自動(dòng)駕駛汽車傳感器堆棧對(duì)激光雷達(dá)的需求導(dǎo)致 2016 年至 2018 年間 OEM 的投資激增。70 多家公司獲得了總計(jì)超過 10 億美元的資金，用于將競(jìng)爭(zhēng)性激光雷達(dá)方法推向市場(chǎng)。雖然這些技術(shù)賭注需要數(shù)年時(shí)間才能成熟為完整的產(chǎn)品，但供過于求導(dǎo)致分析師和記者不斷猜測(cè)誰(shuí)將成為贏家和輸家。

許多作者將光束掃描技術(shù)作為比較的主軸。給定的產(chǎn)品是機(jī)械的、固態(tài)的、MEMS 還是閃存？對(duì)這種技術(shù)差異化的關(guān)注可能是早期市場(chǎng)推動(dòng)者積極承諾提供超低成本固態(tài)掃描激光雷達(dá)的痕跡。這種對(duì)掃描技術(shù)的關(guān)注分散了對(duì)更基本問題的討論：激光雷達(dá)如何測(cè)量距離？它可以測(cè)量速度嗎？并且——假設(shè)需要芯片組集成以實(shí)現(xiàn)汽車量的可擴(kuò)展性——一種方法在規(guī)模上相對(duì)于另一種方法的影響是什么？

脈沖飛行時(shí)間或調(diào)幅“AM”激光雷達(dá)系統(tǒng)依賴于對(duì)反向散射激光脈沖的直接檢測(cè)。脈沖激光源的成本和性能各不相同。靈敏的光電探測(cè)器通過將反射的光功率直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量飛行時(shí)間。這種方法只對(duì)目標(biāo)的距離敏感，而不是它的速度。它還受到動(dòng)態(tài)范圍有限的影響，這通常需要調(diào)制接收器增益。對(duì)于明亮的目標(biāo)，增益會(huì)回?fù)埽瑢?duì)于昏暗的目標(biāo)，增益會(huì)增加。最終，這種增益調(diào)整游戲會(huì)限制性能并產(chǎn)生圖像偽影。

調(diào)頻連續(xù)波“FMCW”或“FM”激光雷達(dá)使用不同的方法來(lái)測(cè)量距離。頻率調(diào)制是一種借鑒現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)。范圍信息不是直接測(cè)量脈沖飛行時(shí)間，而是在頻域中編碼。存在多種用于產(chǎn)生頻率調(diào)制激光信號(hào)的方法，其中許多方法非常適合低成本光子集成。這些傳感器中使用的相干接收器具有許多其他優(yōu)點(diǎn)，包括抗干擾性和高靈敏度，下文將詳細(xì)討論。

顯示了支持 FM 激光雷達(dá)相干檢測(cè)的基本干涉電路。

FM 激光雷達(dá)使用相干檢測(cè)通過將接收到的光與激光源的本地副本本地振蕩器 （LO） 進(jìn)行光學(xué)組合來(lái)測(cè)量背反射電場(chǎng)。這種干涉過程在低成本、堅(jiān)固的 PIN 光電二極管上產(chǎn)生電信號(hào)。與方向檢測(cè)相反，這些信號(hào)與接收到的電場(chǎng)與 LO 的乘積成正比。除了下面概述的優(yōu)點(diǎn)外，這還導(dǎo)致了高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，因?yàn)橄喔杉す饫走_(dá)光電探測(cè)器信號(hào)按背反射信號(hào)功率的平方根縮放。

在 AM 和 FM 激光雷達(dá)中，光電探測(cè)器都會(huì)生成用于分析的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。在 AM 的情況下，可以按時(shí)間順序分析時(shí)間序列，以挑選出返回的“光點(diǎn)”作為距離測(cè)量。在 FM 情況下，時(shí)間序列必須在測(cè)量期間進(jìn)行緩沖，然后進(jìn)行分析。存儲(chǔ)數(shù)百或數(shù)千個(gè)時(shí)域樣本，然后通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域。然后在頻域中搜索返回的“峰值”。

對(duì) AM 系統(tǒng)的檢測(cè)器信號(hào)進(jìn)行串行分析，因?yàn)闃颖颈粩?shù)字化以檢測(cè)輸入脈沖。

在 FMCW 系統(tǒng)中，必須收集和緩沖時(shí)域樣本。

FFT 揭示了 FMCW 時(shí)域樣本的頻率內(nèi)容。然后分析該頻域表示或“距離分布”以尋找表示目標(biāo)距離和速度的峰值。

當(dāng)來(lái)自任何激光雷達(dá)傳感器（FM 或 AM）的激光束與移動(dòng)物體相互作用時(shí)，目標(biāo)和傳感器之間的徑向運(yùn)動(dòng)會(huì)在反射光上產(chǎn)生多普勒頻移。AM 激光雷達(dá)的直接接收器測(cè)量反射脈沖，但不知道波長(zhǎng)的微小變化。然而，在 FM 激光雷達(dá)的相干接收器中，這種多普勒頻移表現(xiàn)為反射信號(hào)和 LO 之間的可測(cè)量頻率差。因此，速度與點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的距離一起測(cè)量。這導(dǎo)致對(duì)具有微秒延遲的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更自信的測(cè)量。AM 激光雷達(dá)系統(tǒng)必須處理多幀上的點(diǎn)云才能進(jìn)行推斷運(yùn)動(dòng)。這將噪聲和延遲引入到運(yùn)動(dòng)估計(jì)中。雖然如上所述 FM 系統(tǒng)需要更多的前期信號(hào)處理，但對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的后端處理較少，以使其對(duì)感知有用。推理被用來(lái)衡量。

