在自动驾驶产业链中，感知层是十分重要的一环，决定了汽车从周围环境获取信息的能力，其中激光雷达、毫米波雷达和摄像头是感知传感器中的三个主流配置。从激光雷达的测距技术发展来看，目前正在研发的激光测距技术大致可以分为直接脉冲飞行时间探测（TOF）、幅度调制连续波探测（AMCW）以及频率调制连续波探测（FMCW）三种。按照成熟度区分，市场中的产品90%采用了TOF；FMCW门槛高发展晚，但有数家企业入局，并得到宝马、丰田、蔡司等产业链巨头投资；AMCW尚未有成型产品推出。TOF虽进展较快，但其成本较高且尚未量产，同时又面临技术更为复杂但具有相对技术优势的FMCW追赶，激光雷达技术格局尚未最终确定。本文将从三种激光雷达测距技术入手，探讨激光雷达潜在投资机会。
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激光雷达测距技术分类介绍
1、直接脉冲飞行时间探测（TOF）
通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出到目标对象的相对距离，并利用此过程中收集到的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速得到出被测目标的三维模型以及线、面、体等各种相关数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到感知目的。从效果上来讲，激光雷达维度(线束)越多，测量精度越高，安全性就越高。
TOF激光雷达技术优点十分明显，首先是原理简单，其次是模组和芯片成熟度高，易开发。TOF在夜间的运行效果很好，但是在日光明亮的白天，由于TOF采用850 nm~905 nm波段接近可见光，其功率不能太高以保护人眼安全，同时来自太阳的光子会干扰信号，从而在接收信号中产生噪声。此外，在附近有多个TOF激光雷达同时工作时，TOF系统可能会由于从其他激光雷达系统接收到的脉冲干扰而完全无法工作。
2、幅度调制连续波探测（AMCW）
与直接脉冲探测不同，AMCW发射的是连续激光信号，通过将光波的强度进行调制（如正弦波或三角波等），使光波在投射到物体后返回探测器的过程中在光强波形上形成一个相位差，那么通过测量相位差，就可以间接获取光的飞行时间，从而反推飞行距离。
相比于直接脉冲测量技术，AMCW精度较高，一般可达毫米量级，但由于其发射的是连续信号，平均功率远低于脉冲信号的峰值功率，这就限制了系统的探测距离。在远距离探测时需要较大的光功率，尤其在百米级探测距离下，存在人眼安全隐患，这显然是无法通过车规的。另外，由于其必须采集完整的周期信号，这就使系统的探测时间较长。从当前的产品应用来看，AMCW应用较少。
3、频率调制连续波探测（FMCW）
FMCW发射频率随时间稳定变化的连续光束，采用1550nm激光。光束被分开的两段，其中一段被发送，然后在反弹回来后与另一段进行相干混频，得到包含目标距离和速度信息的差频信号，然后对差频信号进行处理和检测即可得到目标的距离和速度。
业内FMCW对信号频率调制的思路有线性调频和调相两种。调相时有调频发生，调频时也有调相发生，但两种思路的信息调制方式不同。线性调频以频率变化表示信息，调相以信号相对相位的变化表示信息。线性调频的缺点是成本高，尤其是调频激光器昂贵，调相的缺点是编码信号对多普勒敏感，只能应用于多普勒频率范围较窄的场合。
相较于脉冲式激光雷达，FMCW具有以下特点：
（1）抗太阳光和其它激光的干扰，保证传感器的安全可靠。TOF激光雷达探测器可以检测到双脉冲，或在其他激光雷达系统存在的情况下很容易饱和。相比之下，FMCW激光雷达可以做到无干扰，因为它只允许自身的相干光通过滤波到达探测器。
（2）多普勒效应单像素实时测速，提供4D信息，有助于目标分类。FMCW激光雷达的每个像素都包含速度信息，为自动驾驶系统提供了更清晰、更安全的环境感知能力，在遮挡等情况下也能有出色表现。而在TOF测量系统中，像素速度信息需要后续计算，其精度受到前期探测的影响。
