潮科技 | 这里有一份 FMCW 与 ToF 激光雷达技术比较待查收

恋迦 · 2020-07-31
FMCW v.s. ToF,孰强孰弱?

图 | MEMS

编者按:本文来自微信公众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询王懿,原文题目《FMCW激光雷达完胜ToF激光雷达,是真是假?细节分析来了!》,36氪经授权发布,略有删减。

据麦姆斯咨询报道,近两年来媒体报道似乎给公众传递一种讯息:调频连续波(FMCW)激光雷达(LiDAR)优于飞行时间法(ToF)激光雷达,是未来激光雷达的终极技术路线。

本文对当前业界关于ToF系统与FMCW系统的主张进行了详细的技术比较。希望这有助于从业者理解激光雷达系统的取舍,从而激发更有利的知情讨论、竞争,最终促进应用于自动驾驶的ToF激光雷达和FMCW激光雷达的共同进步。

主张1:FMCW是一项(全新的)革命性技术

这不是事实。

事实恰恰相反,FMCW激光雷达已经存在了很长时间,它起源于二十世纪六十年代麻省理工学院林肯实验室,也就是在激光器发明七年后诞生。不幸的是,多年来我们从FMCW技术中学到的许多经验教训却未被应用于公共领域,早已被人们遗忘。近年来看到的变化就是长相干长度激光器的使用普及率提高。

从理论上讲,它可以提供极高的信号增益,合理地激发人们对既有技术的兴趣,但是要使这种激光雷达适用于自动驾驶汽车,仍然必须解决一些过去就已有定论的“病根”。如果无法解决,那么声称“全新”FMCW激光雷达能收集到远距离、小尺寸物体的数据信息并经济有效地解决汽车行业面临的挑战,这种说法将被证实是不正确的。

主张2:FMCW激光雷达能更快地探测/跟踪更远距离的目标

未经证实。

ToF激光雷达可以提供非常高的激光发射频率(shot rate),以AEye公司的ToF系统为例,每秒可发射几百万次,扫描速度快,返回速度更快,感兴趣区域(ROI)密度高。与其它激光雷达系统相比,效率提高2~4倍。相比之下,许多低复杂度的激光雷达每秒只能发射数万到数十万次(慢50倍)。

因此,从本质上讲,我们是将纳秒级停留时间(dwell time)、高重复率与数十微秒级停留时间和低重复率(每对激光器/接收端)进行比较。

激光发射频率会严重影响激光雷达对远距离物体的探测、采集(分类)和跟踪,这是因为更高的激光发射频率(空间和/或时间)可提供更多信息,从而更快地探测到物体,并更好地过滤噪声。AEye曾展示了一种能够对低反射率物体进行多点探测的系统,对象包括:200米以外小型物体和行人、300米以外的车辆和1000米内的3级卡车。这充分证明了ToF技术的测距能力。

实际上,几乎所有的激光测距仪都利用ToF技术而非FMCW技术进行距离测量(例如Voxtel公司提供的测距仪,一些产品具有超过10千米的最大探测距离)。尽管最近有文章声称FMCW技术的探测距离更远,但我们还没有看到可以与先进ToF系统探测距离相当的FMCW系统。

主张3:FMCW更准确有效地提供速度和距离信息

这是误导。

ToF激光雷达确实需要多次发射激光以确定目标物体的速度。与FMCW激光雷达所称的单次激光发射相比,这似乎是额外的“开销”。更重要的是,并非所有速度测量意义都是相同的。

尽管两辆汽车正面行驶时的径向速度是非常重要的(原因之一:激光雷达对最大探测距离参数的要求是越大越好),其实横向速度也很重要,因为横向速度引起的紧急情况占90%以上。闯红灯的汽车、转向的车辆、闯入街道的行人,都需要横向速度才能做出规避危险的决策。FMCW激光雷达不能一次性同时测量横向速度,在横向速度测量方面要超越ToF激光雷达并不容易。

假设有一辆汽车以30~40米/秒的速度行驶时被激光探测到。如果在短时间内第二次发射激光,例如在第一次发射后50微秒,则目标在这个时间间隔内仅移动了约1.75毫米。为了建立具有统计学意义的速度,目标应该移动至少2厘米,大约需要500微秒,同时需要足够的信噪比(SNR)才能对距离样本进行插值。通过第二次测量,在与帧速率相比可忽略的时间范围内建立统计显著的距离和速度。以AEye开发的激光扫描仪为例,500微秒并不是专用于速度估算,可以在此时间段内向目标多次发射激光。在对原始目标反馈高置信度速度测量值之前,可以巧妙地利用时间查看其它区域或目标。而FMCW激光雷达在其整个停留时间内都只能专用于速度测量,成为这个测量项的“俘虏”。

