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细节分析FMCW激光雷达是否真能否完胜ToF激光雷达


  来源: 麦姆斯咨询 时间:2020-07-29 编辑:仪器仪表WXF
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事实恰恰相反!


在ToF系统和FMCW系统中都会出现伪影。这可能包括反射器异常,例如“光环”、“壳”、第一表面反射(在挡风玻璃后发生甚至更糟)、离轴空间旁瓣、多路径和杂波。决定激光雷达性能的关键在于在空间域(良好的光学器件)和波形时域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系统在空间行为上具有可比性,但是当存在高对比度目标时,FMCW真正遭受的损失来自于波形时域。


杂波:FMCW系统依靠基于窗函数的旁瓣抑制来解决自干扰(杂波),该干扰远不如没有旁瓣的ToF系统健壮。为了提供背景信息,一束10微秒的FMCW脉冲可以在1.5公里范围内径向传播。在此范围内,任何对象都将陷入快速傅里叶变换(时间)旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脉冲也可能会被150米外的高强度杂波破坏。第一个矩形窗口快速傅里叶变换(FFT)的旁瓣是大家所知的-13dB,远高于获得优质点云所需要的水平。


当然,可以采用更深的旁瓣锥度,但是会牺牲脉冲展宽。此外,接收机前端的非线性(所谓无寄生动态范围)将限制整体系统能达到的有效旁瓣水平,这是由于:压缩和模数转换(ADC)杂散(三阶截距)、相位噪声和大气相位调制等,这些都无法减轻窗口锥度。航空航天和国防系统当然可以克服这些限制,但用于汽车的系统成本相对低,也必须能够在超过100db的动态范围内从近距离后向反射镜中分拣出远距离小物体,这在FMCW系统中会出现。


相比之下,典型的高斯ToF系统在2纳秒的脉冲持续时间下,除了脉冲持续时间本身产生的几厘米以外,没有任何基于时间的旁瓣。当捕获小目标时,小偏移和大偏移回波之间的动态范围都不会对入射到光电探测器上的光产生任何影响。我们邀请激光雷达系统评估人员亲自检查ToF激光雷达与FMCW激光雷达在不同驾驶条件下的点云质量。FMCW激光雷达系统中大量潜在的旁瓣会导致伪影,这些伪影不仅会影响局部距离样本,还会影响给定脉冲的整个返回波形!


第一表面(例如,FMCW激光雷达安装在挡风玻璃后面或其它第一表面):潜在更强的干扰源是由挡风玻璃或激光雷达系统其它第一表面引起的反射。就像发射光束连续不断地反射一样,相对于远处的物体,反射将是连续非常强烈的,代表了一种类似的低频分量,该低频分量会在转换后的数据中产生不良的FFT旁瓣,还可能会大大降低可用动态范围。此外,挡风玻璃作为在机械应力下的多层玻璃,具有复杂的不均匀极化。这使返回到光电探测器的信号电场随机化,提高了光学混合复杂度(去相干)。


最后,由于时域处理与频域处理的性质不同,即使在高动态范围的情况下,多回波处理在ToF系统也是直接完成的。而FMCW系统则需要非常明确的指示。多回波处理在处理烟雾、蒸汽和雾气等掩蔽物时尤其重要。


FMCW激光雷达


主张5:FMCW激光雷达是汽车级的,又可靠又易于扩展


未经证实。


FMCW激光雷达声称具有以下优势:凭借光子学和电信技术的成熟度,更容易达到更高性能(节省成本除外)。的确,FMCW激光雷达允许使用低成本的光电探测器(例如PIN),而ToF激光雷达通常使用雪崩光电二极管(APD)和其它更昂贵的探测器。


激光雷达元器件的供应链尚处于起步阶段,但是诸如光纤激光器、PIN阵列接收器、模数转换器(ADC)和现场可编程门阵列(FPGA)之类的元件已在各个行业应用多年。从基本的供应链角度来看,这些特定类型的元件风险非常低。相比之下,FMCW激光雷达系统的关键元件是普及率非常低的相位噪声激光器,要求严格,没有其他批量用户帮助降低批量制造成本。


ToF激光雷达系统使用的光学元件是广泛应用于商业系统(有线电视、电信、医疗仪器和其它行业)中常规元件的衍生产品。MEMS技术,几乎存在于每辆汽车中的安全气囊和压力传感器,以及军事领域的Gatlin枪、导弹导引头和激光谐振器Q开关等,现在也被用于激光雷达。FMCW系统中的元件已经存在于实验室多年,但还没出现批量生产系统完成其所需元件的制造,如频率捷变长相干长度二极管激光器。


此外,ToF激光雷达所需的车规级元件(激光器、探测器、ASIC等)供应商相对较多。从历史上看,一项突破性技术(例如FMCW激光源)必须付出十倍的功夫才能拥有强大的供应链。


可扩展性与成熟度直接相关。一种描述技术成熟度的方法由美国国家航空航天局(NASA)制定,称为“技术就绪指数”(TRL)。该方案将技术成熟度分为9个等级,从技术萌芽状态(TRL 1)到成功部署于多项任务(TRL 9)进行编号。这种编号方案并未说明从一个级别到另一个级别要进行多少工作,但是我们的经验是,每个级别之间至少存在因子为10甚至100的差异。


关键词:FMCW激光雷达 ToF激光雷达    浏览量:1145

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