據麥姆斯諮詢介紹，激光雷達（LiDAR）是一種利用激光來測量物體之間距離的遙感方法。激光雷達根據不同類型可以通過閃光快照（flash）或掃描來提供周圍環境的三維（3D）點雲圖，因此，有望幫助自動駕駛汽車更快、更好的決策，並改善導航來提高自動駕駛汽車的安全性。
目前，激光雷達導航系統一直依賴於被稱為飛行時間（Time-of-flight, ToF）的第一代脈衝技術。脈衝ToF激光雷達通過發射強大的光脈衝，並測量從物體反射回來的光子的往返時間來實現障礙物探測。
夜間ToF激光雷達工作原理
ToF激光雷達在日間及其它激光雷達同時工作時的狀況
ToF激光雷達在夜間的運行效果很好，但是在日光明亮的白天，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。為了解決這些問題，一些ToF激光雷達供應商開始通過將發射信號分成多個脈衝來引入編碼技術。但是，測距性能與系統的峰值功率成正比，將可用能量分成多個脈衝會導致測距性能的下降。
人眼安全問題
此外，目前大部分ToF激光雷達系統的工作波長為850 nm和905 nm，非常接近可見光譜。
激光雷達常用波長示意圖
人眼安全問題很重要，它限制了系統的功率和探測範圍。此外，在850 nm~905 nm波段有明顯的太陽輻射，會在日光下帶來干擾。更好的波長選擇是1550 nm，其人眼安全性相對高40倍，並且不容易受到日光干擾。
激光雷達必然會像雷達一樣向相干探測方案發展。與發射簡單的脈衝不同，相干探測發射並依賴於低功率頻率啁啾。
該圖說明了FMCW激光雷達的主要工作原理。低功率發射啁啾（綠色）信號到達物體反射，返回啁啾（藍色）信號之間的頻移與物體的距離和速度成比例。向上和向下的啁啾用於解析距離和速度值。
反射啁啾以頻移形式包含了測量點的距離信息。如果測量點也具有徑向速度，則反射啁啾會增加多普勒頻移。
利用上/下啁啾可以使相干激光雷達同時解析每個像素的距離和速度。ToF激光雷達無法即時分辨速度。而速度，是關於車輛周圍行人和物體的非常重要的環境信息。
面向未來的FMCW激光雷達
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。
FMCW激光雷達的光子電路將一部分出射相干激光與接收光混合。這提供了一種獨特的“解鎖鑰匙”，可以有效阻止任何背景輻射或其它激光雷達的干擾。
該圖說明了相干放大的概念。從藍色發射信號分出來的本振光（LO）與紫色弱接收信號發生相長干涉，併產生新的綠色強拍頻信號。然後，強拍頻信號被反饋到光電探測器並被檢測。通過對接收波形進行快速傅立葉變換來獲取距離信息。
FMCW vs ToF
FMCW與ToF激光雷達相比，還有一些其他突出優勢：
ToF激光雷達的最大測距距離受到人眼安全標準的限制。在自動駕駛情況下，非常需要具有對距離200 m以上低反射率物體（例如，前方道路上的深色物體）的探測能力，以給自動駕駛車輛足夠的時間執行規避操作或簡單地制動。目前，市場上還沒有一款近紅外ToF系統能夠實現200 m距離對5%反射率物體的探測。
未來，預計激光雷達傳感器將會像如今的雷達傳感器一樣普及。但是，ToF激光雷達很容易受到多系統干擾。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，正確應用FMCW技術時，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。
並且，FMCW激光雷達的每個像素都包含速度信息（4D感知），為自動駕駛系統提供了更清晰、更安全的環境感知能力。FMCW測量可以返回每個像素的徑向速度，從而有效提供4D圖像。而在ToF測量系統中，像素速度信息需要後續測量，由於運動模糊，這些測量通常很難提取。
此外，只有利用FMCW技術在短波紅外（SWIR）波段才能將所有元件集成在單個光子芯片上，以達到使該技術真正大眾化所需要的成本目標，這可能是目前FMCW技術最重要的優勢。首先，片上波導在這些波長（例如1550 nm）下是透明且低損耗的。其次，FMCW方案的激光峰值功率水平在100 mW範圍內，而ToF激光雷達則為數百或數千瓦。另外，光子集成還可以利用光學相位陣列實現固態光束操縱。
目前全球大約有一百多家激光雷達開發商，並且這個數字還在持續增加。但是，其中僅有不到10家公司在專注開發FMCW激光雷達。另外，迄今為止只有一家公司展示了自己的激光雷達硅光子芯片。
據麥姆斯諮詢此前報道，美國硅光子創業公司SiLC Technologies的硅光子集成FMCW激光雷達芯片可以提供每個測量像素的深度和速度數據。（左側是場景的可見光攝像機圖像，中間和右側分別是深度和速度點雲圖。）
SiLC Technologies的團隊利用其在硅光子學領域20多年的積累和專有工藝技術，正在研究將激光器、相干探測引擎和探測器集成到一顆單芯片上。
基於光子芯片的高速波長掃描激光技術全球領先企業Insight LiDAR公司，在2019年消費電子展（CES）上正式推出了Digital Coherent LiDAR激光雷達（上圖為該激光雷達全速掃描獲得的原始成像）。這款激光雷達基於靈敏度更高的FMCW探測技術，對於低反射率（反射率<10%）物體，探測距離最高可達200米；對於汽車車身、樹木或其它障礙物，最大探測距離可達250米。
此外，市場上目前主攻FMCW激光雷達的其它代表性廠商還有Blackmore、Aeva以及Bridger Photonics等公司。他們都分別獲得了寶馬風險投資、豐田風險投資和蔡司等產業鏈巨頭的大筆投資。
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