在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)里，激光雷達(dá)被視為最重要的感知硬件，其通過(guò)激光探測(cè)前方路況的具體情況，并生成三維信息。正因?yàn)樗�看得“�?zhǔn)”，圍繞激光雷達(dá)的技術(shù)路線一直是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域長(zhǎng)期爭(zhēng)論的話題。其中ToF和FMCW這兩種測(cè)距方式常被拿來(lái)討論。它們都能讓激光雷達(dá)“看見(jiàn)”距離，但底層原理、性能邊界以及對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的意義卻并不相同。

什么是ToF和FMCW？

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的激光雷達(dá)（LiDAR），本質(zhì)上是用光來(lái)感知周圍的世界。它不斷向周圍發(fā)射激光束，當(dāng)激光遇到物體反射回來(lái)，系統(tǒng)接收這些回光，就能計(jì)算出物體的位置和距離。目前激光雷達(dá)最常見(jiàn)的兩種測(cè)距方式就是ToF（飛行時(shí)間法）和FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）。

ToF是一種基于時(shí)間測(cè)量的方法。它發(fā)射一束短暫的激光脈沖，然后精確計(jì)算這束光從發(fā)出到返回的時(shí)間，就可以探測(cè)障礙物的距離和位置。由于光速是已知的，根據(jù)時(shí)間差就能直接算出距離。這就像在山谷里大喊一聲，通過(guò)聽(tīng)到回聲的時(shí)間來(lái)判斷山壁有多遠(yuǎn)，只不過(guò)這里用的是光而不是聲音。

FMCW則采用了不同的思路，它不發(fā)射激光脈沖，而是持續(xù)發(fā)射頻率連續(xù)變化的激光。通過(guò)對(duì)比發(fā)射頻率和接收到的反射頻率之間的差異，不僅能計(jì)算出距離，還能直接獲取物體的速度信息。這種思路其實(shí)和車上常用的毫米波雷達(dá)類似，只不過(guò)將無(wú)線電波換成了激光。

這兩種技術(shù)為激光雷達(dá)提供了兩套不同的感知方案，一個(gè)靠測(cè)量時(shí)間，一個(gè)靠分析頻率，各有千秋。那么在實(shí)際的自動(dòng)駕駛應(yīng)用中，它們誰(shuí)更勝一籌？各自又有哪些優(yōu)勢(shì)和局限呢？

ToF激光雷達(dá)：成熟、簡(jiǎn)單、但有明顯局限

目前，絕大多數(shù)商用自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）及部分自動(dòng)駕駛方案采用的都是ToF激光雷達(dá)。這主要得益于該技術(shù)成熟度高、供應(yīng)鏈完善且成本相對(duì)較低。它的運(yùn)作方式直觀，簡(jiǎn)單概括就是發(fā)脈沖、測(cè)時(shí)間、算距離，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，量產(chǎn)性能穩(wěn)定。這也是為什么很多車企現(xiàn)階段用的激光雷達(dá)都是ToF技術(shù)的原因。

ToF激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)和制造難度相對(duì)較低，其核心的光源和探測(cè)器組件在業(yè)內(nèi)已經(jīng)非常成熟。它能實(shí)現(xiàn)較高的點(diǎn)云密度與分辨率，這對(duì)自動(dòng)駕駛所需的環(huán)境精細(xì)感知至關(guān)重要。目前，市面上多數(shù)ToF激光雷達(dá)在測(cè)距能力、視場(chǎng)角、點(diǎn)云質(zhì)量等方面已能夠滿足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的基本需求。特別是在成本與量產(chǎn)方面，ToF已形成成熟的供應(yīng)鏈，單價(jià)從早期的數(shù)萬(wàn)元乃至更高，大幅降至幾百到幾千元級(jí)別，有力推動(dòng)了自動(dòng)駕駛傳感器的普及應(yīng)用。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

簡(jiǎn)單實(shí)用并不意味著完美，ToF激光雷達(dá)也存在很多問(wèn)題。ToF激光雷達(dá)測(cè)距范圍與性能受到激光功率和人眼安全規(guī)范的限制。由于人眼安全標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格約束了發(fā)射能量，主流ToF激光雷達(dá)多采用905納米波段的短脈沖激光，導(dǎo)致其在探測(cè)遠(yuǎn)距離、低反射率物體（如黑色輪胎、遠(yuǎn)處行人）時(shí)表現(xiàn)吃力。高階自動(dòng)駕駛一般需要200米以上的有效探測(cè)距離以提升安全冗余，這對(duì)ToF系統(tǒng)而言并不容易實(shí)現(xiàn)。

ToF激光雷達(dá)還會(huì)出現(xiàn)所謂的“耀斑效應(yīng)”或光暈現(xiàn)象。當(dāng)激光照射到高反射表面（如交通標(biāo)志、反光背心）時(shí)，回波信號(hào)過(guò)強(qiáng)，容易使接收器飽和，從而淹沒(méi)其他真實(shí)信號(hào)，導(dǎo)致點(diǎn)云中出現(xiàn)局部失真或虛假數(shù)據(jù)。盡管可通過(guò)算法濾波進(jìn)行緩解，但該問(wèn)題難以根本消除。

此外，ToF系統(tǒng)在多個(gè)激光雷達(dá)同時(shí)工作的場(chǎng)景中，易受到相互間的干擾。尤其在車流密集時(shí)，其他車輛發(fā)射的激光脈沖可能引發(fā)誤檢測(cè)或噪聲。雖然已有編碼調(diào)制、頻率跳變等技術(shù)用于區(qū)分信號(hào)，但ToF在抗干擾能力上并不具備先天優(yōu)勢(shì)。

