據(jù)報(bào)道，關(guān)于雷達(dá)（英文名RADAR，全稱Radio Detection and Ranging）的歷史可以追溯到19世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)著名的德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）證明了無線電波可被金屬物體反射。根據(jù)赫茲所證明的原理，德國(guó)工程師侯斯美爾（Christian Hülsmeyer）于1906年首次申請(qǐng)了用于海上航行雷達(dá)的實(shí)用專利。在二戰(zhàn)前，出于空中防御的目的，雷達(dá)的研發(fā)開始全面展開。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，雷達(dá)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于從空中交通管制到汽車盲點(diǎn)檢測(cè)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。歸功于上述的進(jìn)步，雷達(dá)技術(shù)讓海陸空的旅程變得更加安全和高效，已預(yù)防了數(shù)十萬起事故。

對(duì)人眼安全的FMCW激光雷達(dá)可用于長(zhǎng)距離3D人臉識(shí)別

激光雷達(dá)與雷達(dá)有不少相似之處。不同的是激光雷達(dá)（LiDAR）使用光而不是射頻（RF）進(jìn)行探測(cè)和測(cè)距。激光技術(shù)問世不久，20世紀(jì)60年代初激光雷達(dá)系統(tǒng)首次出現(xiàn)。激光雷達(dá)通過發(fā)出聚焦光束并測(cè)量光信號(hào)的往返時(shí)間來計(jì)算距離。從那時(shí)起，激光雷達(dá)就出現(xiàn)于從地形測(cè)量到自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的各種應(yīng)用中（圖1）。

圖1：激光雷達(dá)的圖像提供更詳細(xì)的環(huán)境信息

雷達(dá)與激光雷達(dá)

與雷達(dá)類似，最初激光雷達(dá)采用一種簡(jiǎn)單的直接探測(cè)方法。發(fā)射一個(gè)短而明亮的激光脈沖，測(cè)量返回所需的時(shí)間，并轉(zhuǎn)換為距離信息。這種方法也被稱為脈沖式（Pulsed）直接飛行時(shí)間法（dToF）激光雷達(dá)。基于脈沖式dToF的掃描式激光雷達(dá)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的物體進(jìn)行激光掃描，并提供環(huán)境的三維圖像。與射頻相比，光的波長(zhǎng)更短，具有更小的光斑尺寸和更高的分辨率。

不過，雷達(dá)迅速演進(jìn)到使用相干探測(cè)方法，這種方法考慮了發(fā)射信號(hào)的頻率和相位。相干雷達(dá)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠檢測(cè)到回波信號(hào)的小相位偏移，利用多普勒效應(yīng)大大減少來自固定雜波或靜止物體信號(hào)的影響。最新一代的汽車?yán)走_(dá)以調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)為基礎(chǔ)，作為提高發(fā)射效率、提高靈敏度和抗干擾能力的最佳調(diào)制（圖2）。

圖2：脈沖式dToF激光雷達(dá)發(fā)射一個(gè)非常窄的高功率激光脈沖，通過測(cè)量飛行時(shí)間來確認(rèn)物體的距離。相比之下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)提供低功率的頻率啁啾，被測(cè)物體的距離和速度以頻移的形式得出。（圖片來自：SiLC Technologies）

缺乏廉價(jià)相干激光器和接收器以及相關(guān)的低成本芯片集成技術(shù)，造成了大多數(shù)商用激光雷達(dá)系統(tǒng)仍然是脈沖式dToF激光雷達(dá)的局面，也減緩了激光雷達(dá)向FMCW技術(shù)路線的演進(jìn)速度。

脈沖式dToF激光雷達(dá)與FMCW激光雷達(dá)

脈沖式dToF和FMCW方法均能測(cè)量來自動(dòng)物和衣物等物體高度漫射表面的反射。最終，激光雷達(dá)解決方案提供的測(cè)量范圍和能見度由系統(tǒng)的功率水平和信噪比（SNR）決定。與脈沖式dToF相比，F(xiàn)MCW提供高于10倍的信噪比，1550nm波長(zhǎng)的光源可使功率提高40倍（圖3）。對(duì)脈沖式dToF激光雷達(dá)而言，決定最大測(cè)量范圍的信噪比與峰值激光功率成正比。這需要將所有可用的光子壓縮成一道狹窄的（納秒級(jí)）明亮激光閃光。對(duì)于1550nm的激光，脈沖峰值激光功率可以高達(dá)幾千瓦。如此高的峰值功率，雖然對(duì)人類和大多數(shù)動(dòng)物眼睛安全，但對(duì)圖像傳感器有害。

