FMCW激光雷达替代ToF激光雷达的技术解析与实现路径

2025-03-22 14:41

要使用FMCW雷达代替ToF雷达，激光雷达的主要器件要替换，包括激光器，扫描器，接收器，处理器。

3.1激光器

FMCW雷达一般使用半导体激光器，不像ToF雷达使用FET进行信号开关，而是需要进行频率调节。激光器按照调制方式，分为直接调制（或者内调制）和外调制两种。

·内调激光器：在谐振腔内放置调制元件，直接改变激光器工作电流，用信号控制调制元件物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光的输出特性。
-缺点：省掉了调制器和信号源的成本，但是实现的难度大。

·外调激光器：外调制是把激光的产生和调制分开。在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过时，实现频率的调制。

-缺点：集成度低，成本高。

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内调激光器和外调激光器的区别

3.2扫描器

FMCW雷达一般采用半固态MEMS振镜，或者纯固态扫描。

其中纯固态扫描有三个方式：

·光学相控阵：通过对阵列移相器中每个移相器相位的调节，利用干涉原理（实现激光按照特定方向发射。是多数FMCW激光雷达厂商的选择。

·焦平面阵列

·波长色散

图片2.png

三种固态扫描方式

下面是三种扫描方式优劣势对比：

扫描方案	扫描原理	优点	缺点
OPA	相控阵技术。	分辨率高，角度灵活性高。	会有旁瓣的干扰。天线数多，系统复杂。
Focal Plane Array	使用不同像素作为发光源，实现不同角度的扫描。	实现简单。	分光损耗较大，探测距离有限，扫描角度固定。
Wavelength Dispersion	使用棱镜将不同波长的激光进行色散，实现不同角度的扫描。	实现简单。	需要宽谱激光，激光器难度大。扫描角度有限且固定。

3.3接收器

可以使用相对低廉的PIN（二极管）作为接收单元，但是需要非常精确的低噪声光信号处理（OSP）电路来构建相干接收器。此外，在TOF 中，由于信号传播过程中存在近100 dB 的损耗，探测器需要将衰减的信号放大，这个放大系数称为“增益”。APD 和SPA 由于具有较高增益，因此价格较高。而在FMCW 中，部分光束在发射前会保留在本地，与回波信号结合形成“相干增益”，这一增益不带噪声，使得增益较小、成本较低的探测器即可满足需求。