[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在自動(dòng)駕駛環(huán)境感知技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程中，激光雷達(dá)始終處于核心位置。作為能夠提供高精度三維空間信息的關(guān)鍵傳感器，激光雷達(dá)的技術(shù)路徑也正從傳統(tǒng)脈沖式飛行時(shí)間（ToF）向調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）相干探測(cè)跨越。

雖然目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)商用激光雷達(dá)仍采用脈沖測(cè)距技術(shù)，但調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)因其可以直接測(cè)量瞬時(shí)速度、極高靈敏度以及天然的抗干擾優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界公認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全固態(tài)、芯片化感知的終極方案。

FMCW激光雷達(dá)有什么優(yōu)勢(shì)？

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)主要依賴飛行時(shí)間技術(shù)，其工作邏輯可以類(lèi)比為回聲定位。激光器發(fā)射一個(gè)極短的高能光脈沖，光束在空間中飛行并碰撞物體后反射，接收器計(jì)算發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，結(jié)合光速便可得出距離。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

這種方式直觀且技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低，但其本質(zhì)是基于光強(qiáng)度的直接探測(cè)，對(duì)光能的利用效率受限，且難以區(qū)分環(huán)境中的干擾光。

與之相對(duì)，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)則進(jìn)入了波動(dòng)的相位與頻率領(lǐng)域。它不再是發(fā)射孤立的脈沖，而是持續(xù)發(fā)射一束頻率隨時(shí)間線性變化的連續(xù)光波，這種波形被稱(chēng)為啁啾信號(hào)。

當(dāng)這束連續(xù)光遇到目標(biāo)并返回時(shí)，由于傳播過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)間延遲，回波信號(hào)的頻率會(huì)與當(dāng)前正在發(fā)射的激光頻率產(chǎn)生一個(gè)差值，這種頻率差與目標(biāo)距離成正比。

這種測(cè)量方式的核心技術(shù)在于相干探測(cè)，即在接收端將反射回來(lái)的微弱光信號(hào)與本地的一束參考光進(jìn)行疊加混合。這種混合過(guò)程會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生“拍頻”現(xiàn)象，即將極高頻率的光波干涉轉(zhuǎn)化為較低頻率的電信號(hào)，方便后端電路處理。

相干探測(cè)賦予了系統(tǒng)極高的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楸镜貐⒖脊馄鸬搅?a target="_blank">光學(xué)放大的作用，使得雷達(dá)能夠探測(cè)到功率極低的回波。這種機(jī)制讓調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)在僅使用毫瓦量級(jí)功率的情況下，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的遠(yuǎn)距離探測(cè)，遠(yuǎn)低于脈沖式雷達(dá)動(dòng)輒數(shù)百瓦的峰值功率需求。

調(diào)頻連續(xù)波示意圖，圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

除了距離，速度是調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的另一個(gè)關(guān)鍵維度提升。由于發(fā)射的是連續(xù)波，系統(tǒng)可以利用光的多普勒效應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)物體相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射光的頻率會(huì)發(fā)生偏移。通過(guò)分析啁啾信號(hào)在上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個(gè)拍頻信號(hào)，算法就可以同時(shí)解析出距離和物體的瞬時(shí)徑向速度。

這意味著激光雷達(dá)不再僅提供靜態(tài)的三維坐標(biāo)，而是輸出自帶速度矢量的“四維點(diǎn)云”。這種能力的提升對(duì)于自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以讓車(chē)輛在單幀時(shí)間內(nèi)識(shí)別出物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而不需要像傳統(tǒng)雷達(dá)那樣通過(guò)對(duì)比多幀圖像來(lái)計(jì)算位移，極大地縮短了緊急避障的反應(yīng)時(shí)間。

這種從“強(qiáng)度探測(cè)”到“相干探測(cè)”的轉(zhuǎn)變，讓感知邏輯的底層實(shí)現(xiàn)升級(jí)。在復(fù)雜的交通環(huán)境中，由于相干探測(cè)器只對(duì)與本振光頻率完全匹配的信號(hào)有響應(yīng)，外界的太陽(yáng)光或附近其他車(chē)輛發(fā)射的亂序光脈沖在系統(tǒng)眼中只是無(wú)法形成干涉的背景底噪。這種天然的抗干擾特性，解決了大規(guī)模自動(dòng)駕駛車(chē)輛普及后，激光雷達(dá)之間可能出現(xiàn)的信號(hào)互擾難題。

FMCW激光雷達(dá)有什么挑戰(zhàn)？

從前面可以知道調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)相較于傳統(tǒng)脈沖式激光雷達(dá)非常有優(yōu)勢(shì)，那為什么到現(xiàn)在還沒(méi)有大量普及？

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)首先就是對(duì)光源（激光器）有極致要求。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)要求激光器具有超窄的線寬，一般需要達(dá)到千赫茲甚至更低級(jí)別。線寬代表了激光頻率的純度，如果激光器輸出的頻率本身存在劇烈抖動(dòng)，產(chǎn)生的相位噪聲會(huì)直接淹沒(méi)拍頻信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)距精度大幅下降，甚至無(wú)法在長(zhǎng)距離上維持相干性。

目前主流的半導(dǎo)體激光器很難在保持足夠輸出功率的同時(shí)，長(zhǎng)期維持如此高的頻率穩(wěn)定性，這就需要引入復(fù)雜的外部諧振腔或特定的反饋控制機(jī)制。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

頻率掃描的線性度是調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)普及的另一大阻礙。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)工作的物理基礎(chǔ)是頻率隨時(shí)間呈完美的線性增長(zhǎng)。然而在實(shí)際工程中，激光器在調(diào)制過(guò)程中會(huì)因?yàn)檩d流子濃度變化、溫度波動(dòng)以及壓電效應(yīng)的滯后性，產(chǎn)生非線性的頻率漂移。

