在自動駕駛產業鏈中，感知層是十分重要的一環，決定了汽車從周圍環境獲取信息的能力，其中激光雷達、毫米波雷達和攝像頭是感知傳感器中的三個主流配置。從激光雷達的測距技術發展來看，目前正在研發的激光測距技術大致可以分為直接脈衝飛行時間探測（TOF）、幅度調製連續波探測（AMCW）以及頻率調製連續波探測（FMCW）三種。按照成熟度區分，市場中的產品90%採用了TOF；FMCW門檻高發展晚，但有數家企業入局，並得到寶馬、豐田、蔡司等產業鏈巨頭投資；AMCW尚未有成型產品推出。TOF雖進展較快，但其成本較高且尚未量產，同時又面臨技術更為複雜但具有相對技術優勢的FMCW追趕，激光雷達技術格局尚未最終確定。本文將從三種激光雷達測距技術入手，探討激光雷達潛在投資機會。
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激光雷達測距技術分類介紹
1、直接脈衝飛行時間探測（TOF）
通過發射和接收激光束，分析激光遇到目標對象後的折返時間，計算出到目標對象的相對距離，並利用此過程中收集到的目標對象表面大量密集的點的三維座標、反射率和紋理等信息，快速得到出被測目標的三維模型以及線、面、體等各種相關數據，建立三維點雲圖，繪製出環境地圖，以達到感知目的。從效果上來講，激光雷達維度(線束)越多，測量精度越高，安全性就越高。
TOF激光雷達技術優點十分明顯，首先是原理簡單，其次是模組和芯片成熟度高，易開發。TOF在夜間的運行效果很好，但是在日光明亮的白天，由於TOF採用850 nm~905 nm波段接近可見光，其功率不能太高以保護人眼安全，同時來自太陽的光子會干擾信號，從而在接收信號中產生噪聲。此外，在附近有多個TOF激光雷達同時工作時，TOF系統可能會由於從其他激光雷達系統接收到的脈衝干擾而完全無法工作。
2、幅度調製連續波探測（AMCW）
與直接脈衝探測不同，AMCW發射的是連續激光信號，通過將光波的強度進行調製（如正弦波或三角波等），使光波在投射到物體後返回探測器的過程中在光強波形上形成一個相位差，那麼通過測量相位差，就可以間接獲取光的飛行時間，從而反推飛行距離。
相比於直接脈衝測量技術，AMCW精度較高，一般可達毫米量級，但由於其發射的是連續信號，平均功率遠低於脈衝信號的峰值功率，這就限制了系統的探測距離。在遠距離探測時需要較大的光功率，尤其在百米級探測距離下，存在人眼安全隱患，這顯然是無法通過車規的。另外，由於其必須採集完整的週期信號，這就使系統的探測時間較長。從當前的產品應用來看，AMCW應用較少。
3、頻率調製連續波探測（FMCW）
FMCW發射頻率隨時間穩定變化的連續光束，採用1550nm激光。光束被分開的兩段，其中一段被髮送，然後在反彈回來後與另一段進行相干混頻，得到包含目標距離和速度信息的差頻信號，然後對差頻信號進行處理和檢測即可得到目標的距離和速度。
業內FMCW對信號頻率調製的思路有線性調頻和調相兩種。調相時有調頻發生，調頻時也有調相發生，但兩種思路的信息調製方式不同。線性調頻以頻率變化表示信息，調相以信號相對相位的變化表示信息。線性調頻的缺點是成本高，尤其是調頻激光器昂貴，調相的缺點是編碼信號對多普勒敏感，只能應用於多普勒頻率範圍較窄的場合。
相較於脈衝式激光雷達，FMCW具有以下特點：
（1）抗太陽光和其它激光的干擾，保證傳感器的安全可靠。TOF激光雷達探測器可以檢測到雙脈衝，或在其他激光雷達系統存在的情況下很容易飽和。相比之下，FMCW激光雷達可以做到無干擾，因為它只允許自身的相干光通過濾波到達探測器。
（2）多普勒效應單像素實時測速，提供4D信息，有助於目標分類。FMCW激光雷達的每個像素都包含速度信息，為自動駕駛系統提供了更清晰、更安全的環境感知能力，在遮擋等情況下也能有出色表現。而在TOF測量系統中，像素速度信息需要後續計算，其精度受到前期探測的影響。