一組范圍彩色點(diǎn)顯示兩個(gè)行人并排。紅色較舊，綠色較新。

年齡顏色點(diǎn)的角度視圖顯示這些行人經(jīng)過。行人的速度推導(dǎo)需要隨著時(shí)間的推移比較點(diǎn)來(lái)推斷運(yùn)動(dòng)。

單個(gè) FM 激光雷達(dá)幀的多普勒彩色點(diǎn)顯示每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上的行人速度。描繪了四肢和軀干運(yùn)動(dòng)。

激光雷達(dá)中的干擾效應(yīng)包括太陽(yáng)能或其他背景照明源以及激光雷達(dá)到激光雷達(dá)的效應(yīng)。雖然激光雷達(dá)對(duì)激光雷達(dá)的影響具有值得商榷的意義，但陽(yáng)光對(duì)激光雷達(dá)的影響不能僅僅作為“角落案例”而被忽視。應(yīng)考慮在陽(yáng)光條件下始終如一地運(yùn)行激光雷達(dá)。然而，采用直接檢測(cè)的激光雷達(dá)傳感器在暴露在陽(yáng)光下時(shí)會(huì)受到檢測(cè)器噪聲升高的影響。光學(xué)帶通濾波器提供了一些緩解，但是，在廣角和寬溫度范圍內(nèi)的窄帶操作難以實(shí)現(xiàn)。一些陽(yáng)光總是會(huì)到達(dá)光電探測(cè)器。在 AM 系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了高增益光電探測(cè)器對(duì)光敏感。這凸顯了太陽(yáng)背景會(huì)提高光電二極管上的噪聲并限制范圍性能的問題。

在 FM 系統(tǒng)中，太陽(yáng)背景可以到達(dá)光電探測(cè)器。然而，太陽(yáng)輻射與 LO 不相干。因此，該信號(hào)不會(huì)在感興趣的 RF 頻帶內(nèi)產(chǎn)生頻率響應(yīng)，以提取距離和速度測(cè)量值。相干檢測(cè)過程可在沒有光學(xué)濾光片的直射陽(yáng)光下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。打個(gè)比方，F(xiàn)M 系統(tǒng)“調(diào)諧”到一個(gè)非常窄的頻道，不會(huì)“聽到”其他廣播電臺(tái)。

如上所述，F(xiàn)M 信號(hào)等效于反射信號(hào)和 LO 電場(chǎng)的乘積。因此，更強(qiáng)的 LO 會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的 FM 信號(hào)。這個(gè)過程是光放大的一種形式。這種能力的限制是由光電探測(cè)器上的 LO 驅(qū)動(dòng)的“散粒噪聲”或“量子波動(dòng)”。散粒噪聲受限的性能是單光子敏感。這在上述干擾抑制能力的背景下很重要。具有高選擇性的高靈敏度允許以非常低的光發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離性能。由于高光功率，甚至是高峰值功率，對(duì)光子集成電路都是危險(xiǎn)的，因此低功率能力可以實(shí)現(xiàn) FM 激光雷達(dá)的芯片級(jí)集成。脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)，尤其是 1550nm 的激光雷達(dá)系統(tǒng)，有時(shí)在面對(duì)太陽(yáng)干擾時(shí)利用大的光發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離性能。這種功率是由昂貴的激光放大器產(chǎn)生的，這些放大器沒有明顯的芯片級(jí)等效物。相比之下，F(xiàn)M 激光雷達(dá)利用可以以半導(dǎo)體格式產(chǎn)生的發(fā)射光功率。

相干檢測(cè)的“魔力”早已在國(guó)防部圈子中得到認(rèn)可。然而，幾十年來(lái)，密集的信號(hào)處理將實(shí)際應(yīng)用限制為昂貴的防御程序或緩慢的離線應(yīng)用程序。所需的數(shù)據(jù)吞吐量和處理確實(shí)很重要。然而，用于電信和雷達(dá)信號(hào)處理的 FPGA 的最新進(jìn)展使低成本 FM 激光雷達(dá)能夠用于自動(dòng)駕駛感知。

每項(xiàng)激光雷達(dá)技術(shù)都面臨挑戰(zhàn)。但是 FM 激光雷達(dá)的處理要求以 AM 系統(tǒng)的硬件挑戰(zhàn)換取了有界的信號(hào)處理要求。用軟件增益代替硬件痛苦是一種強(qiáng)大的技術(shù)范式。

審核編輯：郭婷