圖3：脈沖式dToF激光雷達(dá)和FMCW激光雷達(dá)的信噪比對(duì)比。假設(shè)：1英寸的接收孔徑；脈沖式dToF激光雷達(dá)使用增益為20的雪崩光電二極管，而FMCW激光雷達(dá)使用更簡(jiǎn)單的無增益管腳光電二極管；目標(biāo)物體反射率為5%。兩種情況下的損耗均為6分貝。平均激光功率為30mW。（圖片來自：SiLC Technologies）

激光雷達(dá)的技術(shù)演進(jìn)，必然會(huì)像雷達(dá)一樣采用相干探測(cè)方法。一些公司使用的激光頻率啁啾與雷達(dá)系統(tǒng)中已經(jīng)使用的頻率啁啾類似，不是簡(jiǎn)單的脈沖。這類相干激光雷達(dá)基于FMCW技術(shù)，得到更高的探測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性，并解決了脈沖式dToF激光雷達(dá)的許多缺點(diǎn)，例如對(duì)背景輻射的抗擾能力差、多用戶干擾和缺少瞬時(shí)速度信息。FMCW激光雷達(dá)的信噪比與發(fā)射光子總數(shù)成正比，而不是與峰值激光功率成正比。此外，由于FMCW激光雷達(dá)的靈敏度高出脈沖式dToF激光雷達(dá)10倍，平均發(fā)射功率卻是脈沖激光雷達(dá)的十分之一。因此，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)能夠以小于100mW的峰值激光功率發(fā)射周期較長(zhǎng)的波形，以獲得與脈沖式dToF激光雷達(dá)相同的信噪比，同時(shí)具有較低的功率（圖4）。

圖4：與脈沖式dToF激光雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)對(duì)峰值激光功率的要求至少低四個(gè)數(shù)量級(jí)。（圖片來自：SiLC Technologies）

Bastion Schwarz和兩位同事發(fā)布的最新研究表明，峰值激光功率比激光功率平均值對(duì)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和CCD（電荷耦合器件）傳感器的危害更大。CMOS和CCD傳感器的損傷閾值測(cè)定為10kW/mm2。由于攝像頭鏡頭可以進(jìn)一步聚焦光線，因此將該值又降低了1萬倍，也就是1W的激光脈沖就可能對(duì)攝像頭造成損害。如果功率低于上述數(shù)值，那FMCW激光雷達(dá)對(duì)攝像頭和人眼來講更安全。

反射率和成本

1550nm FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)在測(cè)量距離和瞬時(shí)速度兩個(gè)參數(shù)上具有優(yōu)勢(shì)。相干探測(cè)的高信噪比，加之1550nm波長(zhǎng)的人眼安全性，意味著1550nm FMCW激光雷達(dá)在公路上行駛時(shí)，可以很容易探測(cè)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(cè)距離足夠讓以70英里/小時(shí)速度行駛的車輛有足夠的時(shí)間停車或變換車道。FMCW技術(shù)還可以通過多普勒效應(yīng)即時(shí)測(cè)量物體速度。此功能非常重要，不僅因?yàn)樗С诸A(yù)測(cè)性分析和響應(yīng)，還能夠從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中區(qū)分對(duì)象。

迄今為止，將FMCW解決方案推向市場(chǎng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是所需的高性能元器件無法實(shí)現(xiàn)低成本、大批量制造。相干技術(shù)需要具有大相干長(zhǎng)度（窄線寬）的激光器，才能在300米的探測(cè)距離內(nèi)完美工作。FMCW解決方案還需要對(duì)光進(jìn)行相干處理，以提取光子攜帶的附加信息。這意味著需要非常精確的低噪聲光信號(hào)處理（OSP）電路來構(gòu)建相干接收器。此外，因?yàn)橄喔苫旌现粚?duì)相同偏振的光子起作用，偏振也扮演著重要角色。激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和線性度在整個(gè)測(cè)量過程中至關(guān)重要；否則，信噪比會(huì)顯著降低。

