文/Clement Kong

图 1：飞行时间ToF（左）处理后依然存在光晕现象；调频连续波FWCW（右）系统未经处理，原始数据点显示无光晕影响。

调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）的工作原理，与传统的飞行时间（ToF）LiDAR系统不同。ToF LiDAR测量光脉冲从发射到碰到物体并返回所需的时间，而 FMCW LiDAR则分析从物体反射回来的光波的频率变化。这使得 FMCW LiDAR具有一些显著优势，尤其是在精度和分辨率方面。

FMCW LiDAR的一个关键优势在于，它能够在不影响信号完整性的情况下处理更高的光功率。相比之下，ToF 系统，特别是那些使用半导体芯片的ToF 系统，在应对高功率光脉冲时往往存在困难。它们的光路通常存在“泄漏”问题 —— 过高的功率会导致信号损失，尤其是当光需要传播较长距离或从明亮物体反射时，这会导致ToF系统在实际环境中缺乏可靠性。

另一方面，FMCW LiDAR能够在承受更高峰值功率的同时，保持其测量精度，这使其非常适合工厂自动化和自动驾驶等对精度要求极高的应用场景。在这些具有挑战性的应用环境中，FMCW LiDAR展现出了卓越的性能，与 ToF 系统相比，具有更高的一致性和可靠性。

ToF系统的问题：光晕现象和测距限制

虽然 ToF LiDAR因其简单性和可靠性而广受重视，但它也面临着几个关键问题。其中最显著的问题之一是“光晕现象（blooming）”，当LiDAR传感器接收到来自明亮物体的强烈反射时，就会出现这种现象。交通标志、安全背心或高反射表面都会引发光晕现象，导致该明亮物体周围出现模糊和误报点。光晕现象在建筑工地或繁忙的城市区域尤为棘手。

为了应对光晕现象，LiDAR系统使用滤波器去除误报点，但这种滤波操作本身也会带来一系列挑战。过滤掉明亮的反射可能会遗漏对其附近物体的探测，比如反射性交通锥附近的行人，这对于自动驾驶安全来说是一个重大隐患。

除了光晕现象，ToF 系统还存在测距限制。由于眼睛安全法规和能量限制，使用垂直腔面发射激光器（VCSEL）和单光子雪崩二极管（SPAD）等技术的LiDAR系统，在发射功率上会存在一定的限制。增加功率来扩大ToF系统的测距范围只会加剧光晕问题——这里存在一对矛盾体，即增加测距范围，就会降低测量精度。

自动驾驶车辆既需要长距离探测能力，又需要高探测精度，因此ToF系统存在的上述问题，导致其并不太适合下一代LiDAR传感器系统。

是什么让 FMCW LiDAR更具成本效益？

成本是LiDAR普及的最大障碍之一，尤其是对于汽车行业以及其他大规模市场部署至关重要的行业。传统的LiDAR传感器价格昂贵，这将其使用范围限制在高端应用和原型制作中。为了实现在自动驾驶汽车及其他应用领域的规模化部署，LiDAR系统的成本必须大幅降低。

这正是 FMCW LiDAR的优势所在（见图 1）。虽然 FMCW 系统通常比 ToF系统需要更多组件，但通过降低制造复杂性和成本，FMCW 系统具有更大的集成潜力。FMCW LiDAR可以集成到单个芯片或片上系统（SoC）设计中，这显著降低了生产成本（见图 2、图 3）。通过减少分立组件的数量，FMCW 系统更易于大规模生产，成本也更低，这使其在汽车、机器人和工业自动化等领域的大规模应用中更具成本效益。

图 2：带有片上光束转向功能的 FMCW 固态LiDAR。

图 3：片上光束转向：FMCW硅光子集成芯片。

相比之下，ToF 系统需要分立组件，这会导致更高的制造成本和复杂性，使得大规模生产的可行性较低。虽然 FMCW LiDAR的性能优势显而易见，但其面临的挑战在于：扩大生产规模以满足各个行业的应用需求。

FMCW LiDAR势头渐起

FMCW LiDAR在各个行业正获得显著的发展动力，尤其是在机器人领域。原始设备制造商（OEM）和一级供应商正在越来越多地探索 FMCW 解决方案，预计在未来几年内FMCW LiDAR将获得广泛应用。

FMCW LiDAR受欢迎的关键原因之一是，它能够在广泛的环境条件下保持稳定的性能。与在强光或弱光环境中可能会遇到困难的 ToF 系统不同，FMCW LiDAR在各种光照条件下都具有出色的表现。这使其在自动驾驶应用中特别有价值，因为自动驾驶要求传感器无论在明亮的白天，还是在完全黑暗的夜晚环境中，都能够可靠地运行。

除了汽车应用外，FMCW LiDAR在长距离上提供高精度且不会出现光晕现象的能力，也为工业自动化、机器人和测绘应用提供了颇具吸引力的解决方案。FMCW LiDAR在复杂、动态环境中所表现出的性能，使其成为需要先进三维（3D）传感的行业的首选技术。

迈向主流应用之路

尽管具有诸多优势，FMCW LiDAR仍在不断发展，其被市场大规模广泛应用尚需时时日。FMCW技术比 ToF 技术更为复杂，这使其在保持成本效益的同时进行大规模生产，成为一项重大挑战。但是，随着集成化小规模解决方案变得更加可行，将有助于FMCW 系统成本的降低。在半导体芯片上进行大规模生产也有助于降低成本、提高可靠性并增强可扩展性。

这将有助于 FMCW LiDAR成为从自动驾驶到机器人等行业的主导技术，进一步的创新将加速其应用。

经济实惠的 FMCW LiDAR

Voyant 公司推出了经济实惠的 FMCW LiDAR技术及其 CARBON LiDAR系统（见图 4）。这是一款超低成本的 FMCW 四维（4D）LiDAR，旨在为广泛的行业和不同预算的用户提供高性能的 3D 传感。它采用了片上LiDAR技术（LiDAR-on-chip），这是一种高度集成的硅光子芯片，其将数千个光学和电气组件（包括片上光束转向）集成到一个紧凑的、只有指甲大小的模块中。

图 4：Voyant 公司的 CARBON FMCW LiDAR系统。

CARBON LiDAR紧凑的外观和强大的功能，能够在每个像素点即时测量速度，且精度极高，非常适合实时物体探测。其低成本（单台应用售价 1490 美元）有望使尖端LiDAR技术得到更广泛的应用。

Voyant 公司正在接受 CARBON LiDAR的订单，预计 2025 年 2 月开始发货。它有望彻底改变那些一直在等待经济实惠的高性能LiDAR技术的行业，并将进一步推动 FMCW LiDAR走向主流。

FMCW LiDAR会超越 ToF LiDAR吗？

FMCW LiDAR和 ToF LiDAR之间的竞争正在加剧，虽然 ToF LiDAR一直是主导技术，但 FMCW LiDAR正成为许多高需求应用的更优解决方案。FMCW LiDAR能够处理更高光功率、克服光晕问题以及提供经济高效集成的能力，使其成为下一代LiDAR系统的首选技术。随着生产规模的扩大和价格的下降，FMCW LiDAR有望彻底改变从自动驾驶到机器人等行业，并为传感器技术的创新提供新的可能性。

像 Voyant 公司的 CARBON LiDAR这样的发展成果，正在使 FMCW LiDAR越来越容易获得且价格亲民，这加速了其大规模应用的进程。随着该技术的不断成熟，FMCW LiDAR无疑将在未来打造先进传感解决方案中，发挥关键作用。