近兩年來媒體報道似乎給公眾傳遞一種訊息：調頻連續波（FMCW）激光雷達（LiDAR）優于飛行時間法（ToF）激光雷達，是未來激光雷達的終極技術路線。
本文對當前業界關于ToF系統與FMCW系統的主張進行了詳細的技術比較。希望這有助于從業者理解激光雷達系統的取舍，從而激發更有利的知情討論、競爭，最終促進應用于自動駕駛的ToF激光雷達和FMCW激光雷達的共同進步。
主張1：FMCW是一項（全新的）革命性技術
這不是事實。
事實恰恰相反，FMCW激光雷達已經存在了很長時間，它起源于二十世紀六十年代麻省理工學院林肯實驗室，也就是在激光器發明七年后誕生。不幸的是，多年來我們從FMCW技術中學到的許多經驗教訓卻未被應用于公共領域，早已被人們遺忘。近年來看到的變化就是長相干長度激光器的使用普及率提高。從理論上講，它可以提供極高的信號增益，合理地激發人們對既有技術的興趣，但是要使這種激光雷達適用于自動駕駛汽車，仍然必須解決一些過去就已有定論的“病根”。如果無法解決，那么聲稱“全新”FMCW激光雷達能收集到遠距離、小尺寸物體的數據信息并經濟有效地解決汽車行業面臨的挑戰，這種說法將被證實是不正確的。
主張2：FMCW激光雷達能更快地探測/跟蹤更遠距離的目標
未經證實。
ToF激光雷達可以提供非常高的激光發射頻率（shot rate），以AEye公司的ToF系統為例，每秒可發射幾百萬次，掃描速度快，返回速度更快，感興趣區域（ROI）密度高。與其它激光雷達系統相比，效率提高2~4倍。相比之下，許多低復雜度的激光雷達每秒只能發射數萬到數十萬次（慢50倍）。因此，從本質上講，我們是將納秒級停留時間（dwell time）、高重復率與數十微秒級停留時間和低重復率（每對激光器/接收端）進行比較。
激光發射頻率會嚴重影響激光雷達對遠距離物體的探測、采集（分類）和跟蹤，這是因為更高的激光發射頻率（空間和/或時間）可提供更多信息，從而更快地探測到物體，并更好地過濾噪聲。AEye曾展示了一種能夠對低反射率物體進行多點探測的系統，對象包括：200米以外小型物體和行人、300米以外的車輛和1000米內的3級卡車。這充分證明了ToF技術的測距能力。實際上，幾乎所有的激光測距儀都利用ToF技術而非FMCW技術進行距離測量（例如Voxtel公司提供的測距儀，一些產品具有超過10千米的最大探測距離）。盡管最近有文章聲稱FMCW技術的探測距離更遠，但我們還沒有看到可以與先進ToF系統探測距離相當的FMCW系統。
主張3：FMCW更準確有效地提供速度和距離信息
這是誤導。
ToF激光雷達確實需要多次發射激光以確定目標物體的速度。與FMCW激光雷達所稱的單次激光發射相比，這似乎是額外的“開銷”。更重要的是，并非所有速度測量意義都是相同的。盡管兩輛汽車正面行駛時的徑向速度是非常重要的（原因之一：激光雷達對最大探測距離參數的要求是越大越好），其實橫向速度也很重要，因為橫向速度引起的緊急情況占90%以上。闖紅燈的汽車、轉向的車輛、闖入街道的行人，都需要橫向速度才能做出規避危險的決策。FMCW激光雷達不能一次性同時測量橫向速度，在橫向速度測量方面要超越ToF激光雷達并不容易。
假設有一輛汽車以30~40米/秒的速度行駛時被激光探測到。如果在短時間內第二次發射激光，例如在第一次發射后50微秒，則目標在這個時間間隔內僅移動了約1.75毫米。為了建立具有統計學意義的速度，目標應該移動至少2厘米，大約需要500微秒，同時需要足夠的信噪比（SNR）才能對距離樣本進行插值。通過第二次測量，在與幀速率相比可忽略的時間范圍內建立統計顯著的距離和速度。以AEye開發的激光掃描儀為例，500微秒并不是專用于速度估算，可以在此時間段內向目標多次發射激光。在對原始目標反饋高置信度速度測量值之前，可以巧妙地利用時間查看其它區域或目標。而FMCW激光雷達在其整個停留時間內都只能專用于速度測量，成為這個測量項的“俘虜”。
要解決上述問題，FMCW激光雷達通常至少需要兩次激光頻率掃描（向上、向下）以實現明確探測，向下掃描可以解決“距離+多普勒頻移”組合引起的模糊問題。這使每次激光發射所需的停留時間增加了一倍，超出了上一段文字描述的時間。目標在10微秒的位移量通常僅為0.5毫米。這種位移水平處于難以將振動與實際線性運動區別。同樣，談及橫向速度，FMCW激光雷達系統根本不能像ToF激光雷達系統那樣不進行多位置估算就做到立即探測橫向速度，但又需要較長的停留時間。