FMCW激光雷達(dá)：技術(shù)前沿的“潛力股”，但還沒(méi)真正全面成熟

相較于ToF，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)則采用了另一種測(cè)距原理。它持續(xù)發(fā)射頻率隨時(shí)間規(guī)律變化的連續(xù)激光，通過(guò)比較發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的頻率差異，不僅能計(jì)算出目標(biāo)的距離，還能直接獲取其徑向速度。這項(xiàng)技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域已應(yīng)用多年，但在激光雷達(dá)中仍屬較新的發(fā)展方向。

FMCW的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于其天生具備測(cè)速能力，無(wú)需像ToF那樣依賴多幀點(diǎn)云對(duì)比來(lái)推算速度。這對(duì)自動(dòng)駕駛感知意義重大，系統(tǒng)可在單次掃描中直接區(qū)分靜止與運(yùn)動(dòng)物體，并獲取精確的速度信息，從而為應(yīng)對(duì)行人、車輛等動(dòng)態(tài)目標(biāo)的快速接近提供更及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。

FMCW雷達(dá)的系統(tǒng)框圖，圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

此外，基于頻率調(diào)制的特性，F(xiàn)MCW在接收端可通過(guò)與本地參考信號(hào)進(jìn)行混頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱回波信號(hào)的放大與提取。這種處理方式提升了系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離、低反射率物體的探測(cè)靈敏度。FMCW的信號(hào)處理方法本身還具有一定的抗干擾潛力，在應(yīng)對(duì)強(qiáng)光或其他光源干擾時(shí)會(huì)表現(xiàn)得更穩(wěn)定。

當(dāng)然，與成熟的ToF方案相比，F(xiàn)MCW并不是那么容易落地。其系統(tǒng)構(gòu)成更為復(fù)雜，需要高度線性的頻率調(diào)制、精密的本地振蕩器以及復(fù)雜的模擬與數(shù)字信號(hào)處理鏈路。想要將其應(yīng)用到車端，這些組件不僅需滿足車規(guī)級(jí)可靠性與穩(wěn)定性要求，還要在大規(guī)模量產(chǎn)中保持一致性，實(shí)現(xiàn)難度和成本顯著高于ToF。

FMCW對(duì)信號(hào)處理的要求也更高。為準(zhǔn)確提取距離與速度信息，系統(tǒng)需運(yùn)行更復(fù)雜的算法，并依賴高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器與高性能處理單元，這不僅增加了硬件成本，也對(duì)功耗和散熱提出了更高要求。在車載資源受限且可靠性要求嚴(yán)苛的環(huán)境中，這些因素都影響著技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

目前真正達(dá)到車規(guī)級(jí)量產(chǎn)、具備穩(wěn)定供應(yīng)能力的FMCW產(chǎn)品仍然寥寥。相關(guān)技術(shù)尚處于發(fā)展完善階段，供應(yīng)鏈體系與成本控制能力仍未完全成熟，因此短期內(nèi)難以全面替代ToF。

誰(shuí)將贏得未來(lái)？

從前面的介紹中，其實(shí)已經(jīng)可以很明顯地得出ToF現(xiàn)階段更具優(yōu)勢(shì)的結(jié)論，那就聊聊未來(lái)誰(shuí)會(huì)更具優(yōu)勢(shì)吧！之所以現(xiàn)階段大部分部署在生產(chǎn)車上的激光雷達(dá)采用ToF方案，是因?yàn)樗�更成熟、量產(chǎn)能力更強(qiáng)、成本更合理，足以支持大部分自動(dòng)駕駛功能。車輛制造商和供應(yīng)鏈都對(duì)這種技術(shù)非常熟悉，這意味著它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署。

FMCW激光雷達(dá)憑借其理論上的速度測(cè)量能力、對(duì)弱目標(biāo)的敏感性以及潛在的抗干擾性能，在一些高端自動(dòng)駕駛研發(fā)項(xiàng)目里受到關(guān)注。它更像是一種遠(yuǎn)期愿景技術(shù)，未來(lái)隨著成熟度提升、生產(chǎn)規(guī)模放大后或?qū)⒅鸩竭M(jìn)入市場(chǎng)。

未來(lái)可能出現(xiàn)的其實(shí)是一種分層感知架構(gòu)，ToF激光雷達(dá)負(fù)責(zé)常規(guī)三維感知任務(wù)，而某些高級(jí)自動(dòng)駕駛平臺(tái)可能進(jìn)一步結(jié)合FMCW激光雷達(dá)或類似技術(shù)來(lái)加強(qiáng)速度測(cè)量、性能冗余等功能。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，沒(méi)有一種技術(shù)可以徹底“淘汰”另一種技術(shù)，更可能是融合與演進(jìn)。ToF在短期內(nèi)依然是主流，而FMCW則有可能在一些高要求應(yīng)用或者結(jié)合更高集成水平的車載感知系統(tǒng)里發(fā)揮更大的作用。

總的來(lái)說(shuō)，ToF激光雷達(dá)是目前自動(dòng)駕駛感知的“主力軍”，因?yàn)樗�成熟、可靠、可量產(chǎn)，并且性能已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)使用場(chǎng)景。FMCW激光雷達(dá)則代表了未來(lái)更高性能的方向，具有速度探測(cè)和潛在更強(qiáng)抗干擾的優(yōu)勢(shì)，但要真正覆蓋市場(chǎng)，仍待技術(shù)進(jìn)一步成熟、成本持續(xù)下探與產(chǎn)業(yè)鏈全面完善。

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       原文標(biāo)題 : FMCW和ToF激光雷達(dá)，哪種更適合自動(dòng)駕駛？