FMCW被认为是LiDAR规则的改变者——但是这项技术真的有潜力改变这个行业吗?FMCW是否已经可以广泛应用于传感器?为什么大多数激光雷达制造商更愿意继续依赖飞行时间原理?     

 

无论是扫描、旋转还是闪光技术,所有的激光雷达传感器都有一个共同点:它们通过光束来探测周围环境。但是测量距离的原理有所不同。其中两个最著名的原理是飞行时间原理(ToF)和调频连续波原理(FMCW)。

 

一、飞行时间原理:激光脉冲测距

飞行时间原理通过发射激光脉冲来测量传感器到物体的距离。激光脉冲是指在短时间间隔内一个接一个地发射多个准直光脉冲。它们被物体反射,并被探测器再次收集。计算发射激光脉冲和接收激光脉冲所需的时间,得到传感器到物体的距离。

 

这一原理是最常用的测距方法。这种方法测量出来的数据可靠性很高。可以用廉价的激光源来实现。然而,ToF也有一些局限性。例如,为了探测到更远的距离,激光准直超过最大值,由于人眼安全规定,高准直脉冲的发射功率受到严格限制。解决这一问题的方法有很多:例如,使用尺寸特别大的MEMS发射镜(如虹科固态激光雷达中使用的MEMS反射镜)定制化设计LiDAR传感器。这样也能使得采用飞行时间原理的传感器能够测量远距离物体,因此,这仍然是许多激光雷达传感器制造商的首选测量方法。

 

虹科,激光雷达

 

飞行时间原理

二、替代脉冲激光测距法:频率调制

为了规避高峰值激光脉冲所带来的挑战,也可能发射连续激光束。通过频率调制来测量到物体的距离。但是频率调制是什么意思呢?也就是指,发射的激光束被反复调制和“啁啾”,信号的频率一次又一次改变。激光束击中一个物体,反射后光的频率会发生改变,反射光返回到检测器与发射时的频率相比,根据两频率之间的差值,从而计算出物体的位置信息,且该值与距离成比例。如果这个物体在移动,结合多普勒效应,可以计算出物体的运动速度。

 

虹科,激光雷达

FMCW原理

三、测量速度

飞行时间原理可以测量物体迎面而来的的速度,但不像FMCW那样直接测量。ToF原理只能利用记录的数据点来测量传感器与物体之间的距离,因此物体的速度必须通过多次测量的结果来计算。发射多个脉冲,根据物体和传感器之间的距离变化以及脉冲频率变化可以计算出速度。

 

四、相干探测器与同轴传感器设计

如果光是相干发射的,如在频率调制中,它当然也必须被连续检测到。FMCW使用相干探测器,因为只有特定发射的相干光需要过滤和记录,所以这种探测器非常灵敏。灵敏度的提高也意味着数据不受其他光的影响。因此,FMCW具有良好的信噪比。并且即使是弱反射的物体也可以在更远的距离被探测到。然而,飞行时间测量在这方面也不逊色。同轴设计使得只有以与发出光完全相同的角度返回探测器的激光脉冲才会被捕获。通过这种设计,阳光和其他激光雷达传感器的信号就被过滤掉了。

 

五、飞行时间原理仍然是一个比较可靠的测量技术

那么,调频测量原理更好吗?这种说法太笼统了。这两种方法各有优缺点。然而,飞行时间与FMCW相比,一个显著优势是其发展成熟。飞行时间原理已成功应用于激光雷达传感器多年。而FMCW仍处于起步阶段。这项技术很复杂,目前仍然非常昂贵,因为其对于激光源要求较高。对于汽车行业来说,激光雷达传感器的价格整体来说较为昂贵,产业化是当前面临的重要问题。因此,FMCW模块必须要比ToF激光探测器模块当前的价格便宜得多,FMCW原理才会得到更广泛的应用。随着技术的发展,在单个芯片上集成FMCW是可能的,从长远来看,非常具有吸引力。毕竟,除了价格之外,减小激光雷达体积尺寸是所有激光雷达制造商都在努力的方向。