专栏名称: 智能车情报局

聚焦智能汽车关键技术与创新产品

激光雷达（五），测距方式之争

智能车情报局 · 公众号 · · 2024-03-08 18:38

正文

智猩猩和智东西发起主办的 2024中国生成式AI大会 将于 4月18-19日 在北京举办。主会场将进行开幕式、大模型专场、AI Infra专场和AIGC应用专场；分会场将进行具身智能技术研讨会、AI智能体技术研讨会和中国智算中心创新论坛。扫码报名，也可咨询。

接

测距方式是激光雷达更高维度的分类方式，针对其优缺点讨论更是络绎不绝。

按照测距方式不同，激光雷达主要分为飞行时间法（Time of Flight，ToF）与调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）法两类。

ToF法是目前量产激光雷达的绝大多数选择，FMCW法仅有极少数厂家可以提供量产产品。

ToF

在ToF方法中，激光器在短时间间隔内一个接一个地发射多个激光脉冲，如图1所示。

图1 ToF激光雷达激光脉冲

激光脉冲打到物体后返回，探测器检测到回波后，内部处理单元计算发送和接收之间时间差，并基于公式距离=光速x时间差来计算激光雷达与被测物体之间距离，测距原理如图2所示。

图2 ToF激光雷达测距原理图

FMCW

FMCW激光雷达虽然近两年才开始在自动驾驶领域走红，但它的身份其实是个60后，1967年诞生于麻省理工学院林肯实验室。

与ToF激光雷达发射脉冲激光束不同，FMCW激光雷达发射的是调频连续激光束，同时分成两束，一束留在本地作为本振光，一束发射出去。而通过相干检测的方式，测量回波信号与本振光之间由距离延时引入的调制频率差和相对速度引入的多普勒频率差，可以求出被测物体的距离与速度。

FMCW激光雷达常用的调频方式有三角波形式、锯齿波形式和正弦形式，如图3所示。周期T称为信号重复时间，频率的变化范围称为调制带宽B。

图3 FMCW激光雷达常用的三种调频方式

FMCW激光雷达可以根据测量目的不同，选择不同的调制方式。比如与被测物体之间多普勒效应可以忽略的场景，可以选用锯齿波调制方式，从而实现更大的探测距离。而如果想要实现同时测距和测速，且更容易解调出多普勒频移，三角波调制方式是个不错的选择，三角波调制方式也是车载FMCW激光雷达最常使用的方式。

下面我们以三角波调制方式为例，介绍FMCW激光雷达的测距和测速原理。

发射出去的调频连续激光束，在打到被测物体后，由于多普勒效应，会发生频率变化，假设被测物体正在朝远离激光雷达的方向运动，那么回波信号的频率将下降。由于多普勒效应导致回波信号与发射信号之间频率出现的差值称为多普勒频移fd，如图4所示。

图4 多普勒频移

此外，由于激光雷达和被测物体之间有一段距离，信号传输需要一定时间，因此存在因距离延时引入的调制频率差fr，如图5所示。

图5 调制频率差

当多普勒效应遇上距离延时，两种作用叠加在一起，就变成图6所示的效果。

图6 多普勒效应遇上距离延时综合作用

由图6可以看出，在频率上升沿t1时刻产生的频率差为Δf1=fr+fd，在频率下降沿t1时刻产生的频率差为Δf2=fr-fd，联立方程组即可求出fr和fd。

对于发射信号来说，其频率变化速率为2B/T，则距离延时用频率差除以频率变化速度即可求出。

有了距离延时，再乘以光速c，便可以求出与被测物体的距离R。

最后根据多普勒公式，还可以求出被测物体的速度。

对比

FMCW激光雷达被称为激光雷达领域皇冠上的明珠，与ToF类型激光雷达在以下性能上有着明显的区别。

（1）抗串扰及干扰能力

串扰可能来自其他车辆上的激光雷达、也可能来自自身车辆的其他其他激光雷达；干扰主要来自环境光。

ToF类型激光雷达发出去的激光脉冲和接收的激光脉冲，原本就是一束，波长一样的。将来如果有特别多的车装有激光雷达，行业标准一样，那么就很难识别是自己发射出去激光脉冲的回波，还是其他车激光雷达发射的激光脉冲。

解决这个问题常见的做法是对每一束激光脉冲进行单独编码，保证不同激光雷达发射的脉冲是不可重复的、不可变化的真随机发射脉冲序列，也就是每一束激光脉冲都是独一无二的。不过，编码会导致信噪比下降，进而牺牲测距能力。

此外，同一辆车上的两个相邻ToF类型激光雷达A和B，如果安装位置比较凑巧，激光雷达A发射的激光脉冲经过漫反射之后被激光雷达B接收。这个时候也存在较小的概率使激光雷达B无法分辨是自己发射的激光脉冲的回波还是旁边激光雷达A的回波。

