由iphone12說說鐳射雷達 FMCW鐳射雷達

iphone12這個亮點不在5G上面，畢竟國內的一些廠商早就已配備，也不在顏色，重點在於配備了一顆鐳射雷達！

先說一下這個鐳射雷達帶來的用途，最直接的就是能夠快速精準對焦，即使在晚上也能夠很好實現。另一個就是比較火的AR（擴增實境 ），通過LIDAR能夠測出這個現實中物體的大小尺寸，進而能夠很好的3D建模，當然待開發的應用還有很多很多，畢竟相當於賦予了手機一雙人的眼睛。

主要說一下這個蘋果12鐳射雷達的原理，鐳射源是使用 的VCSEL的晶片，發射光脈衝，基於dTOF測距的，dTOF和iTOF的區別可以看https://www.zhihu.com/question/347869345這篇文章，目前市場上存在的鐳射雷達大部分都是基於TOF原理，那麼為什麼不用FMCW（調頻連續波）這個技術呢？：FMCW的原理可以參考這個https://blog.csdn.net/qq_40624256/article/details/108897013

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目錄

FMCW與dTOF區別

FMCW鐳射雷達在市場上的發展

FMCW鐳射雷達核心技術及量產難點

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FMCW與dTOF區別

（http://www.mems.me/mems/system_integrator_201907/8355.html）

20世紀60年代鐳射雷達系統就出現了，最初鐳射雷達採用一種簡單的直接探測方法。發射一個短而明亮的鐳射脈衝，測量返回所需的時間，並轉換為距離資訊。這種方法也被稱為脈衝式（Pulsed）直接飛行時間法（dToF）鐳射雷達。不過，雷達迅速演進到使用相干探測方法，這種方法考慮了發射訊號的頻率和相位。相干雷達系統的最大優點是能夠檢測到回波訊號的小相位偏移，利用多普勒效應大大減少來自固定雜波或靜止物體訊號的影響。最新一代的汽車雷達以調頻連續波（FMCW）技術為基礎，作為提高發射效率、提高靈敏度和抗干擾能力的最佳調製

FMCW解決方案比當前脈衝式dToF鐳射雷達解決方案的峰值鐳射功率低四個數量級以上，在測量距離、瞬時速度、環境抑制、多使用者無干擾操作等方面優勢明顯。脈衝式dToF鐳射雷達發射一個非常窄的高功率鐳射脈衝，通過測量飛行時間來確認物體的距離。相比之下，FMCW鐳射雷達提供低功率的頻率啁啾，被測物體的距離和速度以頻移的形式得出。

 

 

缺乏廉價相干鐳射器和接收器以及相關的低成本晶片整合技術，造成了大多數商用鐳射雷達系統仍然是脈衝式dToF鐳射雷達的局面，也減緩了鐳射雷達向FMCW技術路線的演進速度。

脈衝式dToF和FMCW方法均能測量來自動物和衣物等物體高度漫射表面的反射。最終，鐳射雷達解決方案提供的測量範圍和能見度由系統的功率水平和訊雜比（SNR）決定。對脈衝式dToF鐳射雷達而言，決定最大測量範圍的訊雜比與峰值鐳射功率成正比。這需要將所有可用的光子壓縮成一道狹窄的（納秒級）明亮鐳射閃光。對於1550nm的鐳射，脈衝峰值鐳射功率可以高達幾千瓦。如此高的峰值功率，雖然對人類和大多數動物眼睛安全，但對影像感測器有害。

鐳射雷達的技術演進，必然會像雷達一樣採用相干探測方法。一些公司使用的鐳射頻率啁啾與雷達系統中已經使用的頻率啁啾類似，不是簡單的脈衝。這類相干鐳射雷達基於FMCW技術，得到更高的探測靈敏度和準確性，並解決了脈衝式dToF鐳射雷達的許多缺點，例如對背景輻射的抗擾能力差、多使用者干擾和缺少瞬時速度資訊。FMCW鐳射雷達的訊雜比與發射光子總數成正比，而不是與峰值鐳射功率成正比。此外，由於FMCW鐳射雷達的靈敏度高出脈衝式dToF鐳射雷達10倍，平均發射功率卻是脈衝鐳射雷達的十分之一。因此，FMCW鐳射雷達能夠以小於100mW的峰值鐳射功率發射週期較長的波形，以獲得與脈衝式dToF鐳射雷達相同的訊雜比，同時具有較低的功率。

