據報道，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希·赫茲（Heinrich Hertz）證明了無線電波可被金屬物體反射。根據赫茲所證明的原理，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。在二戰前，出于空中防御的目的，雷達的研發開始全面展開。隨著半導體技術的進步，雷達現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首次出現。激光雷達通過發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，激光雷達就出現于從地形測量到自動導航系統的各種應用中（圖1）。

圖1：激光雷達的圖像提供更詳細的環境信息

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。發射一個短而明亮的激光脈沖，測量返回所需的時間，并轉換為距離信息。這種方法也被稱為脈沖式（Pulsed）直接飛行時間法（dToF）激光雷達。基于脈沖式dToF的掃描式激光雷達對視場內的物體進行激光掃描，并提供環境的三維圖像。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，這種方法考慮了發射信號的頻率和相位。相干雷達系統的最大優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頻連續波（FMCW）技術為基礎，作為提高發射效率、提高靈敏度和抗干擾能力的最佳調制（圖2）。

圖2：脈沖式dToF激光雷達發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，FMCW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，造成了大多數商用激光雷達系統仍然是脈沖式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的功率水平和信噪比（SNR）決定。與脈沖式dToF相比，FMCW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中已經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射光子總數成正比，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，平均發射功率卻是脈沖激光雷達的十分之一。因此，FMCW激光雷達能夠以小于100mW的峰值激光功率發射周期較長的波形，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，FMCW激光雷達對峰值激光功率的要求至少低四個數量級。（圖片來自：SiLC Technologies）

Bastion Schwarz和兩位同事發布的最新研究表明，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激光雷達系統在測量距離和瞬時速度兩個參數上具有優勢。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據中區分對象。

迄今為止，將FMCW解決方案推向市場的關鍵挑戰是所需的高性能元器件無法實現低成本、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定義的穩定、魯棒性強、精確的分立元器件既困難又昂貴。兩家初創公司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FMCW解決方案。現有的基于電信級元器件的系統成本約數萬美元。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）的主流乘用車所接受。業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（現在普遍存在于家用消費產品中）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經濟有效地制造并集成到同樣廣泛的產品和應用中。

為了實現經濟實惠的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出的控制水平和精度，為實現魯棒性強、經濟高效和高質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。今年1月，SiLC Technologies Inc.（以下簡稱：SiLC）演示了這種解決方案。該公司現專注于優化其功能并實現更高的集成度。

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、專業技能以及專業的版圖和驗證知識。幸運的是，他們可以利用過去十年在電信和數據中心應用方面高達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、工業或醫療保健得以應用成為可能。

總而言之，FMCW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量級以上，在測量距離、瞬時速度、環境抑制、多用戶無干擾操作等方面優勢明顯，同時具備集成完整激光雷達光學系統于一顆尺寸非常小的低成本硅光子芯片的潛力。上述優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。