（3）更高的灵敏度和动态范围。基于FMCW的相干激光雷达技术可以实现更高的探测灵敏度和精度。对于FMCW激光雷达，信噪比与发射光子总数成比例，而非峰值激光功率。由于FMCW激光雷达具有高出10倍以上的灵敏度，因此其发射平均功率可以比脉冲TOF激光雷达低1000倍。
（4）适合硅光子和相控阵（OPA）技术低成本批量生产。
（5）FMCW采用1550nm激光，明显优点是峰值功率高，光束质量好，重复频率高，人眼安全等优势，适用于较长距离扫描激光雷达，成本、功耗、散热、以及体积是其主要短板。
（6）FMCW的缺点为调频激光器较为昂贵，系统成本高，激光调制过程存在非线性效应，校正过程加剧了系统复杂程度。另外，由于其调制的是光频率对于高精度测距必须考虑传输介质的色散影响，并进行补偿。
4、TOF与FMCW对比总结
技术指标
TOF
FMCW
激光波长
905nm
1550nm
探测方法
直接探测
相干探测
抗干扰能力
弱
强
有效探测所需光子数
1000
10
人眼安全等级
低
高
精确速度信息
无
有
技术成熟度
成熟
发展中
技术复杂度
适中
复杂
硅光集成制造工艺
适用
适用
灵敏度
低
高
现阶段成本
低
高
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市场现状
TOF具有技术难度低、成本低的优势，而FMCW激光雷达的门槛高、发展晚，AMCW更是未见到有样品产出。目前全球大约有一百多家激光雷达开发商，绝大多数聚焦于TOF雷达产品，其中仅有不到10家公司在专注开发FMCW激光雷达。
资料来源：中金公司研究部
对于TOF雷达，机械形式是2019年中以前的激光雷达主流方案，但是其体积庞大、生产周期长、稳定性达不到车规级要求，并且价格高昂，2019年中 Velodyne在售的64线/32线/16线产品的官方定价分别为8万/4万/8千美元。而2020年TOF成本大幅降低成本使其量产可期。2020年CES上，大疆两款激光雷达分别定价1,000/1,500美元，Velodyne推出的Velabit更是将价格下探至100美元。
对于布局较少的FMCW雷达，目前国际企业有Aeva（奥迪保时捷大众领投）、Aurora（收购Blackmore）、Cruise（收购Strobe）、 Insight LiDAR（从Insight Photonic Solutions公司独立分拆）、Bridger Photonics（获蔡司投资）、INFOWORKS（前三星团队）、SiLC Technologies（集成FMCW激光雷达芯片）等，国内企业有爱莱达、光勺科技等入局。在雷达整机方面，进展较快的有Aeva、Aurora、Insight、光勺等厂商。但是几乎所有产品成本都处于很高的水平，相比TOF而言在价格方面不具有竞争力。
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行业展望
目前激光雷达的测距技术有三种，TOF、FMCW和AMCW，其中TOF和FMCW作为被业内采用的方案已经有厂商在布局，AMCW技术未见有被业界采用。
目前行业内主要以TOF技术为主，其具有算法简单、成本低的优势，并且已经有众多厂家入局。随着TOF激光雷达入局者不断增加，性能不断提升，价格逐渐下探，未来TOF将在更多车型中量产。
相比于TOF雷达，FMCW技术门槛高，成本现阶段相对较高，但在技术上具有优势，且有更大发展前景。目前TOF技术率先应用并量产于各领域，主要归功于其相对简单的光路和计算，而FMCW则被业界认为是激光雷达终级方案技术。预计业内公司将对FMCW技术继续打磨，从机械形态走向固态激光雷达形态，在小型化的同时降低成本，逐步实现产品化和量产，未来将对TOF雷达产生直接竞争。