Bastion Schwarz和兩位同事釋出的最新研究表明，峰值鐳射功率比鐳射功率平均值對CMOS（互補金氧半導體）和CCD（電荷耦合器件）感測器的危害更大。CMOS和CCD感測器的損傷閾值測定為10kW/mm²。由於攝像頭鏡頭可以進一步聚焦光線，因此將該值又降低了1萬倍，也就是1W的鐳射脈衝就可能對攝像頭造成損害。如果功率低於上述數值，那FMCW鐳射雷達對攝像頭和人眼來講更安全。

1550nm FMCW鐳射雷達系統在測量距離和瞬時速度兩個引數上具有優勢。相干探測的高訊雜比，加之1550nm波長的人眼安全性，意味著1550nm FMCW鐳射雷達在公路上行駛時，可以很容易探測到前方300米以外的輪胎或類似的低反射率物體。在極端天氣條件下，包括雷暴天氣，這一探測距離足夠讓以70英里/小時速度行駛的車輛有足夠的時間停車或變換車道。FMCW技術還可以通過多普勒效應即時測量物體速度。此功能非常重要，不僅因為它支援預測性分析和響應，還能夠從原始點雲資料中區分物件。

迄今為止，將FMCW解決方案推向市場的關鍵挑戰是所需的高效能元器件無法實現低成本、大批量製造。相干技術需要具有大相干長度（窄線寬）的鐳射器，才能在300米的探測距離內完美工作。FMCW解決方案還需要對光進行相干處理，以提取光子攜帶的附加資訊。這意味著需要非常精確的低噪聲光訊號處理（OSP）電路來構建相干接收器。此外，因為相干混合只對相同偏振的光子起作用，偏振也扮演著重要角色。鐳射器的波長穩定性和線性度在整個測量過程中至關重要；否則，訊雜比會顯著降低。

要製造出由此套光學系統定義的穩定、魯棒性強、精確的分立元器件既困難又昂貴。兩家初創公司Blackmore Sensors and Analytics Inc.（2019年5月被Aurora收購）和AEVA Inc.被兩家著名的德國汽車製造商選中，並獲得了大量資金，用於開發FMCW解決方案。現有的基於電信級元器件的系統成本約數萬美元。這種價格可能適用於全自動駕駛汽車，取代人類駕駛員並全天候執行，但無法被L3級或L4級ADAS（高階駕駛輔助系統）的主流乘用車所接受。業界都寄希望於半導體技術的進步最終能降低鐳射雷達的價格。

總而言之，FMCW解決方案比當前脈衝式dToF鐳射雷達解決方案的峰值鐳射功率低四個數量級以上，在測量距離、瞬時速度、環境抑制、多使用者無干擾操作等方面優勢明顯，同時具備整合完整鐳射雷達光學系統於一顆尺寸非常小的低成本矽光子晶片的潛力。上述優勢可以改變鐳射雷達的應用範圍，想象空間遠遠不至於自動駕駛汽車。

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FMCW鐳射雷達在市場上的發展

接下來我們將從時間線的先後解讀一下FMCW鐳射雷達在市場上的發展，以及最後分析一下為什麼目前主導鐳射雷達市場的是TOF而不是FMCW。

2018——————美國的矽光子學創業公司SiLC是一家基於矽光技術的整合4D視覺解決方案供應商，在2018年宣佈在單晶片上整合了1550nm調頻連續波（FMCW）鐳射雷達（LiDAR）功能。與當時基於905nm飛行時間（ToF）技術的LiDAR解決方案不同，該波長由於人眼安全問題而限制了探測範圍，同時受困於多使用者串擾的問題。利用相干探測技術可以實現低鐳射峰值功率，同時測量瞬時速度。這種技術未能獲得廣泛應用的主要因素是昂貴的電信級元件，如窄線寬鐳射器和相干接收器。市場上主攻FMCW LiDAR的代表性廠商有美國Blackmore和 Aeva公司。

2018.11————Bridger Photonics公司成立於2006年，總部位於蒙大拿州，專注於提供精密鐳射雷達（LiDAR）解決方案。11月完成了A輪融資，全球光學巨頭蔡司（ZEISS）是該輪融資的唯一投資方。

