FM激光雷达的比较和设计权衡

许多作者将光束扫描技术作为比较的主轴。给定的产品是机械的、固态的、MEMS的、闪存的吗？对这种技术差异化的执着可能是早期市场推动者积极承诺提供超低成本固态扫描激光雷达的残余。这种对扫描技术的关注分散了对更基本问题的讨论：激光雷达如何测量距离？它可以测量速度吗？而且，假设芯片集集成是汽车批量可扩展性所必需的，那么一种方法在规模上相对于另一种方法有什么影响？

脉冲飞行时间或幅度调制的“AM”激光雷达系统依赖于直接检测反向散射的激光脉冲。脉冲激光源的成本和性能各不相同。灵敏的光电探测器通过将反射光功率直接转换为电信号来测量飞行时间。这种方法只对目标的范围敏感，而对其速度不敏感。它还受到有限动态范围的限制，这通常需要对接收器增益进行调制。对于明亮的目标，增益回调，对于暗目标，增益增加。最终，这种增益调整游戏会限制性能并产生图像伪像。

调频连续波，“FMCW”或“FM”激光雷达，使用不同的方法来测量距离。频率调制是从现代雷达系统中借用的一种测量技术。范围信息不是直接测量飞行的脉冲时间，而是在频域中编码。有多种方法可用于产生调频激光信号，其中许多方法非常适合低成本光子集成。这些传感器中使用的相干接收器具有许多其他优点，包括抗干扰性和高灵敏度，下面将更详细地讨论这些优势。

图中显示了支持 FM 激光雷达相干检测的基本干涉测量电路。

FM激光雷达使用相干检测来测量背面反射的电场，方法是将接收到的光与激光源的局部副本（本振（LO））光学结合。这种干涉测量过程在低成本、坚固的PIN光电二极管上产生电信号。与方向检测相反，这些信号与接收到的电场与LO的电场的乘积成正比。除了下面概述的优点外，这还导致高动态范围测量，因为相干激光雷达光电探测器信号缩放为背面反射信号功率的平方根。

在 AM 和 FM 激光雷达中，光电探测器都会生成用于分析的数据时间序列。在AM的情况下，可以及时连续分析时间序列，以挑选出返回的“光点”作为范围测量。在FM的情况下，必须在测量期间缓冲时间序列，然后进行分析。存储数百或数千个时域样本，然后通过快速傅里叶变换转换为频域。然后搜索频域以查找返回的“峰值”。

AM系统的检测器信号在对样品进行数字化以检测输入脉冲时进行串行分析。

在FMCW系统中，必须收集和缓冲时域样本。

FFT显示FMCW时域样本的频率成分。然后分析这种频域表示或“范围曲线”，以寻找指示目标范围和速度的峰值。

当来自任何激光雷达传感器（FM或AM）的激光束与移动物体相互作用时，目标和传感器之间的径向运动会在反射光上产生多普勒频移。AM激光雷达的直接接收器测量反射脉冲，但不知道波长的轻微变化。然而，在FM激光雷达的相干接收器中，这种多普勒频移表现为反射信号和LO之间的可测量频率差。因此，速度是结合点云中每个点的距离来测量的。这样可以更可靠地测量具有微秒级延迟的运动。AM激光雷达系统必须处理多个帧上的点云以推断运动。这会将噪声和延迟引入运动估计。如上所述，FM系统需要更多的前期信号处理，但数据产品上的后端处理较少，使其对感知有用。推理被交易为测量。

一组范围彩色点显示两个相邻的行人。红色较旧，绿色较新。

年龄彩色点的视角显示这些行人经过。行人的速度推导需要比较随时间变化的点以推断运动。

单个 FM 激光雷达帧的多普勒彩色点显示每个数据点上的行人速度。四肢和躯干运动被描绘出来。

激光雷达中的干扰效果包括太阳或其他背景照明源以及激光雷达到激光雷达的效果。虽然激光雷达到激光雷达的效果具有值得商榷的重要性，但阳光对激光雷达的影响不能仅仅作为一个“角落案例”被忽视。在阳光条件下，激光雷达的一致操作应被视为强制性的。然而，采用直接检测的激光雷达传感器在暴露于阳光下时会受到探测器噪声升高的影响。光学带通滤光片提供了一些缓解措施，但是，在广角和宽温度范围内的窄带操作具有挑战性。一些阳光总会到达光电探测器。在AM系统中，高增益光电探测器被设计成对光敏感。这凸显了太阳背景会提高光电二极管上的噪声并限制范围性能的问题。

在FM系统中，太阳背景可以到达光电探测器。然而，太阳辐射与LO不相干。因此，信号不会在目标RF频段内产生频率响应，以提取范围和速度测量值。相干检测过程可在阳光直射下实现稳定的性能，无需光学滤光片。作为类比，FM系统被“调谐”到一个非常窄的频率频道，并且不会“听到”其他广播电台。

如上所述，FM信号相当于反射信号和LO电场的乘积。因此，更强的LO将产生更强的FM信号。该过程是光学放大的一种形式。这种能力的极限是由光电探测器上的LO驱动的“散粒噪声”或“量子涨落”。散粒噪声限制性能对单光子敏感。这在上述干扰抑制能力的背景下非常重要。高灵敏度和高选择性可实现长距离性能和非常低的光发射功率。由于高光功率，甚至高峰值功率，对光子集成电路都是危险的，因此低功耗功能可实现FM激光雷达的芯片级集成。脉冲激光雷达系统，尤其是1550nm的激光雷达系统，有时会利用较大的光学发射功率，在面对太阳干扰时实现远距离性能。这种功率是由昂贵的激光放大器产生的，这些放大器没有明显的芯片级等效物。相比之下，FM激光雷达利用可以以半导体格式产生的发射光功率。

相干检测的“魔力”早已在国防部圈子中得到认可。然而，几十年来，密集的信号处理将实际应用限制在昂贵的国防程序或缓慢的离线应用中。所需的数据吞吐量和处理确实不平凡。然而，用于电信和雷达信号处理的FPGA的最新进展使低成本FM激光雷达能够用于自动驾驶感知。

每种激光雷达技术都面临挑战。但FM激光雷达的处理要求在AM系统的硬件挑战中，对于有界限的信号处理要求。用软件收益取代硬件痛苦是一种强大的技术范式。

审核编辑：郭婷