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

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

FMCW激光雷達有什么優(yōu)勢？

傳統(tǒng)的激光雷達主要依賴飛行時間技術(shù)，其工作邏輯可以類比為回聲定位。激光器發(fā)射一個極短的高能光脈沖，光束在空間中飛行并碰撞物體后反射，接收器計算發(fā)射與接收之間的時間差，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)門檻相對較低，但其本質(zhì)是基于光強度的直接探測，對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，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達則進入了波動的相位與頻率領(lǐng)域。它不再是發(fā)射孤立的脈沖，而是持續(xù)發(fā)射一束頻率隨時間線性變化的連續(xù)光波，這種波形被稱為啁啾信號。

當這束連續(xù)光遇到目標并返回時，由于傳播過程中產(chǎn)生的時間延遲，回波信號的頻率會與當前正在發(fā)射的激光頻率產(chǎn)生一個差值，這種頻率差與目標距離成正比。

這種測量方式的核心技術(shù)在于相干探測，即在接收端將反射回來的微弱光信號與本地的一束參考光進行疊加混合。這種混合過程會在探測器上產(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，方便后端電路處理。

相干探測賦予了系統(tǒng)極高的動態(tài)范圍，因為本地參考光起到了光學放大的作用，使得雷達能夠探測到功率極低的回波。這種機制讓調(diào)頻連續(xù)波激光雷達在僅使用毫瓦量級功率的情況下，就能實現(xiàn)數(shù)百米的遠距離探測，遠低于脈沖式雷達動輒數(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)波激光雷達的另一個關(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)。當目標物體相對于雷達運動時，反射光的頻率會發(fā)生偏移。通過分析啁啾信號在上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個拍頻信號，算法就可以同時解析出距離和物體的瞬時徑向速度。

這意味著激光雷達不再僅提供靜態(tài)的三維坐標，而是輸出自帶速度矢量的“四維點云”。這種能力的提升對于自動駕駛決策系統(tǒng)至關(guān)重要，它可以讓車輛在單幀時間內(nèi)識別出物體的運動狀態(tài)，而不需要像傳統(tǒng)雷達那樣通過對比多幀圖像來計算位移，極大地縮短了緊急避障的反應(yīng)時間。

這種從“強度探測”到“相干探測”的轉(zhuǎn)變，讓感知邏輯的底層實現(xiàn)升級。在復(fù)雜的交通環(huán)境中，由于相干探測器只對與本振光頻率完全匹配的信號有響應(yīng)，外界的太陽光或附近其他車輛發(fā)射的亂序光脈沖在系統(tǒng)眼中只是無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)模自動駕駛車輛普及后，激光雷達之間可能出現(xiàn)的信號互擾難題。

FMCW激光雷達有什么挑戰(zhàn)？

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

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達實現(xiàn)的難點首先就是對光源（激光器）有極致要求。調(diào)頻連續(xù)波雷達要求激光器具有超窄的線寬，一般需要達到千赫茲甚至更低級別。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，產(chǎn)生的相位噪聲會直接淹沒拍頻信號，導(dǎo)致測距精度大幅下降，甚至無法在長距離上維持相干性。

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，長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制。

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頻率掃描的線性度是調(diào)頻連續(xù)波激光雷達普及的另一大阻礙。調(diào)頻連續(xù)波雷達工作的物理基礎(chǔ)是頻率隨時間呈完美的線性增長。然而在實際工程中，激光器在調(diào)制過程中會因為載流子濃度變化、溫度波動以及壓電效應(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，也會導(dǎo)致傅里葉變換后的拍頻信號發(fā)生展寬和變形，這將使得雷達的分辨率從厘米級惡化到分米級。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，但同時也推高了系統(tǒng)的計算功耗和硬件成本。

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達最終要實現(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)、移相器以及探測器等數(shù)十個精密光學元件，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，但車載環(huán)境對光功率、探測距離以及工作溫度范圍的要求遠比數(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)材料與硅襯底進行低損耗的異質(zhì)集成，是當前半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的難題。

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

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算壓力。相干探測生成的拍頻信號需要進行高頻采樣并實時進行快速傅里葉變換（FFT），以提取距離和速度信息。

相比于脈沖式雷達簡單的計時邏輯，調(diào)頻連續(xù)波雷達的數(shù)據(jù)處理量要高出幾個數(shù)量級。在車載緊湊的空間和嚴格的功耗指標下，如何設(shè)計高效的專用集成電路（ASIC）來完成這些海量運算，是必須跨越的門檻。

FMCW激光雷達商業(yè)化阻礙

調(diào)頻連續(xù)波雖然是激光雷達的未來，但在商業(yè)化進程中也有很多問題需要解決。目前自動駕駛行業(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)堅定地推動4D相干探測的芯片化，而一些老牌玩家或芯片巨頭則在進行更為審慎的權(quán)衡。

在當前的量產(chǎn)車市場，絕大多數(shù)L2+級別的輔助駕駛系統(tǒng)更看重傳感器的成本和成熟度。905納米的脈沖式雷達憑借完善的供應(yīng)鏈和低廉的硅探測器成本，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)波激光雷達的研發(fā)，是這一產(chǎn)業(yè)博弈中的標志性事件。作為自動駕駛感知領(lǐng)域的領(lǐng)軍者，Mobileye認為其計算機視覺感知能力的提升超乎預(yù)期，結(jié)合自研的成像雷達已經(jīng)能提供足夠的速度維度信息。

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在他們看來，第三方飛行時間雷達的價格下降極快，在商業(yè)邏輯上已經(jīng)覆蓋了當前乘用車市場的感知需求，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。

當然，這并不意味著調(diào)頻連續(xù)波激光雷達路線的終結(jié)。在重型貨運卡車、無人接駁車以及更高級別的L4級機器人出租車（Robotaxi）領(lǐng)域，調(diào)頻連續(xù)波激光雷達的優(yōu)勢依然無可替代。

重型卡車在高速公路行駛時需要超過300米的精準探測距離，且對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，隨著硅光集成工藝的不斷突破，調(diào)頻連續(xù)波雷達有望通過芯片化實現(xiàn)跳躍式的降本。一旦單顆芯片能夠集成掃描、測距與處理全流程，其成本結(jié)構(gòu)將發(fā)生質(zhì)變，從而反過來對傳統(tǒng)機械式或半固態(tài)脈沖雷達形成市場沖擊。

最后的話

調(diào)頻連續(xù)波激光雷達是一項上限極高且下限也極難的技術(shù)。它利用光的波動屬性，在感知系統(tǒng)中引入了前所未有的相干維度，為自動駕駛車輛提供了類似于生物視覺與聽覺融合的深度感知力。雖然目前它存在很多的問題需要解決，但隨著自動駕駛算法對高確定性感知數(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)波激光雷達終將從昂貴的實驗室方案演變?yōu)榇蟊娤M車輛的標準配置，重塑道路安全的感知邊界。

審核編輯 黃宇