如上圖所示，來自頻率掃描或“啁啾（chirped）”的鐳射被分成兩部分；一部分（Tx）被髮射到被測目標、場景或物件；而另一部分（LO）留在本地，不會發射至被測目標。從被測目標（Rx）返回的光與LO干涉重組並進行探測，超越傳統鐳射雷達技術的FMCW方案，不僅可以高精度、低功耗地測量超過100米範圍物體的距離，而且，還能測量物體的相對速度。

2019.1————Insight LiDAR公司近日在拉斯維加斯舉辦的2019年消費電子展（CES）上正式推出了Digital Coherent LiDAR鐳射雷達產品，這是一款面向新興自動駕駛汽車市場的晶片級遠距離鐳射雷達（LiDAR）感測器。這款鐳射雷達基於調頻連續波（FMCW）技術。Insight LiDAR公司的FMCW鐳射雷達感測器能夠提供比飛行時間鐳射雷達高10~100倍的靈敏度，同時提供直接多普勒速度測量。鐳射雷達設計商早就知道FMCW探測技術的優勢，但關鍵的鐳射光源體積較大而且很昂貴，”Insight LiDAR公司開發和技術負責人Chris Wood博士補充說

2019.5 ————Aurora收購blackmore公司（Bridger Photonics子公司 ）

2019.10————據麥姆斯諮詢報導，位於美國加州的高效能中距離多模態人臉識別系統國防承包商和全球開發商StereoVision Imaging（SVI），正在大力擴充其創新的調頻連續波（FMCW）鐳射雷達（LiDAR）技術用於生物識別和自動駕駛等應用領域。

2019.11————韓國自動駕駛鐳射雷達（LiDAR）製造商INFOWORKS宣佈，其最新的3D掃描調頻連續波（FMCW）鐳射雷達Quantum系列近日首次在2019年北美物聯網技術展（IoT TECH EXPO）上公開亮相。

2019.12————美國單晶片整合調頻連續波（FMCW）鐳射雷達（LiDAR）解決方案供應商SiLC和創新型車輛外部照明系統及電子產品全球供應商Varroc Lighting Systems聯合宣佈，雙方將在即將開幕的2020年消費電子展（CES 2020）上展示量產汽車前照燈中的鐳射雷達無縫整合技術。Varroc Lighting Systems前照燈基於複雜的LED設計，應用了四顆SiLC的矽光子FMCW視覺晶片，使每個前照燈能夠提供完整的20 x 80度視場（FOV）。SiLC採用了1550 nm波長FMCW技術，SiLC的鐳射雷達視覺感測器可以檢測物體的高度、寬度、距離、反射率、速度以及光偏振，其相干干涉感測方案比現有其它方案的精度提高了幾個數量級。SiLC的4D +視覺晶片可以探測車輛周圍200米以外的低反射率物體，從而為車輛在高速行駛中提供足夠的響應時間來避開障礙物。

2019.12————近日宣佈達成了自動駕駛產業的一項重要里程碑：Aeries，即Aeva的下一代調頻連續波（FMCW）4D鐳射雷達系統，該系統將鐳射雷達感測器的所有關鍵元件整合於一顆微型光子晶片。這是汽車行業第一款結合大範圍探測效能及低成本優勢的鐳射雷達解決方案，將助推汽車自動駕駛技術的大規模應用。探測距離大於300米，批量價格低於500美元。Aeva的4D晶片鐳射雷達可以測量300米距離以外的物體，並能同時測量每個點的瞬時速度。Aeva鐳射雷達還不會受到其它感測器或太陽光的干擾，並且，其執行功耗僅為同效能其它產品的幾分之一，從而提供了自動駕駛要求的安全性和可擴充套件性。其它FMCW方案相比，Aeva的4D晶片鐳射雷達優勢還在於，後者可以獨特地為每個光束每秒提供數百萬個點，從而實現了迄今為止前所未有的超高保真度資料。

Aeva聯合創始人Mina Rezk說，“Aeva方案的差異化優勢在於，打破了最大探測距離和點雲密度之間的相依性，到目前為止，這一直是飛行時間（ToF）和FMCW鐳射雷達的障礙之一。我們的4D鐳射雷達將多個光束整合在一顆晶片上，每個光束都能夠獨特地在超過300米的距離每秒測量超過200萬個點。”大眾集團和保時捷投資公司力挺