即便這種非線性只有微小的百分比，也會(huì)導(dǎo)致傅里葉變換后的拍頻信號(hào)發(fā)生展寬和變形，這將使得雷達(dá)的分辨率從厘米級(jí)惡化到分米級(jí)。為了糾正這種偏差，必須引入極其復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如光電鎖相環(huán)（OPLL）或者預(yù)失真校正電流等。這些手段雖然能提升性能，但同時(shí)也推高了系統(tǒng)的計(jì)算功耗和硬件成本。

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)最終要實(shí)現(xiàn)的是硅光集成。這意味著需要將激光源、調(diào)制器、光波導(dǎo)、移相器以及探測(cè)器等數(shù)十個(gè)精密光學(xué)元件，集成在一顆指甲蓋大小的硅芯片上。

雖然硅基光電子技術(shù)已經(jīng)在光通信領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但車(chē)載環(huán)境對(duì)光功率、探測(cè)距離以及工作溫度范圍的要求遠(yuǎn)比數(shù)據(jù)中心苛刻。硅本身并不是良好的發(fā)光材料，激光源就需要使用銦磷（InGaAsP）等化合物半導(dǎo)體，如何將這些異質(zhì)材料與硅襯底進(jìn)行低損耗的異質(zhì)集成，是當(dāng)前半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的難題。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

此外，激光在芯片內(nèi)部傳輸時(shí)也會(huì)遭遇波導(dǎo)損耗，從芯片發(fā)射到自由空間時(shí)又會(huì)面臨耦合挑戰(zhàn)，這些都會(huì)削弱最終的探測(cè)距離。

除了光電層面的挑戰(zhàn)，后端的數(shù)據(jù)處理同樣面臨巨大的計(jì)算壓力。相干探測(cè)生成的拍頻信號(hào)需要進(jìn)行高頻采樣并實(shí)時(shí)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），以提取距離和速度信息。

相比于脈沖式雷達(dá)簡(jiǎn)單的計(jì)時(shí)邏輯，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理量要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在車(chē)載緊湊的空間和嚴(yán)格的功耗指標(biāo)下，如何設(shè)計(jì)高效的專(zhuān)用集成電路（ASIC）來(lái)完成這些海量運(yùn)算，是必須跨越的門(mén)檻。

FMCW激光雷達(dá)商業(yè)化阻礙

調(diào)頻連續(xù)波雖然是激光雷達(dá)的未來(lái)，但在商業(yè)化進(jìn)程中也有很多問(wèn)題需要解決。目前自動(dòng)駕駛行業(yè)呈現(xiàn)著一種有趣的分化，如Aeva和SiLC等新興的科技企業(yè)堅(jiān)定地推動(dòng)4D相干探測(cè)的芯片化，而一些老牌玩家或芯片巨頭則在進(jìn)行更為審慎的權(quán)衡。

在當(dāng)前的量產(chǎn)車(chē)市場(chǎng)，絕大多數(shù)L2+級(jí)別的輔助駕駛系統(tǒng)更看重傳感器的成本和成熟度。905納米的脈沖式雷達(dá)憑借完善的供應(yīng)鏈和低廉的硅探測(cè)器成本，依然占據(jù)著統(tǒng)治地位。

Mobileye在2024年底決定終止內(nèi)部調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的研發(fā)，是這一產(chǎn)業(yè)博弈中的標(biāo)志性事件。作為自動(dòng)駕駛感知領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，Mobileye認(rèn)為其計(jì)算機(jī)視覺(jué)感知能力的提升超乎預(yù)期，結(jié)合自研的成像雷達(dá)已經(jīng)能提供足夠的速度維度信息。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

在他們看來(lái)，第三方飛行時(shí)間雷達(dá)的價(jià)格下降極快，在商業(yè)邏輯上已經(jīng)覆蓋了當(dāng)前乘用車(chē)市場(chǎng)的感知需求，而持續(xù)投入巨資研發(fā)尚不成熟的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，其邊際收益在短期內(nèi)并不顯著。從這一點(diǎn)也可以看出，技術(shù)優(yōu)越性在商業(yè)落地面前必須服從于成本收益曲線和產(chǎn)品上市周期。

當(dāng)然，這并不意味著調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)路線的終結(jié)。在重型貨運(yùn)卡車(chē)、無(wú)人接駁車(chē)以及更高級(jí)別的L4級(jí)機(jī)器人出租車(chē)（Robotaxi）領(lǐng)域，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)依然無(wú)可替代。

重型卡車(chē)在高速公路行駛時(shí)需要超過(guò)300米的精準(zhǔn)探測(cè)距離，且對(duì)速度的變化極其敏感，這正是調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的用武之地。同時(shí)，隨著硅光集成工藝的不斷突破，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)有望通過(guò)芯片化實(shí)現(xiàn)跳躍式的降本。一旦單顆芯片能夠集成掃描、測(cè)距與處理全流程，其成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生質(zhì)變，從而反過(guò)來(lái)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式或半固態(tài)脈沖雷達(dá)形成市場(chǎng)沖擊。

最后的話

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)是一項(xiàng)上限極高且下限也極難的技術(shù)。它利用光的波動(dòng)屬性，在感知系統(tǒng)中引入了前所未有的相干維度，為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供了類(lèi)似于生物視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)融合的深度感知力。雖然目前它存在很多的問(wèn)題需要解決，但隨著自動(dòng)駕駛算法對(duì)高確定性感知數(shù)據(jù)需求的日益增加，以及光子集成電路制造技術(shù)的成熟，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)終將從昂貴的實(shí)驗(yàn)室方案演變?yōu)榇蟊娤M(fèi)車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，重塑道路安全的感知邊界。

審核編輯 黃宇