激光雷达技术入门：TOF飞行时间与相干探测的优势解析

  摘要

  激光雷达是重要的探测技术，应用广泛，包括空中测绘、自动驾驶等领域。激光雷达系统的一个关键设计选择是返回光脉冲的探测方式。本文回顾了两种主要方式：直接飞行时间探测和相干探测。飞行时间系统使用脉冲激光，测量光脉冲的时间延迟计算距离。相干探测将接收光与发射光的样本混合，以放大信号并抑制噪声。文中比较了两种方式的优势和权衡，包括测距范围、环境适应性、速度测量精度和成本等多方面。对于自动驾驶等近距离应用，相干探测在抗干扰、恶劣天气适应性和原生速度感知方面具有优势。但对于长距离测绘应用，高功率飞行时间系统更为可取。最佳探测方式取决于范围、环境和性能需求的平衡。

  简介

  激光雷达应用于自动驾驶、空中测绘、气象等领域。开发激光雷达系统时的关键设计决策是返回光脉冲的探测方式选择。主要有两种方式：直接飞行时间探测和相干探测。每种方式都有自己的优势和局限，涉及最大测距范围、环境适应性、速度测量、成本等方面。本文将回顾两种方式在激光雷达系统中的工作原理、优势和局限性，并结合相关性能指标和应用案例，提供选择最佳探测技术的指导。

  飞行时间探测概述

  飞行时间(TOF)激光雷达使用短脉冲激光，测量光脉冲往返目标的时间。如图1所示，系统根据发射和接收脉冲之间的时间延迟计算距离。TOF系统工作原理：

  发出短时间(几纳秒)激光脉冲，启动计时器。

  探测反射脉冲，停止计时器。

  将距离计算为往返时间与光速的一半乘积。TOF激光雷达概念简单，可以与相对低成本的激光器和探测光学配合使用。但在最大测距范围、抗干扰性和穿透迷雾烟尘能力方面存在局限。

图1：飞行时间激光雷达距离测量

  随距离增加，返回信号强度按平方反比衰减。要将测距范围提升一倍需要约16倍的峰值激光功率。阳光或其他激光雷达系统的干扰会对探测产生干扰。迷雾、飞雪等会导致严重的背向散射，致使TOF系统“失明”。速度信息需要处理多帧图像计算。总体来说，TOF激光雷达非常适合短中距离、干扰小的高精度距离测量应用。

  相干探测概述

  相干探测激光雷达将接收光与发射光的样本混合，这种技术称为异频或同频探测。相干系统使用连续调制激光而不是短脉冲。通过测量发射和接收之间的相位延迟可以计算距离和速度。相干探测的主要优点如图2所示，包括：

  通过与大功率本地振荡器信号混合实现信号放大，使低传输功率下也具有出色灵敏度。

  仅检测匹配波长，因此可过滤阳光等噪声，具有出色的抗干扰能力。

  通过检测多普勒频移实现原生速度测量。

图2：相干激光雷达探测概念

  这些优点的代价是复杂性增加。相干系统需要高稳定性窄线宽激光器，信号处理更复杂，通常需要傅里叶变换。但现代芯片组可帮助解决这些需求。高灵敏度和抗干扰使相干探测非常适合长距离或高噪声场景，速度数据也有助于后续感知和分类。

  比较分析

  从关键性能维度比较飞行时间和相干探测：

  1、测距范围：TOF系统擅长中短距离，低于500米，通过高功率激光和精密光学可达1公里以上。相干探测更适合500米以上长距离，部分系统超过10公里，本地振荡器放大使其低传输功率下也具备出色灵敏度。

  2、使用环境：相干探测可处理干扰和迷雾烟尘，窄带选择可过滤阳光防止饱和。TOF系统抗干扰和穿透迷雾烟尘能力较弱，需要滤波、编码及高信噪比接收器。

  3、速度测量：相干激光雷达可通过多普勒频移实现原生高精度速度数据。TOF系统需要处理多帧图像以估算速度，精度较低。

  4、尺寸和成本：TOF系统使用脉冲激光，相干要求低，光学部件更小更低成本。相干激光雷达需要高稳定窄线宽激光器，复杂度更高，但探测端更简单。总体成本取决于产量和性能指标。

图3. 直接探测与相干探测激光雷达比较表

  TOF激光雷达可提供简单的中短距离高精度距离数据，而相干探测可提供实际应用所需的抗干扰能力和原生速度输出。

  应用案例

  举两个例子进一步说明探测技术的权衡：

  自动驾驶 - 相干激光雷达可提供抗干扰、适应恶劣天气、精准速度输出等自动驾驶所需的关键优势，200米以下的距离要求可满足。

  空中测绘 - TOF系统组合了数公里的长距离测量和简单探测光学的优势，空中使用期间不太可能出现干扰。

  上述案例中，最佳探测方式与距离、环境和信息需求相符，突出根据具体应用场景选择匹配的激光雷达探测方式的重要性。

  使用逍遥科技的PhotoCAD设计的激光雷达案例

  PhotoCAD支持光子集成电路的脚本驱动布局设计，便于快速原型设计和设计重用。OPA案例展示了构建MMI分光器树将光分割到集成加热器的阵列单元进行波束扫描。脚本放置MMI单元、在单元间路由波导、添加加热器和光栅耦合器，并连接至焊盘。关键参数如间距和阵列数量可指定。展示了PhotoCAD在分层光电集成电路布局和参数化设计方面的优势。FMCW接收器通过将接收光与发射光的样本混合提取距离和速度数据。该案例组合了可调谐激光器、光分光器、光电二极管等组件，在单元间自动布线波导。

  PhotoCAD实现了对多个光子构建块的快速集成，这对复杂的相干探测系统至关重要。这些案例突显了PhotoCAD在PIC布局自动化的优势，可重复的脚本和参数化单元便于光相控阵、波束扫描系统、相干收发器等关键激光雷达组件的设计和修改。该工具灵活性强，支持多种激光雷达系统架构，促进快速原型设计和定制以满足不同的激光雷达性能需求。

图4. 使用PhotoCAD布局工具实现的OPA

  结论

  根据距离范围、使用环境、精度和成本约束等要求，飞行时间和相干探测都可实现可行的激光雷达解决方案。TOF系统构建简单但抗干扰能力有限。相干探测提供抗干扰能力和原生速度输出但复杂度较大。了解这些权衡后，激光雷达设计人员可根据应用性能目标定制最佳的系统探测结构。随着激光器、光学和信号处理技术的进步，两种探测技术都将不断改进。

  参考文献

  https://www.embedded.com/why-coherent-lidar-is-gaining-traction-in-adas-and-automotive-sensing/