2020.1———Insight LiDAR在2020年消費電子展（CES 2020）上釋出了面向新興自動駕駛（AV）市場的超高解析度、遠距離數字相干鐳射雷達（Digital Coherent LiDAR™）感測器

Insight數字相干鐳射雷達的主要特點：

■ 遠距離，對於10%反射率的物體，探測距離可達200米

■ 超高解析度，高達0.025°x 0.025°

■ 大視場，120°x 340°

■ 畫素級直接多普勒測速

■ 真正靈活的固態快軸掃描

■ 完全不受陽光和其他鐳射雷達的干擾

■ 低成本全半導體晶片方案

 

2020.1————北京光勺科技有限公司（簡稱：光勺科技）展示了調頻連續波（FMCW）鐳射雷達演示（Demo）及最新路測視訊。與Blackmore採用調頻FMCW技術不同，光勺科技的新制式FMCW鐳射雷達（Self-Homodyne Laser Radar）調製的不僅是鐳射光波的頻率，還包括相位，也就是使用了調相技術。該公司擁有相干檢測技術的核心專利，能夠實現4D鐳射點雲輸出。每一個輸出點雲中不僅包含距離資訊，同時能夠提取動態目標的多普勒彩色圖形資訊，這將有助於在自動駕駛中探測移動的目標，高效、自動輸出安全駕駛距離；同時能夠排除外界噪聲的干擾，提高對外界溫度、環境惡劣程度的容忍度。

這個賽道上，除了技術發展路線與光勺科技最相似的Blackmore，還有Strobe、Aeva和Bridger Photonics等專注於FMCW鐳射雷達的廠商。其中，Blackmore獲得了寶馬的風險投資，Strobe被通用汽車旗下的無人駕駛公司Cruise收購；而Aeva和Bridger Photonics分別獲得了豐田風險投資和德國蔡司的投資。不過，這些鐳射雷達廠商的產品都或多或少被市場上的頭部企業繫結了。比如，Blackmore的產品僅對Aurora發售，Aeva的樣機僅用於奧迪和保時捷。

2020.5————洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Tobias Kippenberg實驗室的研究人員找到了一種通過使用整合非線性光子電路來實現並行FMCW鐳射雷達引擎的新方法。他們將單個FMCW鐳射器耦合到氮化矽平面微型諧振器中，由於色散、非線性、腔體泵浦和損耗的雙重平衡，連續波鐳射被轉換為穩定的光脈衝序列。該研究已發表在《自然》（Nature）雜誌上。

2020.8————美國舊金山初創公司Pointcould與IC設計諮詢公司Opris Consulting、英國南安普頓大學（University of Southampton）的研究者共同開發了矽光子平臺上的通用型3D成像感測器，並將研究成果發表於Applied Physics，論文地址為：https://arxiv.org/abs/2008.02411。

2020.8————純固態晶片級鐳射雷達研發企業洛微科技（Luminwave）近日宣佈獲得數千萬元天使輪融資，由中科創星領投，峰瑞資本跟投。融資資金將主要用於基於矽光子的純固態成像級LiDAR晶片和LiDAR模組開發。洛微科技創立於2018年，總部位於杭州，並在西安、美國洛杉磯等地設立分支機構。該公司將光相控陣（OPA）、連續波調頻（FMCW）和晶圓級微納光學等的技術應用到LiDAR領域，自主研發了純固態成像級鐳射雷達（Imaging Grade LiDAR）以及實現了毫米級的系統級封裝（SiP）的微鐳射雷達（MicroLiDAR）。目前，公司第一代的純固態成像級LiDAR已經初步完成樣品，計劃於下個月正式釋出,MicroLiDAR已經進入量產，開始為多家客戶供貨。

在鐳射雷達領域，固態化是實現鐳射雷達規模化普及的業內公認的產品方案，其中包括Flash、MEMS、OPA等主流固態技術。其中Flash探測距離較短，難以適應自動駕駛的需求，而MEMS掃描控制難度大，器件成本仍然較高。OPA的方案相對而言，產品量產一致性高，抗振效能好，成本更低，被認為是固態鐳射雷達最佳方案，但仍有光訊號覆蓋有限、環境光干擾、測距較短等技術成熟度不高的問題。洛微科技的OPA方案採取的矽光子晶片方案，即使用矽CMOS IC的生態（相容的設計、材料、工藝等）製作的光子晶片，這個技術路線可實現大規模整合和低成本的量產。目前OPA鐳射雷達需要解決的最基本的兩個問題就是如何實現場景的光訊號覆蓋和高訊雜比的測距。簡單來說，就是利用產品內部的預留的少量發射光對返回的訊號進行相干放大。這種相干放大，使得LiDAR可以使用人眼安全的低光功率探測更遠的距離；另一方面這種放大隻針對和本器件發射光波長特性嚴格相同的訊號光，即可以極大的排除環境光和其他LiDAR訊號的干擾。

