激光雷達(LiDAR)作為自動駕駛、機器人導航與三維感知的核心傳感器，其技術路線呈現(xiàn)多元化發(fā)展。當前主流的測距技術包括飛行時間法(TOF)、調頻連續(xù)波法(FMCW)及相位測距法。這三種技術從原理到應用場景存在顯著差異，其性能優(yōu)劣直接影響激光雷達的探測精度、抗干擾能力及商業(yè)化落地潛力。本文將從技術原理、性能參數(shù)、應用場景及發(fā)展趨勢四個維度，系統(tǒng)解析三種測距技術的核心差異。

一、技術原理對比

1. TOF(Time of Flight)技術

TOF技術基于光速測距原理，通過測量激光脈沖從發(fā)射到接收的往返時間計算目標距離。其核心組件包括激光發(fā)射器、接收器及高精度計時電路。例如，某款1550nm波長的TOF激光雷達，發(fā)射脈沖寬度為3ns，光速為299,792,458m/s，則單次測距的理論精度可達約0.45m(計算公式：距離=光速×時間/2)。

TOF技術可分為直接測距(dToF)與間接測距(iToF)。dToF通過單光子雪崩二極管(SPAD)記錄每個光子的飛行時間，適用于遠距離探測(如200m以上);iToF則通過調制激光頻率并測量回波相位差，適用于中短距離(如50m以內)。兩者的核心區(qū)別在于時間分辨率與系統(tǒng)復雜度：dToF需皮秒級計時電路，而iToF依賴高頻調制信號生成。

2. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)技術

FMCW技術通過發(fā)射線性調頻連續(xù)波，并利用相干探測原理計算目標距離與速度。其工作過程可分為三步：

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

回波信號混頻：接收信號與本地參考光進行拍頻，產生低頻差拍信號;

距離與速度解算：通過分析差拍信號的頻率與相位，解算出目標距離與徑向速度。

FMCW的優(yōu)勢在于可同時獲取目標距離與速度信息，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)擬合才能實現(xiàn)類似精度。

3. 相位測距技術

相位測距基于調制光波的相位差計算距離，其核心是測量發(fā)射信號與回波信號的相位延遲。以某款905nm波長的相位激光雷達為例，調制頻率為100MHz，則相位差每變化2π對應1.5m的距離變化。通過多頻調制(如同時使用100MHz與1GHz信號)，可消除相位模糊問題，將測距范圍擴展至千米級。

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

二、性能參數(shù)對比

參數(shù)TOFFMCW相位測距

測距精度cm級(dToF)至mm級mm級(100m內)mm級(短距)

速度測量間接推算(需多幀)直接測量(單幀)不支持

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

峰值功率高(kW級脈沖)低(mW級連續(xù)波)中(W級連續(xù)波)

系統(tǒng)復雜度中(脈沖驅動與計時)高(調頻與混頻)中(調制與解調)

典型案例：

TOF：禾賽科技AT128采用dToF技術，在10%反射率下可探測200m目標，適用于高速自動駕駛場景;

FMCW：Aeva的Aeries II通過FMCW技術實現(xiàn)4D點云(距離、速度、角度、強度)輸出，在150m處角分辨率達0.1°;

相位測距：Velodyne的VLP-16采用相位測距，在100m內精度優(yōu)于3cm，但需配合合作目標使用。

三、應用場景適配

1. 自動駕駛

TOF：主導中長距探測(如100-250m)，滿足高速場景下的前向避障需求;

FMCW：適用于城市NOA(導航輔助駕駛)場景，其速度信息可提前預警“鬼探頭”等突發(fā)風險;

相位測距：多用于補盲雷達(如側向與后向)，通過高精度測量實現(xiàn)低速場景的精準泊車。

2. 機器人導航

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

FMCW：在復雜環(huán)境中(如倉庫貨架間)表現(xiàn)更優(yōu)，通過速度信息區(qū)分動態(tài)與靜態(tài)障礙物;

相位測距：常用于服務機器人的避障模塊，通過合作目標實現(xiàn)毫米級精度。

3. 三維建模

TOF：通過高脈沖能量實現(xiàn)遠距離掃描，適用于建筑測繪與地形勘探;

FMCW：在微米級精度需求下(如精密工業(yè)檢測)具有優(yōu)勢;

相位測距：多用于手持式掃描儀，通過多頻調制消除相位模糊。

四、技術發(fā)展趨勢

TOF技術：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：突破成本與量產瓶頸，Aeva計劃通過硅光子技術將FMCW激光雷達成本降至千元級;

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

未來挑戰(zhàn)：

TOF需解決多徑效應與陽光干擾問題;

FMCW需提升調頻線性度以降低相位噪聲;

相位測距需擴展動態(tài)范圍以適應高速目標。

結語

TOF、FMCW與相位測距技術各有優(yōu)劣，其選擇需基于應用場景的權衡。TOF以成熟度與成本優(yōu)勢主導當前市場，F(xiàn)MCW憑借速度測量與抗干擾能力成為未來方向，而相位測距則在特定領域(如精密測量)保持不可替代性。隨著自動駕駛等級提升與機器人應用場景擴展，三種技術的融合創(chuàng)新(如TOF+FMCW混合架構)或將成為下一代激光雷達的核心形態(tài)。