自動駕駛汽車傳感器堆棧對激光雷達(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超過 10 億美元的資金，用于將競爭性激光雷達(dá)方法推向市場。雖然這些技術(shù)賭注需要數(shù)年時間才能成熟為完整的產(chǎn)品，但供過于求已導(dǎo)致分析師和記者不斷猜測誰將成為贏家和輸家。

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？對這種技術(shù)差異化的關(guān)注可能是早期市場推動者積極承諾提供超低成本固態(tài)掃描激光雷達(dá)的痕跡。這種對掃描技術(shù)的關(guān)注分散了對更基本問題的討論：激光雷達(dá)如何測量距離？它可以測量速度嗎？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)模上相對于另一種方法的影響是什么？

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

調(diào)頻連續(xù)波“FMCW”或“FM”激光雷達(dá)使用不同的方法來測量距離。頻率調(diào)制是一種借鑒現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的測量技術(shù)。范圍信息不是直接測量脈沖飛行時間，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)相干檢測的基本干涉電路。

FM 激光雷達(dá)使用相干檢測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)組合來測量背反射電場。這種干涉過程在低成本、堅固的 PIN 光電二極管上產(chǎn)生電信號。與方向檢測相反，這些信號與接收到的電場與 LO 的乘積成正比。除了下面概述的優(yōu)點(diǎn)外，這還可以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍測量，因為相干激光雷達(dá)光電探測器信號按背向反射信號功率的平方根縮放。

在 AM 和 FM 激光雷達(dá)中，光電探測器都會生成用于分析的時間序列數(shù)據(jù)。在 AM 的情況下，可以按時間順序分析時間序列，以挑選出返回的“光點(diǎn)”作為距離測量。在 FM 情況下，時間序列必須在測量期間進(jìn)行緩沖，然后進(jìn)行分析。存儲數(shù)百或數(shù)千個時域樣本，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 AM 系統(tǒng)的檢測器信號進(jìn)行串行分析，因為樣本被數(shù)字化以檢測輸入脈沖。

在 FMCW 系統(tǒng)中，必須收集和緩沖時域樣本。

FFT 揭示了 FMCW 時域樣本的頻率內(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)來自任何激光雷達(dá)傳感器（FM 或 AM）的激光束與移動物體相互作用時，目標(biāo)和傳感器之間的徑向運(yùn)動會在反射光上產(chǎn)生多普勒頻移。AM 激光雷達(dá)的直接接收器測量反射脈沖，但不知道波長的微小變化。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)為反射信號和 LO 之間的可測量頻率差。因此，速度與點(diǎn)云中每個點(diǎn)的距離一起測量。這導(dǎo)致對具有微秒延遲的運(yùn)動進(jìn)行更自信的測量。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。這將噪聲和延遲引入到運(yùn)動估計中。雖然如上所述 FM 系統(tǒng)需要更多的前期信號處理，但對數(shù)據(jù)產(chǎn)品的后端處理較少，以使其對感知有用。推理被用來衡量。

一組范圍彩色點(diǎn)顯示兩個行人并排。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)需要隨著時間的推移比較點(diǎn)來推斷運(yùn)動。

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

激光雷達(dá)中的干擾效應(yīng)包括太陽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)對激光雷達(dá)的影響具有值得商榷的意義，但陽光對激光雷達(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，采用直接檢測的激光雷達(dá)傳感器在暴露在陽光下時會受到檢測器噪聲升高的影響。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)。一些陽光總是會到達(dá)光電探測器。在 AM 系統(tǒng)中，設(shè)計了高增益光電探測器對光敏感。這凸顯了太陽背景會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，太陽背景可以到達(dá)光電探測器。然而，太陽輻射與 LO 不相干。因此，該信號不會在感興趣的 RF 頻帶內(nèi)產(chǎn)生頻率響應(yīng)，以提取距離和速度測量值。相干檢測過程可在沒有光學(xué)濾光片的直射陽光下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。打個比方，F(xiàn)M 系統(tǒng)“調(diào)諧”到一個非常窄的頻道，不會“聽到”其他廣播電臺。

陽光——尤其是在日出或日落時——會嚴(yán)重限制相機(jī)和 AM 激光雷達(dá)的性能。這對自動駕駛汽車具有嚴(yán)重的安全影響。

如上所述，F(xiàn)M 信號等效于反射信號和 LO 電場的乘積。因此，更強(qiáng)的 LO 會產(chǎn)生更強(qiáng)的 FM 信號。這個過程是光放大的一種形式。這種能力的限制是由光電探測器上的 LO 驅(qū)動的“散粒噪聲”或“量子波動”。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，對光子集成電路都是危險的，因此低功率能力可以實(shí)現(xiàn) FM 激光雷達(dá)的芯片級集成。脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)，尤其是 1550nm 的激光雷達(dá)系統(tǒng)，有時在面對太陽干擾時利用大的光發(fā)射功率來實(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。

相干檢測的“魔力”早已在國防部圈子中得到認(rèn)可。然而，幾十年來，密集的信號處理將實(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)能夠用于自動駕駛感知。

每項激光雷達(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