激光雷達(dá)(LiDAR)作為自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航與三維感知的核心傳感器，其技術(shù)路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展。當(dāng)前主流的測(cè)距技術(shù)包括飛行時(shí)間法(TOF)、調(diào)頻連續(xù)波法(FMCW)及相位測(cè)距法。這三種技術(shù)從原理到應(yīng)用場(chǎng)景存在顯著差異，其性能優(yōu)劣直接影響激光雷達(dá)的探測(cè)精度、抗干擾能力及商業(yè)化落地潛力。本文將從技術(shù)原理、性能參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展趨勢(shì)四個(gè)維度，系統(tǒng)解析三種測(cè)距技術(shù)的核心差異。

一、技術(shù)原理對(duì)比

1. TOF(Time of Flight)技術(shù)

TOF技術(shù)基于光速測(cè)距原理，通過(guò)測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到接收的往返時(shí)間計(jì)算目標(biāo)距離。其核心組件包括激光發(fā)射器、接收器及高精度計(jì)時(shí)電路。例如，某款1550nm波長(zhǎng)的TOF激光雷達(dá)，發(fā)射脈沖寬度為3ns，光速為299,792,458m/s，則單次測(cè)距的理論精度可達(dá)約0.45m(計(jì)算公式：距離=光速×?xí)r間/2)。

TOF技術(shù)可分為直接測(cè)距(dToF)與間接測(cè)距(iToF)。dToF通過(guò)單光子雪崩二極管(SPAD)記錄每個(gè)光子的飛行時(shí)間，適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)(如200m以上);iToF則通過(guò)調(diào)制激光頻率并測(cè)量回波相位差，適用于中短距離(如50m以內(nèi))。兩者的核心區(qū)別在于時(shí)間分辨率與系統(tǒng)復(fù)雜度：dToF需皮秒級(jí)計(jì)時(shí)電路，而iToF依賴高頻調(diào)制信號(hào)生成。

2. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)技術(shù)

FMCW技術(shù)通過(guò)發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波，并利用相干探測(cè)原理計(jì)算目標(biāo)距離與速度。其工作過(guò)程可分為三步：

發(fā)射調(diào)頻激光：激光頻率隨時(shí)間按三角波規(guī)律變化(如40GHz帶寬);

回波信號(hào)混頻：接收信號(hào)與本地參考光進(jìn)行拍頻，產(chǎn)生低頻差拍信號(hào);

距離與速度解算：通過(guò)分析差拍信號(hào)的頻率與相位，解算出目標(biāo)距離與徑向速度。

FMCW的優(yōu)勢(shì)在于可同時(shí)獲取目標(biāo)距離與速度信息，且抗干擾能力顯著優(yōu)于TOF。例如，某FMCW激光雷達(dá)在100m處可分辨0.1m/s的速度變化，而TOF需多幀數(shù)據(jù)擬合才能實(shí)現(xiàn)類似精度。

3. 相位測(cè)距技術(shù)

相位測(cè)距基于調(diào)制光波的相位差計(jì)算距離，其核心是測(cè)量發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的相位延遲。以某款905nm波長(zhǎng)的相位激光雷達(dá)為例，調(diào)制頻率為100MHz，則相位差每變化2π對(duì)應(yīng)1.5m的距離變化。通過(guò)多頻調(diào)制(如同時(shí)使用100MHz與1GHz信號(hào))，可消除相位模糊問(wèn)題，將測(cè)距范圍擴(kuò)展至千米級(jí)。

相位測(cè)距的精度受調(diào)制頻率與相位噪聲限制。高頻調(diào)制可提升精度，但需更復(fù)雜的信號(hào)處理電路;低頻調(diào)制則犧牲精度以換取系統(tǒng)穩(wěn)定性。

二、性能參數(shù)對(duì)比

參數(shù)TOFFMCW相位測(cè)距

測(cè)距精度cm級(jí)(dToF)至mm級(jí)mm級(jí)(100m內(nèi))mm級(jí)(短距)

速度測(cè)量間接推算(需多幀)直接測(cè)量(單幀)不支持

抗干擾性易受環(huán)境光與多徑效應(yīng)影響高(相干探測(cè))中(依賴調(diào)制信號(hào))