（3）更高的靈敏度和動態範圍。基於FMCW的相干激光雷達技術可以實現更高的探測靈敏度和精度。對於FMCW激光雷達，信噪比與發射光子總數成比例，而非峰值激光功率。由於FMCW激光雷達具有高出10倍以上的靈敏度，因此其發射平均功率可以比脈衝TOF激光雷達低1000倍。
（4）適合硅光子和相控陣（OPA）技術低成本批量生產。
（5）FMCW採用1550nm激光，明顯優點是峰值功率高，光束質量好，重複頻率高，人眼安全等優勢，適用於較長距離掃描激光雷達，成本、功耗、散熱、以及體積是其主要短板。
（6）FMCW的缺點為調頻激光器較為昂貴，系統成本高，激光調製過程存在非線性效應，校正過程加劇了系統複雜程度。另外，由於其調製的是光頻率對於高精度測距必須考慮傳輸介質的色散影響，並進行補償。
4、TOF與FMCW對比總結
技術指標
TOF
FMCW
激光波長
905nm
1550nm
探測方法
直接探測
相干探測
抗干擾能力
弱
強
有效探測所需光子數
1000
10
人眼安全等級
低
高
精確速度信息
無
有
技術成熟度
成熟
發展中
技術複雜度
適中
複雜
硅光集成製造工藝
適用
適用
靈敏度
低
高
現階段成本
低
高
2
市場現狀
TOF具有技術難度低、成本低的優勢，而FMCW激光雷達的門檻高、發展晚，AMCW更是未見到有樣品產出。目前全球大約有一百多家激光雷達開發商，絕大多數聚焦於TOF雷達產品，其中僅有不到10家公司在專注開發FMCW激光雷達。
資料來源：中金公司研究部
對於TOF雷達，機械形式是2019年中以前的激光雷達主流方案，但是其體積龐大、生產週期長、穩定性達不到車規級要求，並且價格高昂，2019年中 Velodyne在售的64線/32線/16線產品的官方定價分別為8萬/4萬/8千美元。而2020年TOF成本大幅降低成本使其量產可期。2020年CES上，大疆兩款激光雷達分別定價1,000/1,500美元，Velodyne推出的Velabit更是將價格下探至100美元。
對於佈局較少的FMCW雷達，目前國際企業有Aeva（奧迪保時捷大眾領投）、Aurora（收購Blackmore）、Cruise（收購Strobe）、 Insight LiDAR（從Insight Photonic Solutions公司獨立分拆）、Bridger Photonics（獲蔡司投資）、INFOWORKS（前三星團隊）、SiLC Technologies（集成FMCW激光雷達芯片）等，國內企業有愛萊達、光勺科技等入局。在雷達整機方面，進展較快的有Aeva、Aurora、Insight、光勺等廠商。但是幾乎所有產品成本都處於很高的水平，相比TOF而言在價格方面不具有競爭力。
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行業展望
目前激光雷達的測距技術有三種，TOF、FMCW和AMCW，其中TOF和FMCW作為被業內採用的方案已經有廠商在佈局，AMCW技術未見有被業界採用。
目前行業內主要以TOF技術為主，其具有算法簡單、成本低的優勢，並且已經有眾多廠家入局。隨著TOF激光雷達入局者不斷增加，性能不斷提升，價格逐漸下探，未來TOF將在更多車型中量產。
相比於TOF雷達，FMCW技術門檻高，成本現階段相對較高，但在技術上具有優勢，且有更大發展前景。目前TOF技術率先應用並量產於各領域，主要歸功於其相對簡單的光路和計算，而FMCW則被業界認為是激光雷達終級方案技術。預計業內公司將對FMCW技術繼續打磨，從機械形態走向固態激光雷達形態，在小型化的同時降低成本，逐步實現產品化和量產，未來將對TOF雷達產生直接競爭。