針對此，洛微科技的解決方案是基於矽光子技術，相應開發了光相控陣掃描（OPA）晶片和相干探測晶片。OPA晶片依靠矽半導體工藝大量整合波長尺度的光學功能，解決了高解析度和大視場角的光訊號覆蓋問題。而基於連續波調頻（FMCW）的相干探測（Coherent Detection）晶片則解決了測距的問題。

2020.9————下一代感測和感知系統領導廠商Aeva和全球頂級汽車Tier-1供應商採埃孚（ZF）近日宣佈建立合作，將全球首款調頻連續波（FMCW）鐳射雷達推向汽車市場。

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FMCW鐳射雷達核心技術及量產難點

FMCW鐳射雷達最核心的線性調頻鐳射器依然是制約其發展的瓶頸

FMCW鐳射雷達被稱為鐳射雷達領域皇冠上的明珠，相較於脈衝式鐳射雷達有著明顯的效能優勢，主要體現在以下幾個方面：

1． 抗太陽光和其它鐳射的干擾，保證感測器的安全可靠；

2． 多普勒效應單畫素實時測速，提供4D資訊，有助於目標分類；

3． 更高的靈敏度和動態範圍（＞60dB）；

4． 適合矽光子和相控陣（OPA）技術低成本批量生產。

FMCW鐳射雷達的門檻高、發展晚，不為大多數人所知。全世界能做脈衝式鐳射雷達的少說有上百家，但能做FMCW鐳射雷達的寥寥無幾。正所謂外行看熱鬧，內行看門道，只有懂FMCW的人才能欣賞它。看看最近的幾個案例：2017年通用Cruise收購Strobe；2018年寶馬、豐田投資Blackmore；還有2019年5月24日Aurora收購Blackmore。據傳聞，Intel正在研發基於矽光子的FMCW鐳射雷達，蘋果和Waymo也在評估和尋求進入FMCW鐳射雷達領域。

FMCW鐳射雷達有幾大組成部分（如下圖）線性調頻窄線寬鐳射；2）MZI干涉儀；3）光束掃描機構；4）平衡光電探測器；5）數字訊號處理。這裡每一個模組相較於脈衝式鐳射雷達都更有難度，但其中最考驗廠家功力的是線性調頻窄線寬鐳射器，而這也正是Blackmore和Strobe有著多年積累的看家本領了

下圖是Bridger Photonics十年前發表的論文，用於線性調頻鐳射測距技術：具體的調頻涉及電機驅動、PZT壓電陶瓷驅動和電流驅動，都是些外接光柵調頻的外腔鐳射器，成本大於2w美元，體積大、穩定性可靠性不高。

 

線性調頻鐳射器技術不侷限於本文描述的外腔調諧鐳射方案，其它方案還包括使用單頻鐳射加單邊調製器、基於半導體鐳射線性化調頻方案等。國內有科研院所使用過光纖鐳射器加單邊調製加光放大器的方案，但問題是器件成本都極其高昂也難以量產。使用半導體鐳射器的方案，則在成本、量產、符合車規等方面相比Blackmore、Strobe等有明顯的優勢。半導體鐳射器方案已經被證明是可行的！

最後總結，FMCW鐳射雷達若要獲得市場的認可，其中的鐳射器必須要在調頻速度、調頻範圍、線性度、鐳射相干性、滿足車規，以及能夠低成本量產等多方面取得進展。雖然道路是艱辛的，相信FMCW鐳射雷達前景是光明的！

參考：

https://www.ithome.com/0/492/873.htm

https://www.huxiu.com/article/387418.html

https://laser.ofweek.com/2019-06/ART-240001-8300-30386197.html

https://www.sohu.com/a/349147422_256868

http://www.mems.me/mems/system_integrator_201906/8196.html