对于此类问题，可以通过加装时钟同步模块，将同一辆车上的所有激光雷达的扫描动作与同一个时钟信号保持同步。在发射器发射一个激光脉冲后，在同步时钟的计算下，探测器延后一定时间进行接收，随后关闭。如果在此时间接收不到，则认为丢点。此方法能尽量避免相邻雷达激光脉冲漫反射的影响。

与此同时，ToF类型激光雷达，基于直接探测的原理，直接测量激光脉冲的回波信号，探测器本身不具备区别进入探测器的回波是自身发出激光脉冲的回波还是环境光。因此当激光雷达视窗直面阳光，如果处理得不好，很容易在激光点云中出现雪花一样的噪点。

如果对阳光更敏感的1550nm激光发射器开始大规模应用在ToF类型激光雷达后，这个问题将更加严重。这个问题可以从系统和算法两个层面去优化，系统层面可以通过各种滤波片来对抗干扰，也可以把焦距做得更长使其接触更少的阳光，但是将牺牲视场角；算法层面可以加入接收回波与发射脉冲的能量对比策略，忽略能量较小的阳光干扰。

而对于FMCW激光雷达，采用的是相干检测技术，回波信号会被本振光（激光器留在本地的一部分激光）放大，这个放大倍数是非常高的，放大后的信号处理起来就非常方便。而且，FMCW利用的是一个很窄频的激光器，频率在100kHz量级，相当于要在百万分之一纳米这么窄的一个光谱上跟自己做混频，其他跟这个频率不吻合的信号都会过滤掉，同频的情况只会发生在百万分之一纳米的范围内，在今后即使很多车辆都搭载激光雷达的状态下互扰的概率就非常低。

对于干扰，虽然环境光是广谱的光，但FMCW只会接收自己发出去频率相同或相近的光，FMCW激光雷达内置的光源的强度要比反射进来的阳光强度高至少三个数量级，因此，阳光对它的影响基本可以忽略不计。此外，FMCW激光雷达的滤波片很小很小（ToF激光雷达的滤波片带宽有20-30纳米，而FMCW激光雷达的滤波片带宽则在0.01纳米以内。），因此抗干扰能力很强。

（2）测速能力

FMCW基于多普勒效应，可以直接提供被测物体的实时速度信息。ToF虽然也可以输出速度信息，但需要多帧距离信息去求导，带来的延迟在一些场景下具有不可忽视的危害。

比如路边车门突然打开，下来一个人，俗称“开门杀”。ToF激光雷达则通常需要2-3秒才能识别出来，这个反应时间在紧急情况下，显然有点长了。而对于FMCW激光雷达来说，一帧就可以识别出来。

还有一个场景，就是“鬼探头”，车辆行驶过程中，前方行人突然从停着的车辆前出现，这个人的身体大部分都被车子挡住，只露了个头出来，但即使是这么小的一个头，FMCW也能马上识别。

（3）信噪比

信噪比（Signal-to-noise Ratio，SNR），指的是系统中信号与噪声的比。对于激光雷达来说，信噪比越高，意味着收到的回波信号中，有用成分越高，干扰分量越少。

上文已介绍，ToF激光雷达对其他激光雷达发出去的激光、环境光等都容易误识别为自己发射出去激光的回波，因而信噪比低。而FMCW激光雷达基于相干检测的方式，信噪比高3~4个数量级。

（4）远距离测量能力

探测距离更远，是FMCW激光雷达具有争议的一项能力。

对于一款250m@10%探测能力的1550nm激光雷达来说，不是说250m外10%的被测物体全都探测不到，而是指原本要返回100个点云，现在仅返回了1个点云，考虑到ToF激光雷达的信噪比，这样的点还是归类为噪点滤掉比较好。

而对于1550nm FMCW激光雷达来说，虽然仅返回了一个点云，但是此点云带有速度信息且考虑到FMCW激光雷达信噪比高，所以你是可以相信我这个点的。

这是FMCW可以不区分反射率达到500m探测能力的原因，但其实在我内心，仅凭一两个带速度信息的点就相信前面有物体，还是胆子大了一点。

（5）芯片化

芯片化被认为是激光雷达的终极产品形态，也是激光雷达厂商构筑起技术壁垒的护城河。在这一理想指引下，ToF激光雷达已经做了一些有益的尝试，比如部分厂商已经将激光器和探测器分别芯片化，但如何将光学部件及扫描模块也实现芯片化，是摆在行业面前的一道难题。

而FMCW激光雷达的最大的好处之一就是可以基于硅光技术实现集成，激光器、探测器、扫描模块不仅可以芯片化，还有可能设计成一个SOC，理想状态下甚至连光学部件也能实现芯片化，因此FMCW具有更彻底芯片化的潜质。

（6）成本

从长远来看，FMCW更彻底的芯片化潜质，在大规模出货后，将展现出巨大的成本优势。但在当前，无论是1550nm激光器、光学元器件还是电子元器件的高成本，都让FMCW激光雷达比ToF激光雷达更贵。

激光雷达（五），测距方式之争

正文

请到「今天看啥」查看全文