據(jù)麥姆斯咨詢介紹，激光雷達（LiDAR）是一種利用激光來測量物體之間距離的遙感方法。激光雷達根據(jù)不同類型可以通過閃光快照（flash）或掃描來提供周圍環(huán)境的三維（3D）點云圖，因此，有望幫助自動駕駛汽車更快、更好的決策，并改善導航來提高自動駕駛汽車的安全性。
目前，激光雷達導航系統(tǒng)一直依賴于被稱為飛行時間（Time-of-flight, ToF）的第一代脈沖技術。脈沖ToF激光雷達通過發(fā)射強大的光脈沖，并測量從物體反射回來的光子的往返時間來實現(xiàn)障礙物探測。
夜間ToF激光雷達工作原理
ToF激光雷達在日間及其它激光雷達同時工作時的狀況
ToF激光雷達在夜間的運行效果很好，但是在日光明亮的白天，來自太陽的光子會干擾信號，從而在接收信號中產(chǎn)生噪聲。此外，在附近有多個ToF激光雷達同時工作時，ToF系統(tǒng)可能會由于從其他激光雷達系統(tǒng)接收到的脈沖干擾而完全無法工作。為了解決這些問題，一些ToF激光雷達供應商開始通過將發(fā)射信號分成多個脈沖來引入編碼技術。但是，測距性能與系統(tǒng)的峰值功率成正比，將可用能量分成多個脈沖會導致測距性能的下降。
人眼安全問題
此外，目前大部分ToF激光雷達系統(tǒng)的工作波長為850 nm和905 nm，非常接近可見光譜。
激光雷達常用波長示意圖
人眼安全問題很重要，它限制了系統(tǒng)的功率和探測范圍。此外，在850 nm~905 nm波段有明顯的太陽輻射，會在日光下帶來干擾。更好的波長選擇是1550 nm，其人眼安全性相對高40倍，并且不容易受到日光干擾。
激光雷達必然會像雷達一樣向相干探測方案發(fā)展。與發(fā)射簡單的脈沖不同，相干探測發(fā)射并依賴于低功率頻率啁啾。
該圖說明了FMCW激光雷達的主要工作原理。低功率發(fā)射啁啾（綠色）信號到達物體反射，返回啁啾（藍色）信號之間的頻移與物體的距離和速度成比例。向上和向下的啁啾用于解析距離和速度值。
反射啁啾以頻移形式包含了測量點的距離信息。如果測量點也具有徑向速度，則反射啁啾會增加多普勒頻移。
利用上/下啁啾可以使相干激光雷達同時解析每個像素的距離和速度。ToF激光雷達無法即時分辨速度。而速度，是關于車輛周圍行人和物體的非常重要的環(huán)境信息。
面向未來的FMCW激光雷達
基于FMCW的相干激光雷達技術可以實現(xiàn)更高的探測靈敏度和精度。對于FMCW激光雷達，信噪比與發(fā)射光子總數(shù)成比例，而非峰值激光功率。由于FMCW激光雷達具有高出10倍以上的靈敏度，因此其發(fā)射平均功率可以比脈沖ToF激光雷達低1000倍。
FMCW激光雷達的光子電路將一部分出射相干激光與接收光混合。這提供了一種獨特的“解鎖鑰匙”，可以有效阻止任何背景輻射或其它激光雷達的干擾。
該圖說明了相干放大的概念。從藍色發(fā)射信號分出來的本振光（LO）與紫色弱接收信號發(fā)生相長干涉，并產(chǎn)生新的綠色強拍頻信號。然后，強拍頻信號被反饋到光電探測器并被檢測。通過對接收波形進行快速傅立葉變換來獲取距離信息。
FMCW vs ToF
FMCW與ToF激光雷達相比，還有一些其他突出優(yōu)勢：
ToF激光雷達的最大測距距離受到人眼安全標準的限制。在自動駕駛情況下，非常需要具有對距離200 m以上低反射率物體（例如，前方道路上的深色物體）的探測能力，以給自動駕駛車輛足夠的時間執(zhí)行規(guī)避操作或簡單地制動。目前，市場上還沒有一款近紅外ToF系統(tǒng)能夠實現(xiàn)200 m距離對5%反射率物體的探測。
未來，預計激光雷達傳感器將會像如今的雷達傳感器一樣普及。但是，ToF激光雷達很容易受到多系統(tǒng)干擾。ToF激光雷達探測器可以檢測到雙脈沖，或在其他激光雷達系統(tǒng)存在的情況下很容易飽和。相比之下，正確應用FMCW技術時，F(xiàn)MCW激光雷達可以做到無干擾，因為它只允許自身的相干光通過濾波到達探測器。
并且，F(xiàn)MCW激光雷達的每個像素都包含速度信息（4D感知），為自動駕駛系統(tǒng)提供了更清晰、更安全的環(huán)境感知能力。FMCW測量可以返回每個像素的徑向速度，從而有效提供4D圖像。而在ToF測量系統(tǒng)中，像素速度信息需要后續(xù)測量，由于運動模糊，這些測量通常很難提取。
此外，只有利用FMCW技術在短波紅外（SWIR）波段才能將所有元件集成在單個光子芯片上，以達到使該技術真正大眾化所需要的成本目標，這可能是目前FMCW技術最重要的優(yōu)勢。首先，片上波導在這些波長（例如1550 nm）下是透明且低損耗的。其次，F(xiàn)MCW方案的激光峰值功率水平在100 mW范圍內，而ToF激光雷達則為數(shù)百或數(shù)千瓦。另外，光子集成還可以利用光學相位陣列實現(xiàn)固態(tài)光束操縱。
目前全球大約有一百多家激光雷達開發(fā)商，并且這個數(shù)字還在持續(xù)增加。但是，其中僅有不到10家公司在專注開發(fā)FMCW激光雷達。另外，迄今為止只有一家公司展示了自己的激光雷達硅光子芯片。
據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，美國硅光子創(chuàng)業(yè)公司SiLC Technologies的硅光子集成FMCW激光雷達芯片可以提供每個測量像素的深度和速度數(shù)據(jù)。（左側是場景的可見光攝像機圖像，中間和右側分別是深度和速度點云圖。）
SiLC Technologies的團隊利用其在硅光子學領域20多年的積累和專有工藝技術，正在研究將激光器、相干探測引擎和探測器集成到一顆單芯片上。
基于光子芯片的高速波長掃描激光技術全球領先企業(yè)Insight LiDAR公司，在2019年消費電子展（CES）上正式推出了Digital Coherent LiDAR激光雷達（上圖為該激光雷達全速掃描獲得的原始成像）。這款激光雷達基于靈敏度更高的FMCW探測技術，對于低反射率（反射率<10%）物體，探測距離最高可達200米；對于汽車車身、樹木或其它障礙物，最大探測距離可達250米。
此外，市場上目前主攻FMCW激光雷達的其它代表性廠商還有Blackmore、Aeva以及Bridger Photonics等公司。他們都分別獲得了寶馬風險投資、豐田風險投資和蔡司等產(chǎn)業(yè)鏈巨頭的大筆投資。
