虹科激光雷达：飞行时间原理 vs FMCW原理

FMCW被视为激光雷达的规则改变者——但这项技术真的有潜力改变这个行业吗？FMCW已经在传感器中广泛应用了吗？为什么大多数激光雷达制造商更喜欢继续依赖飞行时间的原理？

无论是扫描、旋转还是闪烁技术，所有的激光雷达传感器都有一个共同点:通过光束探测周围环境。但是测量距离的原理不一样。两个最著名的原理是飞行时间原理(ToF)和调频连续波原理(FMCW)。

一、飞行时间原理:激光脉冲测距

飞行时间原理通过发射激光脉冲来测量传感器到物体的距离。激光脉冲是指在短时间间隔内一个接一个地发射多个准直光脉冲。它们被物体反射并被探测器再次收集。计算发射激光脉冲和接收激光脉冲所需的时间，得到传感器到物体的距离。

这个原理是最常用的测距方法。用这种方法测得的数据是高度可靠的。这可以通过廉价的激光源来实现。然而，ToF也有一些局限性。例如，为了探测更远的距离，激光准直超过最大值，高度准直脉冲的发射功率受到人眼安全规定的严格限制。有许多方法可以解决这个问题:例如，通过使用特别大的MEMS发射器反射镜(如红柯固态激光雷达中使用的MEMS反射镜)来定制激光雷达传感器的设计。这样，基于飞行时间原理的传感器也可以测量远处的物体，因此它仍然是许多激光雷达传感器制造商的首选。

飞行时间原理

二、备选脉冲激光测距方法:调频

为了避免高峰值激光脉冲带来的挑战，也可以发射连续的激光束。到物体的距离是通过频率调制来测量的。但是调频是什么意思呢？也就是说，发射的激光束被反复调制和“啁啾”，信号的频率一次又一次地变化。当激光束击中物体时，反射光的频率会发生变化，反射光会返回到探测器。与发射时的频率相比较，根据两个频率之差可以计算出物体的位置信息，数值与距离成正比。如果物体在运动，结合多普勒效应，可以计算出物体的速度。

FMCW原理

第三，测量速度

飞行时间原理可以测量物体迎面而来的速度，但没有FMCW那么直接。ToF原理只能用记录的数据点来测量传感器和物体之间的距离，所以物体的速度必须由多次测量的结果来计算。发射多个脉冲，根据物体与传感器的距离变化和脉冲频率变化可以计算出速度。

4.相干探测器和同轴传感器的设计

如果光是相干发射的，如在频率调制中，当然也必须连续检测。FMCW使用相干检测器，它非常灵敏，因为只需要过滤和记录特定发射的相干光。灵敏度的提高也意味着数据不受其他光线的影响。因此，FMCW具有良好的信噪比。并且即使微弱反射的物体也可以在更远的距离被探测到。但是飞行时间测量在这方面并不逊色。同轴设计使得仅捕获以与发射光完全相同的角度返回检测器的激光脉冲成为可能。通过这种设计，阳光和其他激光雷达传感器的信号被过滤掉。

五、飞行时间原理仍然是一种比较可靠的测量技术。

那么，FM测量的原理是不是更好呢？这个说法太笼统了。这两种方法各有利弊。但相对于FMCW来说，飞行时间在其成熟发展上有显著优势。飞行时间的原理已经成功地应用于激光雷达传感器很多年了。而FMCW还处于起步阶段。这种技术很复杂，目前还是很贵的，因为需要更高的激光光源。对于汽车工业来说，激光雷达传感器的价格是相对的……总的来说非常昂贵，工业化是当前的一个重要问题。所以，FMCW模块一定比目前的ToF激光探测器模块便宜很多，FMCW原理的应用也会更广泛。随着技术的发展，将FMCW集成在单个芯片上是可能的，从长远来看这是非常有吸引力的。毕竟除了价格之外，减小激光雷达的尺寸是所有激光雷达厂商都在努力的方向。