在一種極端的ToF激光雷達系統示例中，AEye演示了探測1千米處的物體。即使需要連續發射兩次才能獲得1千米處物體的速度，也明顯看出在常見20Hz幀頻和典型車速的情況下，表現優于對100米處物體一次發射的效果。
主張4：FMCW技術干擾較少
事實恰恰相反！
在ToF系統和FMCW系統中都會出現偽影。這可能包括反射器異常，例如“光環”、“殼”、第一表面反射（在擋風玻璃后發生甚至更糟）、離軸空間旁瓣、多路徑和雜波。決定激光雷達性能的關鍵在于在空間域（良好的光學器件）和波形時域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系統在空間行為上具有可比性，但是當存在高對比度目標時，FMCW真正遭受的損失來自于波形時域。
雜波：FMCW系統依靠基于窗函數的旁瓣抑制來解決自干擾（雜波），該干擾遠不如沒有旁瓣的ToF系統健壯。為了提供背景信息，一束10微秒的FMCW脈沖可以在1.5公里范圍內徑向傳播。在此范圍內，任何對象都將陷入快速傅里葉變換（時間）旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脈沖也可能會被150米外的高強度雜波破壞。第一個矩形窗口快速傅里葉變換（FFT）的旁瓣是大家所知的-13dB，遠高于獲得優質點云所需要的水平。
當然，可以采用更深的旁瓣錐度，但是會犧牲脈沖展寬。此外，接收機前端的非線性（所謂無寄生動態范圍）將限制整體系統能達到的有效旁瓣水平，這是由于：壓縮和模數轉換（ADC）雜散（三階截距）、相位噪聲和大氣相位調制等，這些都無法減輕窗口錐度。航空航天和國防系統當然可以克服這些限制，但用于汽車的系統成本相對低，也必須能夠在超過100db的動態范圍內從近距離后向反射鏡中分揀出遠距離小物體，這在FMCW系統中會出現。
相比之下，典型的高斯ToF系統在2納秒的脈沖持續時間下，除了脈沖持續時間本身產生的幾厘米以外，沒有任何基于時間的旁瓣。當捕獲小目標時，小偏移和大偏移回波之間的動態范圍都不會對入射到光電探測器上的光產生任何影響。我們邀請激光雷達系統評估人員親自檢查ToF激光雷達與FMCW激光雷達在不同駕駛條件下的點云質量。FMCW激光雷達系統中大量潛在的旁瓣會導致偽影，這些偽影不僅會影響局部距離樣本，還會影響給定脈沖的整個返回波形！
第一表面（例如，FMCW激光雷達安裝在擋風玻璃后面或其它第一表面）：潛在更強的干擾源是由擋風玻璃或激光雷達系統其它第一表面引起的反射。就像發射光束連續不斷地反射一樣，相對于遠處的物體，反射將是連續非常強烈的，代表了一種類似的低頻分量，該低頻分量會在轉換后的數據中產生不良的FFT旁瓣，還可能會大大降低可用動態范圍。此外，擋風玻璃作為在機械應力下的多層玻璃，具有復雜的不均勻極化。這使返回到光電探測器的信號電場隨機化，提高了光學混合復雜度（去相干）。
最后，由于時域處理與頻域處理的性質不同，即使在高動態范圍的情況下，多回波處理在ToF系統也是直接完成的。而FMCW系統則需要非常明確的指示。多回波處理在處理煙霧、蒸汽和霧氣等掩蔽物時尤其重要。
主張5：FMCW激光雷達是汽車級的，又可靠又易于擴展
未經證實。
FMCW激光雷達聲稱具有以下優勢：憑借光子學和電信技術的成熟度，更容易達到更高性能（節省成本除外）。的確，FMCW激光雷達允許使用低成本的光電探測器（例如PIN），而ToF激光雷達通常使用雪崩光電二極管（APD）和其它更昂貴的探測器。
激光雷達元器件的供應鏈尚處于起步階段，但是諸如光纖激光器、PIN陣列接收器、模數轉換器（ADC）和現場可編程門陣列（FPGA）之類的元件已在各個行業應用多年。從基本的供應鏈角度來看，這些特定類型的元件風險非常低。相比之下，FMCW激光雷達系統的關鍵元件是普及率非常低的相位噪聲激光器，要求嚴格，沒有其他批量用戶幫助降低批量制造成本。
