近兩年來媒體報道似乎給公眾傳遞一種訊息：調頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達（LiDAR）優(yōu)于飛行時間法（ToF）激光雷達，是未來激光雷達的終極技術路線。
本文對當前業(yè)界關于ToF系統(tǒng)與FMCW系統(tǒng)的主張進行了詳細的技術比較。希望這有助于從業(yè)者理解激光雷達系統(tǒng)的取舍，從而激發(fā)更有利的知情討論、競爭，最終促進應用于自動駕駛的ToF激光雷達和FMCW激光雷達的共同進步。
主張1：FMCW是一項（全新的）革命性技術
這不是事實。
事實恰恰相反，FMCW激光雷達已經存在了很長時間，它起源于二十世紀六十年代麻省理工學院林肯實驗室，也就是在激光器發(fā)明七年后誕生。不幸的是，多年來我們從FMCW技術中學到的許多經驗教訓卻未被應用于公共領域，早已被人們遺忘。近年來看到的變化就是長相干長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增益，合理地激發(fā)人們對既有技術的興趣，但是要使這種激光雷達適用于自動駕駛汽車，仍然必須解決一些過去就已有定論的“病根”。如果無法解決，那么聲稱“全新”FMCW激光雷達能收集到遠距離、小尺寸物體的數據信息并經濟有效地解決汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，這種說法將被證實是不正確的。
主張2：FMCW激光雷達能更快地探測/跟蹤更遠距離的目標
未經證實。
ToF激光雷達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。與其它激光雷達系統(tǒng)相比，效率提高2~4倍。相比之下，許多低復雜度的激光雷達每秒只能發(fā)射數萬到數十萬次（慢50倍）。因此，從本質上講，我們是將納秒級停留時間（dwell time）、高重復率與數十微秒級停留時間和低重復率（每對激光器/接收端）進行比較。
激光發(fā)射頻率會嚴重影響激光雷達對遠距離物體的探測、采集（分類）和跟蹤，這是因為更高的激光發(fā)射頻率（空間和/或時間）可提供更多信息，從而更快地探測到物體，并更好地過濾噪聲。AEye曾展示了一種能夠對低反射率物體進行多點探測的系統(tǒng)，對象包括：200米以外小型物體和行人、300米以外的車輛和1000米內的3級卡車。這充分證明了ToF技術的測距能力。實際上，幾乎所有的激光測距儀都利用ToF技術而非FMCW技術進行距離測量（例如Voxtel公司提供的測距儀，一些產品具有超過10千米的最大探測距離）。盡管最近有文章聲稱FMCW技術的探測距離更遠，但我們還沒有看到可以與先進ToF系統(tǒng)探測距離相當的FMCW系統(tǒng)。
主張3：FMCW更準確有效地提供速度和距離信息
這是誤導。
ToF激光雷達確實需要多次發(fā)射激光以確定目標物體的速度。與FMCW激光雷達所稱的單次激光發(fā)射相比，這似乎是額外的“開銷”。更重要的是，并非所有速度測量意義都是相同的。盡管兩輛汽車正面行駛時的徑向速度是非常重要的（原因之一：激光雷達對最大探測距離參數的要求是越大越好），其實橫向速度也很重要，因為橫向速度引起的緊急情況占90%以上。闖紅燈的汽車、轉向的車輛、闖入街道的行人，都需要橫向速度才能做出規(guī)避危險的決策。FMCW激光雷達不能一次性同時測量橫向速度，在橫向速度測量方面要超越ToF激光雷達并不容易。
假設有一輛汽車以30~40米/秒的速度行駛時被激光探測到。如果在短時間內第二次發(fā)射激光，例如在第一次發(fā)射后50微秒，則目標在這個時間間隔內僅移動了約1.75毫米。為了建立具有統(tǒng)計學意義的速度，目標應該移動至少2厘米，大約需要500微秒，同時需要足夠的信噪比（SNR）才能對距離樣本進行插值。通過第二次測量，在與幀速率相比可忽略的時間范圍內建立統(tǒng)計顯著的距離和速度。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，可以在此時間段內向目標多次發(fā)射激光。在對原始目標反饋高置信度速度測量值之前，可以巧妙地利用時間查看其它區(qū)域或目標。而FMCW激光雷達在其整個停留時間內都只能專用于速度測量，成為這個測量項的“俘虜”。
要解決上述問題，FMCW激光雷達通常至少需要兩次激光頻率掃描（向上、向下）以實現明確探測，向下掃描可以解決“距離+多普勒頻移”組合引起的模糊問題。這使每次激光發(fā)射所需的停留時間增加了一倍，超出了上一段文字描述的時間。目標在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與實際線性運動區(qū)別。同樣，談及橫向速度，FMCW激光雷達系統(tǒng)根本不能像ToF激光雷達系統(tǒng)那樣不進行多位置估算就做到立即探測橫向速度，但又需要較長的停留時間。
在一種極端的ToF激光雷達系統(tǒng)示例中，AEye演示了探測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，表現優(yōu)于對100米處物體一次發(fā)射的效果。
主張4：FMCW技術干擾較少