要解决上述问题,FMCW激光雷达通常至少需要两次激光频率扫描(向上、向下)以实现明确探测,向下扫描可以解决“距离+多普勒频移”组合引起的模糊问题。这使每次激光发射所需的停留时间增加了一倍,超出了上一段文字描述的时间。目标在10微秒的位移量通常仅为0.5毫米。这种位移水平处于难以将振动与实际线性运动区别。同样,谈及横向速度,FMCW激光雷达系统根本不能像ToF激光雷达系统那样不进行多位置估算就做到立即探测横向速度,但又需要较长的停留时间。

在一种极端的ToF激光雷达系统示例中,AEye演示了探测1千米处的物体。即使需要连续发射两次才能获得1千米处物体的速度,也明显看出在常见20Hz帧频和典型车速的情况下,表现优于对100米处物体一次发射的效果。

主张4:FMCW技术干扰较少

事实恰恰相反!

在ToF系统和FMCW系统中都会出现伪影。这可能包括反射器异常,例如“光环”、“壳”、第一表面反射(在挡风玻璃后发生甚至更糟)、离轴空间旁瓣、多路径和杂波。决定激光雷达性能的关键在于在空间域(良好的光学器件)和波形时域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系统在空间行为上具有可比性,但是当存在高对比度目标时,FMCW真正遭受的损失来自于波形时域。

杂波:FMCW系统依靠基于窗函数的旁瓣抑制来解决自干扰(杂波),该干扰远不如没有旁瓣的ToF系统健壮。为了提供背景信息,一束10微秒的FMCW脉冲可以在1.5公里范围内径向传播。在此范围内,任何对象都将陷入快速傅里叶变换(时间)旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脉冲也可能会被150米外的高强度杂波破坏。第一个矩形窗口快速傅里叶变换(FFT)的旁瓣是大家所知的-13dB,远高于获得优质点云所需要的水平。

当然,可以采用更深的旁瓣锥度,但是会牺牲脉冲展宽。此外,接收机前端的非线性(所谓无寄生动态范围)将限制整体系统能达到的有效旁瓣水平,这是由于:压缩和模数转换(ADC)杂散(三阶截距)、相位噪声和大气相位调制等,这些都无法减轻窗口锥度。航空航天和国防系统当然可以克服这些限制,但用于汽车的系统成本相对低,也必须能够在超过100db的动态范围内从近距离后向反射镜中分拣出远距离小物体,这在FMCW系统中会出现。

相比之下,典型的高斯ToF系统在2纳秒的脉冲持续时间下,除了脉冲持续时间本身产生的几厘米以外,没有任何基于时间的旁瓣。当捕获小目标时,小偏移和大偏移回波之间的动态范围都不会对入射到光电探测器上的光产生任何影响。我们邀请激光雷达系统评估人员亲自检查ToF激光雷达与FMCW激光雷达在不同驾驶条件下的点云质量。FMCW激光雷达系统中大量潜在的旁瓣会导致伪影,这些伪影不仅会影响局部距离样本,还会影响给定脉冲的整个返回波形!

第一表面(例如,FMCW激光雷达安装在挡风玻璃后面或其它第一表面):潜在更强的干扰源是由挡风玻璃或激光雷达系统其它第一表面引起的反射。就像发射光束连续不断地反射一样,相对于远处的物体,反射将是连续非常强烈的,代表了一种类似的低频分量,该低频分量会在转换后的数据中产生不良的FFT旁瓣,还可能会大大降低可用动态范围。此外,挡风玻璃作为在机械应力下的多层玻璃,具有复杂的不均匀极化。这使返回到光电探测器的信号电场随机化,提高了光学混合复杂度(去相干)。

最后,由于时域处理与频域处理的性质不同,即使在高动态范围的情况下,多回波处理在ToF系统也是直接完成的。而FMCW系统则需要非常明确的指示。多回波处理在处理烟雾、蒸汽和雾气等掩蔽物时尤其重要。

主张5:FMCW激光雷达是汽车级的,又可靠又易于扩展

未经证实。

FMCW激光雷达声称具有以下优势:凭借光子学和电信技术的成熟度,更容易达到更高性能(节省成本除外)。的确,FMCW激光雷达允许使用低成本的光电探测器(例如PIN),而ToF激光雷达通常使用雪崩光电二极管(APD)和其它更昂贵的探测器。

激光雷达元器件的供应链尚处于起步阶段,但是诸如光纤激光器、PIN阵列接收器、模数转换器(ADC)和现场可编程门阵列(FPGA)之类的元件已在各个行业应用多年。从基本的供应链角度来看,这些特定类型的元件风险非常低。相比之下,FMCW激光雷达系统的关键元件是普及率非常低的相位噪声激光器,要求严格,没有其他批量用户帮助降低批量制造成本。

