在自動(dòng)駕駛感知技術(shù)領(lǐng)域，激光雷達(dá)作為核心傳感器之一，正經(jīng)歷從傳統(tǒng)ToF方案向更先進(jìn)技術(shù)形態(tài)的迭代。FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波）激光雷達(dá)憑借其獨(dú)特的相干檢測(cè)原理，在測(cè)距精度、測(cè)速能力、抗干擾性等關(guān)鍵性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為車載激光雷達(dá)的終極形態(tài)。本文將從技術(shù)原理、核心優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)布局等維度，深度解析FMCW激光雷達(dá)的技術(shù)內(nèi)核與發(fā)展前景。

一、技術(shù)原理：相干檢測(cè)的底層邏輯

激光雷達(dá)的測(cè)量方式主要分為直接飛行時(shí)間（dToF）和間接飛行時(shí)間（iToF）兩類，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)是iToF技術(shù)中最成熟且應(yīng)用最廣泛的實(shí)現(xiàn)形式。其核心原理與毫米波雷達(dá)類似，通過頻率調(diào)制與相干檢測(cè)實(shí)現(xiàn)距離和速度的同步測(cè)量，但在測(cè)角原理上存在本質(zhì)差異。

1.1 核心測(cè)量機(jī)制

FMCW 激光雷達(dá)通過激光器發(fā)射頻率隨時(shí)間線性變化的連續(xù)激光信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后形成回波，與本地保留的本振光信號(hào)在探測(cè)器中發(fā)生相干混頻，產(chǎn)生拍頻信號(hào)。通過分析拍頻信號(hào)的頻率差，可計(jì)算出目標(biāo)的距離信息；同時(shí)利用多普勒頻移效應(yīng)，直接提取目標(biāo)的徑向速度數(shù)據(jù)。這種“一次探測(cè)雙參數(shù)獲取”的特性，使其無(wú)需像ToF激光雷達(dá)那樣通過多幀點(diǎn)云匹配推算速度，大幅提升了動(dòng)態(tài)目標(biāo)的感知效率。

1.2 與 ToF 技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別

ToF激光雷達(dá)依賴測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間差計(jì)算距離，速度信息需通過多幀點(diǎn)云的位置變化間接推導(dǎo)，存在延遲大、精度低的問題。而 FMCW 激光雷達(dá)的相干檢測(cè)機(jī)制，使其在每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中天然包含距離和速度雙維度信息，單幀即可完成動(dòng)態(tài)目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別。此外，ToF 技術(shù)采用脈沖激光，峰值功率高但平均功率低，而 FMCW 采用連續(xù)波調(diào)制，峰值功率和平均功率均處于較低水平，在人眼安全與設(shè)備兼容性上更具優(yōu)勢(shì)。

1.3 測(cè)角原理的技術(shù)特性

FMCW激光雷達(dá)憑借極窄的激光波束，可通過掃描器件的角度直接計(jì)算目標(biāo)方位，無(wú)需復(fù)雜算法輔助。相比之下，毫米波雷達(dá)因波束較寬，需依賴 DOA（Direction of Arrival）算法估計(jì)目標(biāo)角度，測(cè)角精度和實(shí)時(shí)性均存在差距。這種技術(shù)特性使得 FMCW 激光雷達(dá)能夠同時(shí)兼顧距離、速度、角度三維度的高精度測(cè)量，形成完整的 4D 感知能力。

二、核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)：超越傳統(tǒng)方案的性能升級(jí)

基于獨(dú)特的技術(shù)原理，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)在多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)上全面超越傳統(tǒng)ToF激光雷達(dá)，尤其適配自動(dòng)駕駛的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 距離與速度測(cè)量的雙重突破

在測(cè)距性能上，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)的探測(cè)距離可達(dá)300-500m，且測(cè)距精度更高，能夠精準(zhǔn)識(shí)別遠(yuǎn)距離小目標(biāo)；而ToF 激光雷達(dá)的典型探測(cè)距離為 150-250m，在遠(yuǎn)距離場(chǎng)景下性能衰減明顯。在測(cè)速方面，F(xiàn)MCW的直接測(cè)速機(jī)制使延遲控制在微秒級(jí)，測(cè)速精度可達(dá)0.1m/s，遠(yuǎn)優(yōu)于ToF激光雷達(dá) 5-6 幀的推算延遲和米級(jí)測(cè)速誤差。這種性能優(yōu)勢(shì)在 "開門殺"、"鬼探頭" 等突發(fā)場(chǎng)景中尤為關(guān)鍵，可大幅縮短自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。

