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的、閃存的嗎？對(duì)這種技術(shù)差異化的執(zhí)著可能是早期市場(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)的殘余。這種對(duì)掃描技術(shù)的關(guān)注分散了對(duì)更基本問(wèn)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？而且，假設(shè)芯片集集成是汽車(chē)批量可擴(kuò)展性所必需的，那么一種方法在規(guī)模上相對(duì)于另一種方法有什么影響？

脈沖飛行時(shí)間或幅度調(diào)制的“AM”激光雷達(dá)系統(tǒng)依賴于直接檢測(cè)反向散射的激光脈沖。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(guò)將反射光功率直接轉(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)的范圍敏感，而對(duì)其速度不敏感。它還受到有限動(dòng)態(tài)范圍的限制，這通常需要對(duì)接收器增益進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于明亮的目標(biāo)，增益回調(diào)，對(duì)于暗目標(biāo)，增益增加。最終，這種增益調(diào)整游戲會(huì)限制性能并產(chǎn)生圖像偽像。

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)制是從現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中借用的一種測(cè)量技術(shù)。范圍信息不是直接測(cè)量飛行的脈沖時(shí)間，而是在頻域中編碼。有多種方法可用于產(chǎn)生調(diào)頻激光信號(hào)，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，下面將更詳細(xì)地討論這些優(yōu)勢(shì)。

圖中顯示了支持 FM 激光雷達(dá)相干檢測(cè)的基本干涉測(cè)量電路。

FM激光雷達(dá)使用相干檢測(cè)來(lái)測(cè)量背面反射的電場(chǎng)，方法是將接收到的光與激光源的局部副本（本振（LO））光學(xué)結(jié)合。這種干涉測(cè)量過(guò)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的電場(chǎng)的乘積成正比。除了下面概述的優(yōu)點(diǎn)外，這還導(dǎo)致高動(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)縮放為背面反射信號(hào)功率的平方根。

在 AM 和 FM 激光雷達(dá)中，光電探測(cè)器都會(huì)生成用于分析的數(shù)據(jù)時(shí)間序列。在AM的情況下，可以及時(shí)連續(xù)分析時(shí)間序列，以挑選出返回的“光點(diǎn)”作為范圍測(cè)量。在FM的情況下，必須在測(cè)量期間緩沖時(shí)間序列，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(guò)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域。然后搜索頻域以查找返回的“峰值”。

AM系統(tǒng)的檢測(cè)器信號(hào)在對(duì)樣品進(jìn)行數(shù)字化以檢測(cè)輸入脈沖時(shí)進(jìn)行串行分析。

在FMCW系統(tǒng)中，必須收集和緩沖時(shí)域樣本。

FFT顯示FMCW時(shí)域樣本的頻率成分。然后分析這種頻域表示或“范圍曲線”，以尋找指示目標(biāo)范圍和速度的峰值。

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)的輕微變化。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，速度是結(jié)合點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的距離來(lái)測(cè)量的。這樣可以更可靠地測(cè)量具有微秒級(jí)延遲的運(yùn)動(dòng)。AM激光雷達(dá)系統(tǒng)必須處理多個(gè)幀上的點(diǎn)云以推斷運(yùn)動(dòng)。這會(huì)將噪聲和延遲引入運(yùn)動(dòng)估計(jì)。如上所述，F(xiàn)M系統(tǒng)需要更多的前期信號(hào)處理，但數(shù)據(jù)產(chǎn)品上的后端處理較少，使其對(duì)感知有用。推理被交易為測(cè)量。

一組范圍彩色點(diǎn)顯示兩個(gè)相鄰的行人。紅色較舊，綠色較新。

年齡彩色點(diǎn)的視角顯示這些行人經(jīng)過(guò)。行人的速度推導(dǎo)需要比較隨時(shí)間變化的點(diǎn)以推斷運(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。四肢和軀干運(yùn)動(dòng)被描繪出來(lái)。

激光雷達(dá)中的干擾效果包括太陽(yáng)或其他背景照明源以及激光雷達(dá)到激光雷達(dá)的效果。雖然激光雷達(dá)到激光雷達(dá)的效果具有值得商榷的重要性，但陽(yáng)光對(duì)激光雷達(dá)的影響不能僅僅作為一個(gè)“角落案例”被忽視。在陽(yáng)光條件下，激光雷達(dá)的一致操作應(yīng)被視為強(qiáng)制性的。然而，采用直接檢測(cè)的激光雷達(dá)傳感器在暴露于陽(yáng)光下時(shí)會(huì)受到探測(cè)器噪聲升高的影響。光學(xué)帶通濾光片提供了一些緩解措施，但是，在廣角和寬溫度范圍內(nèi)的窄帶操作具有挑戰(zhàn)性。一些陽(yáng)光總會(huì)到達(dá)光電探測(cè)器。在AM系統(tǒng)中，高增益光電探測(cè)器被設(shè)計(jì)成對(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(wèn)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，信號(hào)不會(huì)在目標(biāo)RF頻段內(nèi)產(chǎn)生頻率響應(yīng)，以提取范圍和速度測(cè)量值。相干檢測(cè)過(guò)程可在陽(yáng)光直射下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能，無(wú)需光學(xué)濾光片。作為類比，F(xiàn)M系統(tǒng)被“調(diào)諧”到一個(gè)非常窄的頻率頻道，并且不會(huì)“聽(tīng)到”其他廣播電臺(tái)。

如上所述，F(xiàn)M信號(hào)相當(dāng)于反射信號(hào)和LO電場(chǎng)的乘積。因此，更強(qiáng)的LO將產(chǎn)生更強(qiáng)的FM信號(hào)。該過(guò)程是光學(xué)放大的一種形式。這種能力的極限是由光電探測(cè)器上的LO驅(qū)動(dòng)的“散粒噪聲”或“量子漲落”。散粒噪聲限制性能對(duì)單光子敏感。這在上述干擾抑制能力的背景下非常重要。高靈敏度和高選擇性可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離性能和非常低的光發(fā)射功率。由于高光功率，甚至高峰值功率，對(duì)光子集成電路都是危險(xiǎn)的，因此低功耗功能可實(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)會(huì)利用較大的光學(xué)發(fā)射功率，在面對(duì)太陽(yáng)干擾時(shí)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(méi)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)用限制在昂貴的國(guó)防程序或緩慢的離線應(yīng)用中。所需的數(shù)據(jù)吞吐量和處理確實(shí)不平凡。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。

每種激光雷達(dá)技術(shù)都面臨挑戰(zhàn)。但FM激光雷達(dá)的處理要求在AM系統(tǒng)的硬件挑戰(zhàn)中，對(duì)于有界限的信號(hào)處理要求。用軟件收益取代硬件痛苦是一種強(qiáng)大的技術(shù)范式。

審核編輯：郭婷