近兩年來(lái)媒體報(bào)道似乎給公眾傳遞一種訊息：調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)（LiDAR）優(yōu)于飛行時(shí)間法（ToF）激光雷達(dá)，是未來(lái)激光雷達(dá)的終極技術(shù)路線。

本文對(duì)當(dāng)前業(yè)界關(guān)于ToF系統(tǒng)與FMCW系統(tǒng)的主張進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)比較。希望這有助于從業(yè)者理解激光雷達(dá)系統(tǒng)的取舍，從而激發(fā)更有利的知情討論、競(jìng)爭(zhēng)，最終促進(jìn)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛的ToF激光雷達(dá)和FMCW激光雷達(dá)的共同進(jìn)步。

主張1：FMCW是一項(xiàng)（全新的）革命性技術(shù)

這不是事實(shí)。

事實(shí)恰恰相反，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，它起源于二十世紀(jì)六十年代麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室，也就是在激光器發(fā)明七年后誕生。不幸的是，多年來(lái)我們從FMCW技術(shù)中學(xué)到的許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)卻未被應(yīng)用于公共領(lǐng)域，早已被人們遺忘。近年來(lái)看到的變化就是長(zhǎng)相干長(zhǎng)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(hào)增益，合理地激發(fā)人們對(duì)既有技術(shù)的興趣，但是要使這種激光雷達(dá)適用于自動(dòng)駕駛汽車，仍然必須解決一些過(guò)去就已有定論的“病根”。如果無(wú)法解決，那么聲稱“全新”FMCW激光雷達(dá)能收集到遠(yuǎn)距離、小尺寸物體的數(shù)據(jù)信息并經(jīng)濟(jì)有效地解決汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，這種說(shuō)法將被證實(shí)是不正確的。

主張2：FMCW激光雷達(dá)能更快地探測(cè)/跟蹤更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)

未經(jīng)證實(shí)。

ToF激光雷達(dá)可以提供非常高的激光發(fā)射頻率（shot rate），以AEye公司的ToF系統(tǒng)為例，每秒可發(fā)射幾百萬(wàn)次，掃描速度快，返回速度更快，感興趣區(qū)域（ROI）密度高。與其它激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，效率提高2~4倍。相比之下，許多低復(fù)雜度的激光雷達(dá)每秒只能發(fā)射數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)次（慢50倍）。因此，從本質(zhì)上講，我們是將納秒級(jí)停留時(shí)間（dwell time）、高重復(fù)率與數(shù)十微秒級(jí)停留時(shí)間和低重復(fù)率（每對(duì)激光器/接收端）進(jìn)行比較。

激光發(fā)射頻率會(huì)嚴(yán)重影響激光雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離物體的探測(cè)、采集（分類）和跟蹤，這是因?yàn)楦叩募す獍l(fā)射頻率（空間和/或時(shí)間）可提供更多信息，從而更快地探測(cè)到物體，并更好地過(guò)濾噪聲。AEye曾展示了一種能夠?qū)Φ头瓷渎饰矬w進(jìn)行多點(diǎn)探測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)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(nèi)的3級(jí)卡車。這充分證明了ToF技術(shù)的測(cè)距能力。實(shí)際上，幾乎所有的激光測(cè)距儀都利用ToF技術(shù)而非FMCW技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量（例如Voxtel公司提供的測(cè)距儀，一些產(chǎn)品具有超過(guò)10千米的最大探測(cè)距離）。盡管最近有文章聲稱FMCW技術(shù)的探測(cè)距離更遠(yuǎn)，但我們還沒有看到可以與先進(jìn)ToF系統(tǒng)探測(cè)距離相當(dāng)?shù)腇MCW系統(tǒng)。

主張3：FMCW更準(zhǔn)確有效地提供速度和距離信息

這是誤導(dǎo)。

ToF激光雷達(dá)確實(shí)需要多次發(fā)射激光以確定目標(biāo)物體的速度。與FMCW激光雷達(dá)所稱的單次激光發(fā)射相比，這似乎是額外的“開銷”。更重要的是，并非所有速度測(cè)量意義都是相同的。盡管兩輛汽車正面行駛時(shí)的徑向速度是非常重要的（原因之一：激光雷達(dá)對(duì)最大探測(cè)距離參數(shù)的要求是越大越好），其實(shí)橫向速度也很重要，因?yàn)闄M向速度引起的緊急情況占90%以上。闖紅燈的汽車、轉(zhuǎn)向的車輛、闖入街道的行人，都需要橫向速度才能做出規(guī)避危險(xiǎn)的決策。FMCW激光雷達(dá)不能一次性同時(shí)測(cè)量橫向速度，在橫向速度測(cè)量方面要超越ToF激光雷達(dá)并不容易。

假設(shè)有一輛汽車以30~40米/秒的速度行駛時(shí)被激光探測(cè)到。如果在短時(shí)間內(nèi)第二次發(fā)射激光，例如在第一次發(fā)射后50微秒，則目標(biāo)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)僅移動(dòng)了約1.75毫米。為了建立具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的速度，目標(biāo)應(yīng)該移動(dòng)至少2厘米，大約需要500微秒，同時(shí)需要足夠的信噪比（SNR）才能對(duì)距離樣本進(jìn)行插值。通過(guò)第二次測(cè)量，在與幀速率相比可忽略的時(shí)間范圍內(nèi)建立統(tǒng)計(jì)顯著的距離和速度。以AEye開發(fā)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(shí)間段內(nèi)向目標(biāo)多次發(fā)射激光。在對(duì)原始目標(biāo)反饋高置信度速度測(cè)量值之前，可以巧妙地利用時(shí)間查看其它區(qū)域或目標(biāo)。而FMCW激光雷達(dá)在其整個(gè)停留時(shí)間內(nèi)都只能專用于速度測(cè)量，成為這個(gè)測(cè)量項(xiàng)的“俘虜”。

要解決上述問(wèn)題，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)通常至少需要兩次激光頻率掃描（向上、向下）以實(shí)現(xiàn)明確探測(cè)，向下掃描可以解決“距離+多普勒頻移”組合引起的模糊問(wèn)題。這使每次激光發(fā)射所需的停留時(shí)間增加了一倍，超出了上一段文字描述的時(shí)間。目標(biāo)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(dòng)與實(shí)際線性運(yùn)動(dòng)區(qū)別。同樣，談及橫向速度，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)系統(tǒng)根本不能像ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)那樣不進(jìn)行多位置估算就做到立即探測(cè)橫向速度，但又需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間。

在一種極端的ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)示例中，AEye演示了探測(cè)1千米處的物體。即使需要連續(xù)發(fā)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(xiàn)優(yōu)于對(duì)100米處物體一次發(fā)射的效果。

主張4：FMCW技術(shù)干擾較少