FMCW被视为激光雷达的规则改变者——但这项技术真的有潜力改变这个行业吗？FMCW已经在传感器中广泛应用了吗？为什么大多数激光雷达制造商更喜欢继续依赖飞行时间的原理？

无论是扫描、旋转还是闪烁技术，所有的激光雷达传感器都有一个共同点:通过光束探测周围环境。但是测量距离的原理不一样。两个最著名的原理是飞行时间原理(ToF)和调频连续波原理(FMCW)。

一、飞行时间原理:激光脉冲测距

飞行时间原理通过发射激光脉冲来测量传感器到物体的距离。激光脉冲是指在短时间间隔内一个接一个地发射多个准直光脉冲。它们被物体反射并被探测器再次收集。计算发射激光脉冲和接收激光脉冲所需的时间，得到传感器到物体的距离。

这个原理是最常用的测距方法。用这种方法测得的数据是高度可靠的。这可以通过廉价的激光源来实现。然而，ToF也有一些局限性。例如，为了探测更远的距离，激光准直超过最大值，高度准直脉冲的发射功率受到人眼安全规定的严格限制。有许多方法可以解决这个问题:例如，通过使用特别大的MEMS发射器反射镜(如红柯固态激光雷达中使用的MEMS反射镜)来定制激光雷达传感器的设计。这样，基于飞行时间原理的传感器也可以测量远处的物体，因此它仍然是许多激光雷达传感器制造商的首选。

飞行时间原理

二、备选脉冲激光测距方法:调频

为了避免高峰值激光脉冲带来的挑战，也可以发射连续的激光束。到物体的距离是通过频率调制来测量的。但是调频是什么意思呢？也就是说，发射的激光束被反复调制和“啁啾”，信号的频率一次又一次地变化。当激光束击中物体时，反射光的频率会发生变化，反射光会返回到探测器。与发射时的频率相比较，根据两个频率之差可以计算出物体的位置信息，数值与距离成正比。如果物体在运动，结合多普勒效应，可以计算出物体的速度。

FMCW原理

第三，测量速度

飞行时间原理可以测量物体迎面而来的速度，但没有FMCW那么直接。ToF原理只能用记录的数据点来测量传感器和物体之间的距离，所以物体的速度必须由多次测量的结果来计算。发射多个脉冲，根据物体与传感器的距离变化和脉冲频率变化可以计算出速度。

4.相干探测器和同轴传感器的设计

如果光是相干发射的，如在频率调制中，当然也必须连续检测。FMCW使用相干检测器，它非常灵敏，因为只需要过滤和记录特定发射的相干光。灵敏度的提高也意味着数据不受其他光线的影响。因此，FMCW具有良好的信噪比。并且即使微弱反射的物体也可以在更远的距离被探测到。但是飞行时间测量在这方面并不逊色。同轴设计使得仅捕获以与发射光完全相同的角度返回检测器的激光脉冲成为可能。通过这种设计，阳光和其他激光雷达传感器的信号被过滤掉。

五、飞行时间原理仍然是一种比较可靠的测量技术。

那么，是……FM测量原理比较好？这个说法太笼统了。这两种方法各有利弊。但相对于FMCW来说，飞行时间在其成熟发展上有显著优势。飞行时间的原理已经成功地应用于激光雷达传感器很多年了。而FMCW还处于起步阶段。这种技术很复杂，目前还是很贵的，因为需要更高的激光光源。对于汽车行业来说，激光雷达传感器整体价格比较贵，产业化是目前重要的问题。所以，FMCW模块一定比目前的ToF激光探测器模块便宜很多，FMCW原理的应用也会更广泛。随着技术的发展，将FMCW集成在单个芯片上是可能的，从长远来看这是非常有吸引力的。毕竟除了价格之外，减小激光雷达的尺寸是所有激光雷达厂商都在努力的方向。

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