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？對這種技術(shù)差異化的執(zhí)著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)的殘余。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？而且，假設(shè)芯片集集成是汽車批量可擴(kuò)展性所必需的，那么一種方法在規(guī)模上相對于另一種方法有什么影響？

脈沖飛行時間或幅度調(diào)制的“AM”激光雷達(dá)系統(tǒng)依賴于直接檢測反向散射的激光脈沖。脈沖激光源的成本和性能各不相同。靈敏的光電探測器通過將反射光功率直接轉(zhuǎn)換為電信號來測量飛行時間。這種方法只對目標(biāo)的范圍敏感，而對其速度不敏感。它還受到有限動態(tài)范圍的限制，這通常需要對接收器增益進(jìn)行調(diào)制。對于明亮的目標(biāo)，增益回調(diào)，對于暗目標(biāo)，增益增加。最終，這種增益調(diào)整游戲會限制性能并產(chǎn)生圖像偽像。

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)制是從現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中借用的一種測量技術(shù)。范圍信息不是直接測量飛行的脈沖時間，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，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，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。

圖中顯示了支持 FM 激光雷達(dá)相干檢測的基本干涉測量電路。

FM激光雷達(dá)使用相干檢測來測量背面反射的電場，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。這種干涉測量過程在低成本、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的電場的乘積成正比。除了下面概述的優(yōu)點外，這還導(dǎo)致高動態(tài)范圍測量，因為相干激光雷達(dá)光電探測器信號縮放為背面反射信號功率的平方根。

在 AM 和 FM 激光雷達(dá)中，光電探測器都會生成用于分析的數(shù)據(jù)時間序列。在AM的情況下，可以及時連續(xù)分析時間序列，以挑選出返回的“光點”作為范圍測量。在FM的情況下，必須在測量期間緩沖時間序列，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)換為頻域。然后搜索頻域以查找返回的“峰值”。

AM系統(tǒng)的檢測器信號在對樣品進(jìn)行數(shù)字化以檢測輸入脈沖時進(jìn)行串行分析。

在FMCW系統(tǒng)中，必須收集和緩沖時域樣本。

FFT顯示FMCW時域樣本的頻率成分。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)為反射信號和LO之間的可測量頻率差。因此，速度是結(jié)合點云中每個點的距離來測量的。這樣可以更可靠地測量具有微秒級延遲的運動。AM激光雷達(dá)系統(tǒng)必須處理多個幀上的點云以推斷運動。這會將噪聲和延遲引入運動估計。如上所述，F(xiàn)M系統(tǒng)需要更多的前期信號處理，但數(shù)據(jù)產(chǎn)品上的后端處理較少，使其對感知有用。推理被交易為測量。

一組范圍彩色點顯示兩個相鄰的行人。紅色較舊，綠色較新。

年齡彩色點的視角顯示這些行人經(jīng)過。行人的速度推導(dǎo)需要比較隨時間變化的點以推斷運動。

單個 FM 激光雷達(dá)幀的多普勒彩色點顯示每個數(shù)據(jù)點上的行人速度。四肢和軀干運動被描繪出來。

激光雷達(dá)中的干擾效果包括太陽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，但陽光對激光雷達(dá)的影響不能僅僅作為一個“角落案例”被忽視。在陽光條件下，激光雷達(dá)的一致操作應(yīng)被視為強(qiáng)制性的。然而，采用直接檢測的激光雷達(dá)傳感器在暴露于陽光下時會受到探測器噪聲升高的影響。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。一些陽光總會到達(dá)光電探測器。在AM系統(tǒng)中，高增益光電探測器被設(shè)計成對光敏感。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，信號不會在目標(biāo)RF頻段內(nèi)產(chǎn)生頻率響應(yīng)，以提取范圍和速度測量值。相干檢測過程可在陽光直射下實現(xiàn)穩(wěn)定的性能，無需光學(xué)濾光片。作為類比，F(xiàn)M系統(tǒng)被“調(diào)諧”到一個非常窄的頻率頻道，并且不會“聽到”其他廣播電臺。

如上所述，F(xiàn)M信號相當(dāng)于反射信號和LO電場的乘積。因此，更強(qiáng)的LO將產(chǎn)生更強(qiáng)的FM信號。該過程是光學(xué)放大的一種形式。這種能力的極限是由光電探測器上的LO驅(qū)動的“散粒噪聲”或“量子漲落”。散粒噪聲限制性能對單光子敏感。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現(xiàn)長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，對光子集成電路都是危險的，因此低功耗功能可實現(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)，有時會利用較大的光學(xué)發(fā)射功率，在面對太陽干擾時實現(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際應(yīng)用限制在昂貴的國防程序或緩慢的離線應(yīng)用中。所需的數(shù)據(jù)吞吐量和處理確實不平凡。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，對于有界限的信號處理要求。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