據(jù)報道，關于雷達（英文名RADAR，全稱Radio Detection and Ranging）的歷史可以追溯到19世紀80年代，當時著名的德國物理學家海因里?！ず掌潱℉einrich 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，德國工程師侯斯美爾（Christian Hülsmeyer）于1906年首次申請了用于海上航行雷達的實用專利。在二戰(zhàn)前，出于空中防御的目的，雷達的研發(fā)開始全面展開。隨著半導體技術的進步，雷達現(xiàn)在已廣泛應用于從空中交通管制到汽車盲點檢測等多個應用領域。歸功于上述的進步，雷達技術讓海陸空的旅程變得更加安全和高效，已預防了數(shù)十萬起事故。

對人眼安全的FMCW激光雷達可用于長距離3D人臉識別

激光雷達與雷達有不少相似之處。不同的是激光雷達（LiDAR）使用光而不是射頻（RF）進行探測和測距。激光技術問世不久，20世紀60年代初激光雷達系統(tǒng)首次出現(xiàn)。激光雷達通過發(fā)出聚焦光束并測量光信號的往返時間來計算距離。從那時起，激光雷達就出現(xiàn)于從地形測量到自動導航系統(tǒng)的各種應用中（圖1）。

圖1：激光雷達的圖像提供更詳細的環(huán)境信息

雷達與激光雷達

與雷達類似，最初激光雷達采用一種簡單的直接探測方法。發(fā)射一個短而明亮的激光脈沖，測量返回所需的時間，并轉(zhuǎn)換為距離信息。這種方法也被稱為脈沖式（Pulsed）直接飛行時間法（dToF）激光雷達?；诿}沖式dToF的掃描式激光雷達對視場內(nèi)的物體進行激光掃描，并提供環(huán)境的三維圖像。與射頻相比，光的波長更短，具有更小的光斑尺寸和更高的分辨率。

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(fā)射信號的頻率和相位。相干雷達系統(tǒng)的最大優(yōu)點是能夠檢測到回波信號的小相位偏移，利用多普勒效應大大減少來自固定雜波或靜止物體信號的影響。最新一代的汽車雷達以調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術為基礎，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激光雷達發(fā)射一個非常窄的高功率激光脈沖，通過測量飛行時間來確認物體的距離。相比之下，F(xiàn)MCW激光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。（圖片來自：SiLC Technologies）

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

脈沖式dToF激光雷達與FMCW激光雷達

脈沖式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，激光雷達解決方案提供的測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波長的光源可使功率提高40倍（圖3）。對脈沖式dToF激光雷達而言，決定最大測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）明亮激光閃光。對于1550nm的激光，脈沖峰值激光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(shù)動物眼睛安全，但對圖像傳感器有害。

圖3：脈沖式dToF激光雷達和FMCW激光雷達的信噪比對比。假設：1英寸的接收孔徑；脈沖式dToF激光雷達使用增益為20的雪崩光電二極管，而FMCW激光雷達使用更簡單的無增益管腳光電二極管；目標物體反射率為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）

激光雷達的技術演進，必然會像雷達一樣采用相干探測方法。一些公司使用的激光頻率啁啾與雷達系統(tǒng)中已經(jīng)使用的頻率啁啾類似，不是簡單的脈沖。這類相干激光雷達基于FMCW技術，得到更高的探測靈敏度和準確性，并解決了脈沖式dToF激光雷達的許多缺點，例如對背景輻射的抗擾能力差、多用戶干擾和缺少瞬時速度信息。FMCW激光雷達的信噪比與發(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激光雷達的靈敏度高出脈沖式dToF激光雷達10倍，平均發(fā)射功率卻是脈沖激光雷達的十分之一。因此，F(xiàn)MCW激光雷達能夠以小于100mW的峰值激光功率發(fā)射周期較長的波形，以獲得與脈沖式dToF激光雷達相同的信噪比，同時具有較低的功率（圖4）。