2.2 抗干擾能力的質(zhì)的飛躍

ToF 激光雷達(dá)采用非相干檢測(cè)，難以區(qū)分自身發(fā)射的激光回波與環(huán)境光、其他雷達(dá)的干擾信號(hào)，在多雷達(dá)并行工作或強(qiáng)光照射場(chǎng)景下易出現(xiàn)誤檢。FMCW 激光雷達(dá)通過窄線寬激光（通常在100kHz以下）和相干檢測(cè)技術(shù)，僅對(duì)特定頻率區(qū)間的回波信號(hào)進(jìn)行混頻處理，可有效過濾環(huán)境光和其他雷達(dá)的干擾。即使在陽(yáng)光直射等極端條件下，仍能保持穩(wěn)定的目標(biāo)檢測(cè)能力，抗干擾性能提升3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.3 低功率與高安全性的平衡

ToF 激光雷達(dá)的測(cè)距性能依賴峰值功率，1550nm 波段的產(chǎn)品峰值功率常高達(dá) 1000W 以上，雖滿足人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，但可能對(duì)相機(jī) CMOS 芯片等光學(xué)設(shè)備造成損傷。FMCW 激光雷達(dá)的信噪比主要由調(diào)頻線性度和激光線寬決定，與功率相關(guān)性較低，其峰值功率通常在 100mW 以下，平均功率僅為 ToF 產(chǎn)品的十分之一，在保障人眼安全的同時(shí)，避免了對(duì)周邊設(shè)備的潛在損害，安全裕量顯著提升。

2.4 高動(dòng)態(tài)范圍與惡劣環(huán)境適應(yīng)性

ToF激光雷達(dá)采用SiPM或SPAD等單光子探測(cè)器，動(dòng)態(tài)范圍有限，在面對(duì)高反射目標(biāo)時(shí)易出現(xiàn) "Blooming"（光暈擴(kuò)散）現(xiàn)象，導(dǎo)致目標(biāo)輪廓失真。FMCW 激光雷達(dá)采用 PIN 探測(cè)器，動(dòng)態(tài)范圍更廣，可清晰區(qū)分高反目標(biāo)與低反目標(biāo)，避免了高反膨脹問題。同時(shí)，相干檢測(cè)技術(shù)使其在雨雪、霧霾等惡劣天氣條件下的穿透能力更強(qiáng)，相比ToF激光雷達(dá)的性能衰減，F(xiàn)MCW 產(chǎn)品仍能保持穩(wěn)定的探測(cè)效果，環(huán)境適應(yīng)性更優(yōu)。

2.5 固態(tài)化潛力與降本空間

ToF 激光雷達(dá)的光學(xué)部件與掃描模塊難以實(shí)現(xiàn)芯片化，限制了其小型化和低成本量產(chǎn)的可能性。FMCW 激光雷達(dá)可通過硅光集成技術(shù)，將激光器、探測(cè)器、掃描模塊等核心部件集成于硅基芯片中，實(shí)現(xiàn)真正的 "芯片化" 全固態(tài)設(shè)計(jì)。硅光集成技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，可大幅降低激光雷達(dá)的體積、重量和成本，為車載場(chǎng)景的大規(guī)模普及提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

三、關(guān)鍵技術(shù)體系：實(shí)現(xiàn)高性能的核心支撐

FMCW 激光雷達(dá)的性能表現(xiàn)依賴于多項(xiàng)核心技術(shù)的協(xié)同突破，其中調(diào)頻激光器、掃描系統(tǒng)、相干接收、硅光集成及信號(hào)處理算法構(gòu)成了其技術(shù)體系的核心。

3.1 調(diào)頻激光器：性能瓶頸的關(guān)鍵突破

調(diào)頻激光器是FMCW激光雷達(dá)的核心器件，其性能直接決定雷達(dá)的測(cè)距分辨率、探測(cè)距離和穩(wěn)定性。高性能調(diào)頻激光器需滿足四項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)：一是較大的頻率可調(diào)范圍，決定拍頻信號(hào)的最大頻率和測(cè)距分辨率（測(cè)距分辨率ΔR與調(diào)頻帶寬 B 滿足 ΔR=c/(2B)）；二是較快的調(diào)頻速率，影響雷達(dá)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；三是極窄的線寬，線寬越窄，相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)，信噪比和探測(cè)性能越優(yōu)；四是高線性度的調(diào)頻特性，避免因調(diào)頻非線性導(dǎo)致的距離計(jì)算誤差。

