对于ToF激光雷达,我们认为元件和系统处于TRL 8,而FMCW元件和系统则处于TRL 4。TRL数值上的差异需要多年才能赶上。FMCW系统可扩展性的主要缺点包括:由于激光啁啾脉冲展宽而导致的发射频率低,以及处理回波所需的高速ADC和FPGA。如果需要更高的激光发射频率,则需要部署光路和电子器件的并行通道。可使用单轴扫描MEMS,但构成了激光雷达系统的大部分成本,因此,通道翻倍几乎使激光雷达的整体成本翻了一番。
激光器成本:在FMCW激光雷达系统中,相干长度由激光器的设计和制造方式决定,并且长度必须至少是最大探测距离的两倍。通常,低相位噪声激光器比传统的二极管激光器价格高很多。相反,除了保持良好的脉冲形状外,ToF激光雷达系统对激光器的其它要求不会高于电信应用。
接收器成本:尽管FMCW激光雷达所用探测器确实可以用相对低廉的PIN。但由于前端光学器件和后端电子器件的要求,接收器的整体成本很高。关于所需的接收器尺寸,同轴FMCW激光雷达系统和同轴ToF激光雷达系统的接收器成本不会出现明显差异。但如果看接收器的总成本,ToF系统占优势。
光学元件成本:在典型的ToF系统中,发生非相干探测(简单的振幅峰值检测),光学元件仅需在波长的四分之一(即λ/4)之内。相比之下,FMCW系统使用相干探测,所有光学表面都必须在更严格的公差范围内,例如λ/20。这些元件可能非常昂贵,而且供应商也很少。
电子元件成本:AEye提供的ToF系统中,电子元件包括一颗高速ADC和一颗执行峰值检测和距离计算的FPGA。电子器件的带宽与距离分辨率成正比,对于常见的激光雷达系统要求,这些元件都非常普通。
FMCW对ADC转换速率的要求是ToF系统的2~4倍,对FPGA的要求是能够接收数据并进行超高速FFT转换。即使使用ASIC,FMCW系统所需的处理系统复杂度(和成本)也是ToF系统的几倍。
主张6:光学相控阵(OPA)可以弥补FMCW固态性能的不足
未经证实。
FMCW的TRL数值较低,而光学相控阵(OPA)的TRL数值更低(实验性原理证明,大致相当于TRL 3),还无法为FMCW激光雷达大规模使用。最初的美国国防高级研究计划局(DARPA)模块化光学孔径构建块(MOABB)项目表明,要实现非常低的空间旁瓣发射波束操纵性能,必须使用亚微米(λ/2)波导。这么短的波导对元件的功耗处理能力要求很高,是限制该技术的基本因素。在接收端,将来自输入透镜的光耦合到光学衬底的想法也是光学性能的挑战(光阑限制),光学衬底必须将光收集到一个非常小的波导中。
大多数OPA系统使用激光波长的热位移来控制一维光束,使用OPA控制另一维光束。众所周知,随着激光束的频移,相控阵光束操纵能力非常迅速地退化(产生空间旁瓣)。光束操纵机制依赖于恒定的光强和恒定的波长,而测距机制依赖于激光器的扫频(波长),这种组合对于传统的FMCW技术效果不佳。将FMCW技术与处于发展初期的OPA光束操纵技术相结合的想法,具有极大的风险。我们认为,这条道路可能还需要十年才能达到可用的成熟度。
结论
AEye认为,在成本、测距范围、性能和点云质量很重要的前提下,激光发射频率高、扫描快速的ToF系统比FMCW系统更能有效满足自动驾驶汽车激光雷达的需求。