圖4：與脈沖式dToF激光雷達相比，F(xiàn)MCW激光雷達對峰值激光功率的要求至少低四個數(shù)量級。（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CMOS（互補金屬氧化物半導體）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定為10kW/mm2。由于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的激光脈沖就可能對攝像頭造成損害。如果功率低于上述數(shù)值，那FMCW激光雷達對攝像頭和人眼來講更安全。

反射率和成本

1550nm FMCW激光雷達系統(tǒng)在測量距離和瞬時速度兩個參數(shù)上具有優(yōu)勢。相干探測的高信噪比，加之1550nm波長的人眼安全性，意味著1550nm FMCW激光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，不僅因為它支持預測性分析和響應，還能夠從原始點云數(shù)據(jù)中區(qū)分對象。

迄今為止，將FMCW解決方案推向市場的關鍵挑戰(zhàn)是所需的高性能元器件無法實現(xiàn)低成本、大批量制造。相干技術需要具有大相干長度（窄線寬）的激光器，才能在300米的探測距離內(nèi)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信息。這意味著需要非常精確的低噪聲光信號處理（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。激光器的波長穩(wěn)定性和線性度在整個測量過程中至關重要；否則，信噪比會顯著降低。

要制造出由此套光學系統(tǒng)定義的穩(wěn)定、魯棒性強、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）和AEVA Inc.被兩家著名的德國汽車制造商選中，并獲得了大量資金，用于開發(fā)FMCW解決方案?，F(xiàn)有的基于電信級元器件的系統(tǒng)成本約數(shù)萬美元。這種價格可能適用于全自動駕駛汽車，取代人類駕駛員并全天候運行，但無法被L3級或L4級ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）的主流乘用車所接受。業(yè)界都寄希望于半導體技術的進步最終能降低激光雷達的價格。

硅光子學為激光雷達帶來的福音

好消息是，能將復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產(chǎn)品中）的技術誕生了——硅光子學。硅光子學使高度復雜的光學電路實現(xiàn)經(jīng)濟有效地制造并集成到同樣廣泛的產(chǎn)品和應用中。

為了實現(xiàn)經(jīng)濟實惠的FMCW激光雷達解決方案，所有光學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）芯片相同的半導體工藝。

半導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，為實現(xiàn)魯棒性強、經(jīng)濟高效和高質(zhì)量硅光子元器件提供了成熟的技術。一種極低噪聲、低損耗和偏振無關的技術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，也能在遠距離探測時保證人眼安全。探測到距離200米以外的幾厘米大小的物體應在基于IC技術的FMCW激光雷達的能力范圍內(nèi)。今年1月，SiLC Technologies Inc.（以下簡稱：SiLC）演示了這種解決方案。該公司現(xiàn)專注于優(yōu)化其功能并實現(xiàn)更高的集成度。

然而，設計硅光子電路并不容易。盡管它們基于標準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)的版圖和驗證知識。幸運的是，他們可以利用過去十年在電信和數(shù)據(jù)中心應用方面高達10多億美元的投資。

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

總而言之，F(xiàn)MCW解決方案比當前脈沖式dToF激光雷達解決方案的峰值激光功率低四個數(shù)量級以上，在測量距離、瞬時速度、環(huán)境抑制、多用戶無干擾操作等方面優(yōu)勢明顯，同時具備集成完整激光雷達光學系統(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)勢可以改變激光雷達的應用范圍，想象空間遠遠不至于自動駕駛汽車。

關于激光雷達和反射率的知識點

環(huán)境中物體的反射率很重要，高反射率物體會對激光雷達測距指標產(chǎn)生誤導。因此，在討論測距指標時，必須包括各種目標物體。

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到。激光雷達獲取紡織品（棉和聚酯，濕或干，905nm或1550nm）的反射率在30%到60%之間。（右）野生動物是另一種常見的道路危險。根據(jù)顏色和波長的不同，激光雷達獲取動物皮毛的反射率在40%到90%之間。