路將一部分出射相干激光與接收光混合。這提供了一種獨(dú)特的“解鎖鑰匙”，可以有效阻止任何背景輻射或其它激光雷達(dá)的干擾。

該圖說(shuō)明了相干放大的概念。從藍(lán)色發(fā)射信號(hào)分出來(lái)的本振光（LO）與紫色弱接收信號(hào)發(fā)生相長(zhǎng)干涉，并產(chǎn)生新的綠色強(qiáng)拍頻信號(hào)。然后，強(qiáng)拍頻信號(hào)被反饋到光電探測(cè)器并被檢測(cè)。通過(guò)對(duì)接收波形進(jìn)行快速傅立葉變換來(lái)獲取距離信息。

FMCW vs ToF

FMCW與ToF激光雷達(dá)相比，還有一些其他突出優(yōu)勢(shì)：

ToF激光雷達(dá)的最大測(cè)距距離受到人眼安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。在自動(dòng)駕駛情況下，非常需要具有對(duì)距離200 m以上低反射率物體（例如，前方道路上的深色物體）的探測(cè)能力，以給自動(dòng)駕駛車(chē)輛足夠的時(shí)間執(zhí)行規(guī)避操作或簡(jiǎn)單地制動(dòng)。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有一款近紅外ToF系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)200 m距離對(duì)5%反射率物體的探測(cè)。

未來(lái)，預(yù)計(jì)激光雷達(dá)傳感器將會(huì)像如今的雷達(dá)傳感器一樣普及。但是，ToF激光雷達(dá)很容易受到多系統(tǒng)干擾。ToF激光雷達(dá)探測(cè)器可以檢測(cè)到雙脈沖，或在其他激光雷達(dá)系統(tǒng)存在的情況下很容易飽和。相比之下，正確應(yīng)用FMCW技術(shù)時(shí)，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)可以做到無(wú)干擾，因?yàn)樗辉试S自身的相干光通過(guò)濾波到達(dá)探測(cè)器。

并且，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的每個(gè)像素都包含速度信息（4D感知），為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供了更清晰、更安全的環(huán)境感知能力。FMCW測(cè)量可以返回每個(gè)像素的徑向速度，從而有效提供4D圖像。而在ToF測(cè)量系統(tǒng)中，像素速度信息需要后續(xù)測(cè)量，由于運(yùn)動(dòng)模糊，這些測(cè)量通常很難提取。

此外，只有利用FMCW技術(shù)在短波紅外（SWIR）波段才能將所有元件集成在單個(gè)光子芯片上，以達(dá)到使該技術(shù)真正大眾化所需要的成本目標(biāo)，這可能是目前FMCW技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)。首先，片上波導(dǎo)在這些波長(zhǎng)（例如1550 nm）下是透明且低損耗的。其次，F(xiàn)MCW方案的激光峰值功率水平在100 mW范圍內(nèi)，而ToF激光雷達(dá)則為數(shù)百或數(shù)千瓦。另外，光子集成還可以利用光學(xué)相位陣列實(shí)現(xiàn)固態(tài)光束操縱。

目前全球大約有一百多家激光雷達(dá)開(kāi)發(fā)商，并且這個(gè)數(shù)字還在持續(xù)增加。但是，其中僅有不到10家公司在專(zhuān)注開(kāi)發(fā)FMCW激光雷達(dá)。另外，迄今為止只有一家公司展示了自己的激光雷達(dá)硅光子芯片。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)此前報(bào)道，美國(guó)硅光子創(chuàng)業(yè)公司SiLC Technologies的硅光子集成FMCW激光雷達(dá)芯片可以提供每個(gè)測(cè)量像素的深度和速度數(shù)據(jù)。（左側(cè)是場(chǎng)景的可見(jiàn)光攝像機(jī)圖像，中間和右側(cè)分別是深度和速度點(diǎn)云圖。）

SiLC Technologies的團(tuán)隊(duì)利用其在硅光子學(xué)領(lǐng)域20多年的積累和專(zhuān)有工藝技術(shù)，正在研究將激光器、相干探測(cè)引擎和探測(cè)器集成到一顆單芯片上。

基于光子芯片的高速波長(zhǎng)掃描激光技術(shù)全球領(lǐng)先企業(yè)Insight LiDAR公司，在2019年消費(fèi)電子展（CES）上正式推出了Digital Coherent LiDAR激光雷達(dá)（上圖為該激光雷達(dá)全速掃描獲得的原始成像）。這款激光雷達(dá)基于靈敏度更高的FMCW探測(cè)技術(shù)，對(duì)于低反射率（反射率<10%）物體，探測(cè)距離最高可達(dá)200米；對(duì)于汽車(chē)車(chē)身、樹(shù)木或其它障礙物，最大探測(cè)距離可達(dá)250米。

此外，市場(chǎng)上目前主攻FMCW激光雷達(dá)的其它代表性廠商還有Blackmore、Aeva以及Bridger Photonics等公司。他們都分別獲得了寶馬風(fēng)險(xiǎn)投資、豐田風(fēng)險(xiǎn)投資和蔡司等產(chǎn)業(yè)鏈巨頭的大筆投資。