目前主流的調(diào)頻激光器包括 DFB（分布式反饋）激光器、DBR（分布式布拉格反射）激光器和外調(diào)激光器。DFB 激光器具有優(yōu)秀的調(diào)頻線性度和量產(chǎn)潛力，靜態(tài)線寬典型值為 0.6-5MHz，是當(dāng)前車載 FMCW 產(chǎn)品的主流選擇；外調(diào)激光器雖在線性度、線寬等指標(biāo)上表現(xiàn)更優(yōu)（線寬可達(dá) 1kHz 左右），但成本較高，暫未大規(guī)模應(yīng)用；DBR 激光器則在功率穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢(shì)，但線寬動(dòng)態(tài)展寬較差，方案復(fù)雜度較高。

3.2 掃描系統(tǒng)：固態(tài)化的技術(shù)路徑

FMCW 激光雷達(dá)的掃描方式主要分為 MEMS 振鏡和純固態(tài)掃描兩類，其中純固態(tài)方案因無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性更高，是未來的發(fā)展方向。純固態(tài)掃描技術(shù)主要包括三種實(shí)現(xiàn)形式：

• 光學(xué)相控陣（OPA）：通過移相器控制陣列天線的相位差，實(shí)現(xiàn)激光波束的電子掃描，具有分辨率高、角度靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是最具潛力的固態(tài)掃描方案。但其存在旁瓣干擾和天線數(shù)量多導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)雜等問題，需通過算法優(yōu)化和芯片設(shè)計(jì)改進(jìn)加以解決。
• 焦平面陣列（Focal Plane Array）：以不同像素作為發(fā)光源，實(shí)現(xiàn)多角度掃描，方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但分光損耗較大，探測(cè)距離受限，掃描角度固定。
• 波長(zhǎng)色散（Wavelength Dispersion）：通過棱鏡將不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行色散，實(shí)現(xiàn)角度掃描，同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但需搭配寬譜激光器，技術(shù)難度較大，掃描角度有限。

3.3 相干接收與信號(hào)處理：微弱信號(hào)的精準(zhǔn)解析

FMCW 激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)采用平衡光電探測(cè)器構(gòu)建相干接收器，需配合低噪聲光信號(hào)處理（OSP）電路，實(shí)現(xiàn)微弱回波信號(hào)的精準(zhǔn)檢測(cè)。由于回波信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后強(qiáng)度較弱，相干接收技術(shù)通過本振光與回波光的混頻放大，可顯著提升信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，使信噪比相比 ToF 技術(shù)提升3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。

在信號(hào)處理方面，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)對(duì) ADC 轉(zhuǎn)換速率的要求是 ToF 產(chǎn)品的2-4倍，需通過超高速 FFT 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)拍頻信號(hào)的頻率解析。專用數(shù)字信號(hào)處理 ASIC 芯片的開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理、提升系統(tǒng)響應(yīng)速度的關(guān)鍵，其算法優(yōu)化直接影響距離和速度測(cè)量的精度與穩(wěn)定性。

3.4 硅光集成技術(shù)：規(guī)?；慨a(chǎn)的核心保障

硅光集成技術(shù)是 FMCW 激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)小型化、低成本量產(chǎn)的核心支撐，其本質(zhì)是采用 CMOS 兼容工藝，將光學(xué)器件與電子器件集成于硅基芯片中，形成功能完整的集成光子芯片。通過硅光集成，可將激光器、調(diào)制器、放大器、光學(xué)天線等核心部件集成于單一芯片，實(shí)現(xiàn) "LiDAR-on-a-Chip" 的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

硅光集成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：一是高集成度，大幅縮小激光雷達(dá)的體積和重量；二是低成本量產(chǎn)，依托成熟的 CMOS 工藝，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，降低單位成本；三是高可靠性，減少了器件間的連接環(huán)節(jié)，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗振動(dòng)能力。目前，硅光集成芯片的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于 III-V 族材料與硅基芯片的異質(zhì)集成，以及光器件與電器件的協(xié)同優(yōu)化。