ToF激光雷達系統使用的光學元件是廣泛應用于商業系統（有線電視、電信、醫療儀器和其它行業）中常規元件的衍生產品。MEMS技術，幾乎存在于每輛汽車中的安全氣囊和壓力傳感器，以及軍事領域的Gatlin槍、導彈導引頭和激光諧振器Q開關等，現在也被用于激光雷達。FMCW系統中的元件已經存在于實驗室多年，但還沒出現批量生產系統完成其所需元件的制造，如頻率捷變長相干長度二極管激光器。
此外，ToF激光雷達所需的車規級元件（激光器、探測器、ASIC等）供應商相對較多。從歷史上看，一項突破性技術（例如FMCW激光源）必須付出十倍的功夫才能擁有強大的供應鏈。
可擴展性與成熟度直接相關。一種描述技術成熟度的方法由美國國家航空航天局（NASA）制定，稱為“技術就緒指數”（TRL）。該方案將技術成熟度分為9個等級，從技術萌芽狀態（TRL 1）到成功部署于多項任務（TRL 9）進行編號。這種編號方案并未說明從一個級別到另一個級別要進行多少工作，但是我們的經驗是，每個級別之間至少存在因子為10甚至100的差異。
對于ToF激光雷達，我們認為元件和系統處于TRL 8，而FMCW元件和系統則處于TRL 4。TRL數值上的差異需要多年才能趕上。FMCW系統可擴展性的主要缺點包括：由于激光啁啾脈沖展寬而導致的發射頻率低，以及處理回波所需的高速ADC和FPGA。如果需要更高的激光發射頻率，則需要部署光路和電子器件的并行通道?？墒褂脝屋S掃描MEMS，但構成了激光雷達系統的大部分成本，因此，通道翻倍幾乎使激光雷達的整體成本翻了一番。
激光器成本：在FMCW激光雷達系統中，相干長度由激光器的設計和制造方式決定，并且長度必須至少是最大探測距離的兩倍。通常，低相位噪聲激光器比傳統的二極管激光器價格高很多。相反，除了保持良好的脈沖形狀外，ToF激光雷達系統對激光器的其它要求不會高于電信應用。
接收器成本：盡管FMCW激光雷達所用探測器確實可以用相對低廉的PIN。但由于前端光學器件和后端電子器件的要求，接收器的整體成本很高。關于所需的接收器尺寸，同軸FMCW激光雷達系統和同軸ToF激光雷達系統的接收器成本不會出現明顯差異。但如果看接收器的總成本，ToF系統占優勢。
光學元件成本：在典型的ToF系統中，發生非相干探測（簡單的振幅峰值檢測），光學元件僅需在波長的四分之一（即λ/4）之內。相比之下，FMCW系統使用相干探測，所有光學表面都必須在更嚴格的公差范圍內，例如λ/20。這些元件可能非常昂貴，而且供應商也很少。
電子元件成本：AEye提供的ToF系統中，電子元件包括一顆高速ADC和一顆執行峰值檢測和距離計算的FPGA。電子器件的帶寬與距離分辨率成正比，對于常見的激光雷達系統要求，這些元件都非常普通。
FMCW對ADC轉換速率的要求是ToF系統的2~4倍，對FPGA的要求是能夠接收數據并進行超高速FFT轉換。即使使用ASIC，FMCW系統所需的處理系統復雜度（和成本）也是ToF系統的幾倍。
主張6：光學相控陣（OPA）可以彌補FMCW固態性能的不足
未經證實。
FMCW的TRL數值較低，而光學相控陣（OPA）的TRL數值更低（實驗性原理證明，大致相當于TRL 3），還無法為FMCW激光雷達大規模使用。最初的美國國防高級研究計劃局（DARPA）模塊化光學孔徑構建塊（MOABB）項目表明，要實現非常低的空間旁瓣發射波束操縱性能，必須使用亞微米（λ/2）波導。這么短的波導對元件的功耗處理能力要求很高，是限制該技術的基本因素。在接收端，將來自輸入透鏡的光耦合到光學襯底的想法也是光學性能的挑戰（光闌限制），光學襯底必須將光收集到一個非常小的波導中。
大多數OPA系統使用激光波長的熱位移來控制一維光束，使用OPA控制另一維光束。眾所周知，隨著激光束的頻移，相控陣光束操縱能力非常迅速地退化（產生空間旁瓣）。光束操縱機制依賴于恒定的光強和恒定的波長，而測距機制依賴于激光器的掃頻（波長），這種組合對于傳統的FMCW技術效果不佳。將FMCW技術與處于發展初期的OPA光束操縱技術相結合的想法，具有極大的風險。我們認為，這條道路可能還需要十年才能達到可用的成熟度。
結論
AEye認為，在成本、測距范圍、性能和點云質量很重要的前提下，激光發射頻率高、掃描快速的ToF系統比FMCW系統更能有效滿足自動駕駛汽車激光雷達的需求。
