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細節(jié)分析FMCW激光雷達是否真能否完勝ToF激光雷達


  來源: 麥姆斯咨詢 時間:2020-07-29 編輯:儀器儀表WXF
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事實恰恰相反!


在ToF系統(tǒng)和FMCW系統(tǒng)中都會出現(xiàn)偽影。這可能包括反射器異常,例如“光環(huán)”、“殼”、第一表面反射(在擋風(fēng)玻璃后發(fā)生甚至更糟)、離軸空間旁瓣、多路徑和雜波。決定激光雷達性能的關(guān)鍵在于在空間域(良好的光學(xué)器件)和波形時域中抑制旁瓣。ToF和FMCW系統(tǒng)在空間行為上具有可比性,但是當(dāng)存在高對比度目標(biāo)時,F(xiàn)MCW真正遭受的損失來自于波形時域。


雜波:FMCW系統(tǒng)依靠基于窗函數(shù)的旁瓣抑制來解決自干擾(雜波),該干擾遠不如沒有旁瓣的ToF系統(tǒng)健壯。為了提供背景信息,一束10微秒的FMCW脈沖可以在1.5公里范圍內(nèi)徑向傳播。在此范圍內(nèi),任何對象都將陷入快速傅里葉變換(時間)旁瓣。即使是更短的1微秒FMCW脈沖也可能會被150米外的高強度雜波破壞。第一個矩形窗口快速傅里葉變換(FFT)的旁瓣是大家所知的-13dB,遠高于獲得優(yōu)質(zhì)點云所需要的水平。


當(dāng)然,可以采用更深的旁瓣錐度,但是會犧牲脈沖展寬。此外,接收機前端的非線性(所謂無寄生動態(tài)范圍)將限制整體系統(tǒng)能達到的有效旁瓣水平,這是由于:壓縮和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)雜散(三階截距)、相位噪聲和大氣相位調(diào)制等,這些都無法減輕窗口錐度。航空航天和國防系統(tǒng)當(dāng)然可以克服這些限制,但用于汽車的系統(tǒng)成本相對低,也必須能夠在超過100db的動態(tài)范圍內(nèi)從近距離后向反射鏡中分揀出遠距離小物體,這在FMCW系統(tǒng)中會出現(xiàn)。


相比之下,典型的高斯ToF系統(tǒng)在2納秒的脈沖持續(xù)時間下,除了脈沖持續(xù)時間本身產(chǎn)生的幾厘米以外,沒有任何基于時間的旁瓣。當(dāng)捕獲小目標(biāo)時,小偏移和大偏移回波之間的動態(tài)范圍都不會對入射到光電探測器上的光產(chǎn)生任何影響。我們邀請激光雷達系統(tǒng)評估人員親自檢查ToF激光雷達與FMCW激光雷達在不同駕駛條件下的點云質(zhì)量。FMCW激光雷達系統(tǒng)中大量潛在的旁瓣會導(dǎo)致偽影,這些偽影不僅會影響局部距離樣本,還會影響給定脈沖的整個返回波形!


第一表面(例如,F(xiàn)MCW激光雷達安裝在擋風(fēng)玻璃后面或其它第一表面):潛在更強的干擾源是由擋風(fēng)玻璃或激光雷達系統(tǒng)其它第一表面引起的反射。就像發(fā)射光束連續(xù)不斷地反射一樣,相對于遠處的物體,反射將是連續(xù)非常強烈的,代表了一種類似的低頻分量,該低頻分量會在轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不良的FFT旁瓣,還可能會大大降低可用動態(tài)范圍。此外,擋風(fēng)玻璃作為在機械應(yīng)力下的多層玻璃,具有復(fù)雜的不均勻極化。這使返回到光電探測器的信號電場隨機化,提高了光學(xué)混合復(fù)雜度(去相干)。


最后,由于時域處理與頻域處理的性質(zhì)不同,即使在高動態(tài)范圍的情況下,多回波處理在ToF系統(tǒng)也是直接完成的。而FMCW系統(tǒng)則需要非常明確的指示。多回波處理在處理煙霧、蒸汽和霧氣等掩蔽物時尤其重要。


FMCW激光雷達


主張5:FMCW激光雷達是汽車級的,又可靠又易于擴展


未經(jīng)證實。


FMCW激光雷達聲稱具有以下優(yōu)勢:憑借光子學(xué)和電信技術(shù)的成熟度,更容易達到更高性能(節(jié)省成本除外)。的確,F(xiàn)MCW激光雷達允許使用低成本的光電探測器(例如PIN),而ToF激光雷達通常使用雪崩光電二極管(APD)和其它更昂貴的探測器。


激光雷達元器件的供應(yīng)鏈尚處于起步階段,但是諸如光纖激光器、PIN陣列接收器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)之類的元件已在各個行業(yè)應(yīng)用多年。從基本的供應(yīng)鏈角度來看,這些特定類型的元件風(fēng)險非常低。相比之下,F(xiàn)MCW激光雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是普及率非常低的相位噪聲激光器,要求嚴格,沒有其他批量用戶幫助降低批量制造成本。


ToF激光雷達系統(tǒng)使用的光學(xué)元件是廣泛應(yīng)用于商業(yè)系統(tǒng)(有線電視、電信、醫(yī)療儀器和其它行業(yè))中常規(guī)元件的衍生產(chǎn)品。MEMS技術(shù),幾乎存在于每輛汽車中的安全氣囊和壓力傳感器,以及軍事領(lǐng)域的Gatlin槍、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭和激光諧振器Q開關(guān)等,現(xiàn)在也被用于激光雷達。FMCW系統(tǒng)中的元件已經(jīng)存在于實驗室多年,但還沒出現(xiàn)批量生產(chǎn)系統(tǒng)完成其所需元件的制造,如頻率捷變長相干長度二極管激光器。


此外,ToF激光雷達所需的車規(guī)級元件(激光器、探測器、ASIC等)供應(yīng)商相對較多。從歷史上看,一項突破性技術(shù)(例如FMCW激光源)必須付出十倍的功夫才能擁有強大的供應(yīng)鏈。


可擴展性與成熟度直接相關(guān)。一種描述技術(shù)成熟度的方法由美國國家航空航天局(NASA)制定,稱為“技術(shù)就緒指數(shù)”(TRL)。該方案將技術(shù)成熟度分為9個等級,從技術(shù)萌芽狀態(tài)(TRL 1)到成功部署于多項任務(wù)(TRL 9)進行編號。這種編號方案并未說明從一個級別到另一個級別要進行多少工作,但是我們的經(jīng)驗是,每個級別之間至少存在因子為10甚至100的差異。


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