要制造出由此套光學(xué)系統(tǒng)定義的穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)、精確的分立元器件既困難又昂貴。兩家初創(chuàng)公司Blackmore Sensors and Analytics Inc.（2019年5月被Aurora收購(gòu)）和AEVA Inc.被兩家著名的德國(guó)汽車制造商選中，并獲得了大量資金，用于開發(fā)FMCW解決方案。現(xiàn)有的基于電信級(jí)元器件的系統(tǒng)成本約數(shù)萬美元。這種價(jià)格可能適用于全自動(dòng)駕駛汽車，取代人類駕駛員并全天候運(yùn)行，但無法被L3級(jí)或L4級(jí)ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）的主流乘用車所接受。業(yè)界都寄希望于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步最終能降低激光雷達(dá)的價(jià)格。

硅光子學(xué)為激光雷達(dá)帶來的福音

好消息是，能將復(fù)雜電子電路集成到小小的硅基芯片（現(xiàn)在普遍存在于家用消費(fèi)產(chǎn)品中）的技術(shù)誕生了——硅光子學(xué)。硅光子學(xué)使高度復(fù)雜的光學(xué)電路實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效地制造并集成到同樣廣泛的產(chǎn)品和應(yīng)用中。

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的FMCW激光雷達(dá)解決方案，所有光學(xué)功能都需要集成到一顆硅基芯片中，該芯片采用的是與每年制造近萬億電子集成電路（IC）芯片相同的半導(dǎo)體工藝。

半導(dǎo)體工藝在制造性能卓越的集成電路中體現(xiàn)出的控制水平和精度，為實(shí)現(xiàn)魯棒性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)高效和高質(zhì)量硅光子元器件提供了成熟的技術(shù)。一種極低噪聲、低損耗和偏振無關(guān)的技術(shù)可以得到非常高的信噪比，從而可以使用更低的激光功率。因此，即使人類離傳感器很近，也能在遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)保證人眼安全。探測(cè)到距離200米以外的幾厘米大小的物體應(yīng)在基于IC技術(shù)的FMCW激光雷達(dá)的能力范圍內(nèi)。今年1月，SiLC Technologies Inc.（以下簡(jiǎn)稱：SiLC）演示了這種解決方案。該公司現(xiàn)專注于優(yōu)化其功能并實(shí)現(xiàn)更高的集成度。

然而，設(shè)計(jì)硅光子電路并不容易。盡管它們基于標(biāo)準(zhǔn)的集成電路制造工藝流程，但需要專有工藝、專業(yè)技能以及專業(yè)的版圖和驗(yàn)證知識(shí)。幸運(yùn)的是，他們可以利用過去十年在電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用方面高達(dá)10多億美元的投資。

由于硅光子電路體積小、功率低、成本低，因此也可以廣泛應(yīng)用于無人機(jī)和機(jī)器人中。硅光子電路只需要毫瓦級(jí)的輸出光功率，具有很高的功率效率。效率對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的機(jī)器來說很重要。硅光子電路可以達(dá)到毫米到微米的高精度水平，因此在生物識(shí)別、工業(yè)或醫(yī)療保健得以應(yīng)用成為可能。

總而言之，F(xiàn)MCW解決方案比當(dāng)前脈沖式dToF激光雷達(dá)解決方案的峰值激光功率低四個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在測(cè)量距離、瞬時(shí)速度、環(huán)境抑制、多用戶無干擾操作等方面優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)具備集成完整激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)于一顆尺寸非常小的低成本硅光子芯片的潛力。上述優(yōu)勢(shì)可以改變激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍，想象空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不至于自動(dòng)駕駛汽車。

關(guān)于激光雷達(dá)和反射率的知識(shí)點(diǎn)

環(huán)境中物體的反射率很重要，高反射率物體會(huì)對(duì)激光雷達(dá)測(cè)距指標(biāo)產(chǎn)生誤導(dǎo)。因此，在討論測(cè)距指標(biāo)時(shí)，必須包括各種目標(biāo)物體。

道路上黑色輪胎的反射率為5%~10%

（左）一位穿著深色連帽衫的行人在夜間幾乎無法被肉眼或攝像頭探測(cè)到。激光雷達(dá)獲取紡織品（棉和聚酯，濕或干，905nm或1550nm）的反射率在30%到60%之間。（右）野生動(dòng)物是另一種常見的道路危險(xiǎn)。根據(jù)顏色和波長(zhǎng)的不同，激光雷達(dá)獲取動(dòng)物皮毛的反射率在40%到90%之間。