峰值功率高(kW級(jí)脈沖)低(mW級(jí)連續(xù)波)中(W級(jí)連續(xù)波)

系統(tǒng)復(fù)雜度中(脈沖驅(qū)動(dòng)與計(jì)時(shí))高(調(diào)頻與混頻)中(調(diào)制與解調(diào))

典型案例：

TOF：禾賽科技AT128采用dToF技術(shù)，在10%反射率下可探測(cè)200m目標(biāo)，適用于高速自動(dòng)駕駛場(chǎng)景;

FMCW：Aeva的Aeries II通過(guò)FMCW技術(shù)實(shí)現(xiàn)4D點(diǎn)云(距離、速度、角度、強(qiáng)度)輸出，在150m處角分辨率達(dá)0.1°;

相位測(cè)距：Velodyne的VLP-16采用相位測(cè)距，在100m內(nèi)精度優(yōu)于3cm，但需配合合作目標(biāo)使用。

三、應(yīng)用場(chǎng)景適配

1. 自動(dòng)駕駛

TOF：主導(dǎo)中長(zhǎng)距探測(cè)(如100-250m)，滿足高速場(chǎng)景下的前向避障需求;

FMCW：適用于城市NOA(導(dǎo)航輔助駕駛)場(chǎng)景，其速度信息可提前預(yù)警“鬼探頭”等突發(fā)風(fēng)險(xiǎn);

相位測(cè)距：多用于補(bǔ)盲雷達(dá)(如側(cè)向與后向)，通過(guò)高精度測(cè)量實(shí)現(xiàn)低速場(chǎng)景的精準(zhǔn)泊車。

2. 機(jī)器人導(dǎo)航

TOF：適用于AGV(自動(dòng)導(dǎo)引車)的SLAM(同步定位與建圖)，其快速響應(yīng)能力可提升路徑規(guī)劃效率;

FMCW：在復(fù)雜環(huán)境中(如倉(cāng)庫(kù)貨架間)表現(xiàn)更優(yōu)，通過(guò)速度信息區(qū)分動(dòng)態(tài)與靜態(tài)障礙物;

相位測(cè)距：常用于服務(wù)機(jī)器人的避障模塊，通過(guò)合作目標(biāo)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度。

3. 三維建模

TOF：通過(guò)高脈沖能量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離掃描，適用于建筑測(cè)繪與地形勘探;

FMCW：在微米級(jí)精度需求下(如精密工業(yè)檢測(cè))具有優(yōu)勢(shì);

相位測(cè)距：多用于手持式掃描儀，通過(guò)多頻調(diào)制消除相位模糊。

四、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

TOF技術(shù)：向芯片化與集成化發(fā)展，例如Lumentum的VCSEL陣列將發(fā)射器尺寸縮小至指甲蓋大小，功耗降低50%;

FMCW技術(shù)：突破成本與量產(chǎn)瓶頸，Aeva計(jì)劃通過(guò)硅光子技術(shù)將FMCW激光雷達(dá)成本降至千元級(jí);

相位測(cè)距技術(shù)：結(jié)合AI算法優(yōu)化相位解調(diào)，例如Ouster的數(shù)字波形處理技術(shù)使相位噪聲降低30dB。

未來(lái)挑戰(zhàn)：

TOF需解決多徑效應(yīng)與陽(yáng)光干擾問(wèn)題;

FMCW需提升調(diào)頻線性度以降低相位噪聲;

相位測(cè)距需擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍以適應(yīng)高速目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

TOF、FMCW與相位測(cè)距技術(shù)各有優(yōu)劣，其選擇需基于應(yīng)用場(chǎng)景的權(quán)衡。TOF以成熟度與成本優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)當(dāng)前市場(chǎng)，F(xiàn)MCW憑借速度測(cè)量與抗干擾能力成為未來(lái)方向，而相位測(cè)距則在特定領(lǐng)域(如精密測(cè)量)保持不可替代性。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)提升與機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展，三種技術(shù)的融合創(chuàng)新(如TOF+FMCW混合架構(gòu))或?qū)⒊蔀橄乱淮?a href="/tags/激光雷達(dá)" target="_blank">激光雷達(dá)的核心形態(tài)。