四、產(chǎn)業(yè)布局與技術(shù)趨勢(shì)：國(guó)內(nèi)外企業(yè)的研發(fā)探索

當(dāng)前，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)已成為車載傳感器領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛布局相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品，形成了多元化的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局。

4.1 國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)的布局

國(guó)外企業(yè)在 FMCW 激光雷達(dá)領(lǐng)域起步較早，憑借在硅光技術(shù)、激光器研發(fā)等方面的積累，占據(jù)了技術(shù)領(lǐng)先地位。Aeva 作為行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)，率先實(shí)現(xiàn)了基于硅光芯片的 FMCW 激光雷達(dá)量產(chǎn)，其第四代硅光模組將發(fā)射端、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)端等核心部件集成于硬幣大小的芯片上，產(chǎn)品探測(cè)距離可達(dá) 500m，角分辨率 0.025°×0.025°。Mobileye 依托英特爾的硅光技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了多通道 FMCW 激光雷達(dá)處理器 SoC，點(diǎn)云密度達(dá) 600pt/deg2，量產(chǎn)目標(biāo)價(jià)格低于 1000 美元。此外，SiLC、Insight 等企業(yè)在長(zhǎng)距離探測(cè)、高分辨率掃描等細(xì)分領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展，推動(dòng)了 FMCW 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地。

4.2 國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)突破與創(chuàng)新

國(guó)內(nèi)企業(yè)在 FMCW 激光雷達(dá)領(lǐng)域的研發(fā)雖起步較晚，但憑借在硅光集成、信號(hào)處理等領(lǐng)域的技術(shù)積累，已實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)關(guān)鍵突破。洛微科技（LuminWave）依托硅光芯片技術(shù)，自主研發(fā)了F系列FMCW激光雷達(dá)，基于相干探測(cè)原理，具備完全陽(yáng)光免疫能力，在正午強(qiáng)光直射下仍能保持穩(wěn)定點(diǎn)云輸出；同時(shí)能夠穿透煙霧和塵土，即便在雨霧等惡劣天氣中，也能維持較高的測(cè)距與測(cè)速精度，滿足新國(guó)標(biāo)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的全天候感知要求。目前，洛微車載FMCW激光雷達(dá)已切入國(guó)內(nèi)頭部商用重卡L2+輔助駕駛量產(chǎn)項(xiàng)目，逐步從“實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新技術(shù)”邁向“前裝量產(chǎn)”。

4.3 未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

FMCW 激光雷達(dá)的未來發(fā)展將聚焦于三個(gè)核心方向：一是核心部件的性能升級(jí)，包括更窄線寬、更高線性度的調(diào)頻激光器，更高集成度的硅光芯片，以及更低噪聲的相干接收系統(tǒng)；二是成本控制與量產(chǎn)能力提升，通過硅光集成技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，推動(dòng)產(chǎn)品成本降至車載場(chǎng)景可接受的水平；三是功能安全與車規(guī)適配，滿足 ISO 26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 21434 cybersecurity 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的深度融合。

五、結(jié)語(yǔ)

FMCW 激光雷達(dá)通過相干檢測(cè)原理，在距離、速度、角度測(cè)量的精度與實(shí)時(shí)性上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng) ToF 技術(shù)的超越，其抗干擾性、低功率特性和固態(tài)化潛力，完美契合了自動(dòng)駕駛對(duì)傳感器的嚴(yán)苛要求。隨著調(diào)頻激光器、硅光集成、信號(hào)處理等核心技術(shù)的持續(xù)突破，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)的成本將逐步降低，量產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，有望成為車載感知領(lǐng)域的主流方案。 在技術(shù)創(chuàng)新的浪潮中，國(guó)內(nèi)外企業(yè)的持續(xù)研發(fā)與探索，將推動(dòng) FMCW 激光雷達(dá)的性能不斷升級(jí)，為自動(dòng)駕駛的安全落地提供更可靠的感知支撐。未來，隨著硅光集成技術(shù)的進(jìn)一步成熟和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的完善，F(xiàn)MCW 激光雷達(dá)將不僅局限于車載場(chǎng)景，還將在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，開啟多維度感知的新時(shí)代。

參考文章：https://blog.csdn.net/tian362/article/details/138177527