ToF激光雷达系统使用的光学元件是广泛应用于商业系统(有线电视、电信、医疗仪器和其它行业)中常规元件的衍生产品。MEMS技术,几乎存在于每辆汽车中的安全气囊和压力传感器,以及军事领域的Gatlin枪、导弹导引头和激光谐振器Q开关等,现在也被用于激光雷达。FMCW系统中的元件已经存在于实验室多年,但还没出现批量生产系统完成其所需元件的制造,如频率捷变长相干长度二极管激光器。

此外,ToF激光雷达所需的车规级元件(激光器、探测器、ASIC等)供应商相对较多。从历史上看,一项突破性技术(例如FMCW激光源)必须付出十倍的功夫才能拥有强大的供应链。

可扩展性与成熟度直接相关。一种描述技术成熟度的方法由美国国家航空航天局(NASA)制定,称为“技术就绪指数”(TRL)。该方案将技术成熟度分为9个等级,从技术萌芽状态(TRL 1)到成功部署于多项任务(TRL 9)进行编号。这种编号方案并未说明从一个级别到另一个级别要进行多少工作,但是我们的经验是,每个级别之间至少存在因子为10甚至100的差异。

对于ToF激光雷达,我们认为元件和系统处于TRL 8,而FMCW元件和系统则处于TRL 4。TRL数值上的差异需要多年才能赶上。FMCW系统可扩展性的主要缺点包括:由于激光啁啾脉冲展宽而导致的发射频率低,以及处理回波所需的高速ADC和FPGA。如果需要更高的激光发射频率,则需要部署光路和电子器件的并行通道。可使用单轴扫描MEMS,但构成了激光雷达系统的大部分成本,因此,通道翻倍几乎使激光雷达的整体成本翻了一番。

激光器成本:在FMCW激光雷达系统中,相干长度由激光器的设计和制造方式决定,并且长度必须至少是最大探测距离的两倍。通常,低相位噪声激光器比传统的二极管激光器价格高很多。相反,除了保持良好的脉冲形状外,ToF激光雷达系统对激光器的其它要求不会高于电信应用。

接收器成本:尽管FMCW激光雷达所用探测器确实可以用相对低廉的PIN。但由于前端光学器件和后端电子器件的要求,接收器的整体成本很高。关于所需的接收器尺寸,同轴FMCW激光雷达系统和同轴ToF激光雷达系统的接收器成本不会出现明显差异。但如果看接收器的总成本,ToF系统占优势。

光学元件成本:在典型的ToF系统中,发生非相干探测(简单的振幅峰值检测),光学元件仅需在波长的四分之一(即λ/4)之内。相比之下,FMCW系统使用相干探测,所有光学表面都必须在更严格的公差范围内,例如λ/20。这些元件可能非常昂贵,而且供应商也很少。

电子元件成本:AEye提供的ToF系统中,电子元件包括一颗高速ADC和一颗执行峰值检测和距离计算的FPGA。电子器件的带宽与距离分辨率成正比,对于常见的激光雷达系统要求,这些元件都非常普通。

FMCW对ADC转换速率的要求是ToF系统的2~4倍,对FPGA的要求是能够接收数据并进行超高速FFT转换。即使使用ASIC,FMCW系统所需的处理系统复杂度(和成本)也是ToF系统的几倍。

主张6:光学相控阵(OPA)可以弥补FMCW固态性能的不足

未经证实。

FMCW的TRL数值较低,而光学相控阵(OPA)的TRL数值更低(实验性原理证明,大致相当于TRL 3),还无法为FMCW激光雷达大规模使用。最初的美国国防高级研究计划局(DARPA)模块化光学孔径构建块(MOABB)项目表明,要实现非常低的空间旁瓣发射波束操纵性能,必须使用亚微米(λ/2)波导。这么短的波导对元件的功耗处理能力要求很高,是限制该技术的基本因素。在接收端,将来自输入透镜的光耦合到光学衬底的想法也是光学性能的挑战(光阑限制),光学衬底必须将光收集到一个非常小的波导中。

大多数OPA系统使用激光波长的热位移来控制一维光束,使用OPA控制另一维光束。众所周知,随着激光束的频移,相控阵光束操纵能力非常迅速地退化(产生空间旁瓣)。光束操纵机制依赖于恒定的光强和恒定的波长,而测距机制依赖于激光器的扫频(波长),这种组合对于传统的FMCW技术效果不佳。将FMCW技术与处于发展初期的OPA光束操纵技术相结合的想法,具有极大的风险。我们认为,这条道路可能还需要十年才能达到可用的成熟度。

结论

AEye认为,在成本、测距范围、性能和点云质量很重要的前提下,激光发射频率高、扫描快速的ToF系统比FMCW系统更能有效满足自动驾驶汽车激光雷达的需求。


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