追根溯源，扒一扒刚刚被通用汽车收购的FM LiDAR

Strobe公司的FM LiDAR原型产品

目前主流的LiDAR（激光雷达）系统通过发射激光，并测量物体反射激光的飞行时间（ToF）来测量与物体之间的距离。这种ToF测量方法能够在毫秒内分辨300米外物体厘米级的尺寸差异。

不过，这种传统LiDAR单元采用的ToF测量方法也有其共性问题。例如，简单的ToF测量技术容易受到其它信号源的干扰，并且，随着距离的延长、信号的减弱，这种干扰带来的影响会更大。因此，基于ToF测量的LiDAR的有效测距范围，主要依赖于其对相对较弱的反射信号的探测能力。而简单地提高LiDAR光电探测器的灵敏度，同时也会使其更易于受到干扰信号的影响。

因此，这些当前主流LiDAR所面临的源生技术挑战，或许是促使GM（通用汽车）近期收购Strobe的原因之一。Strobe是一家位于美国加州的小型创业公司，被通用收购时仅有12名员工，该公司专注于为自动驾驶汽车开发100美元以下的固态LiDAR。

据麦姆斯咨询报道，Strobe的LiDAR技术方案与其它制造商不同，它模仿线性调频雷达开发了一种线性频率调制（FM）激光，其线性脉冲的频率能够线性变化。探测器通过测量反射的线性调频脉冲激光的相位和频率，不仅能够获得物体的距离信息，还能测量其相对运动速度。此外，该技术方案还使LiDAR单元更抗干扰（因为干扰信号通常为非调制信号），并且，不需要灵敏度超高的探测器便能实现信号探测。

这种FM调频LiDAR概念并不新颖，但是面对的技术挑战不少，例如发射激光的线宽限制、线性调频脉冲的频率范围、线性脉冲频率变化的线性度，以及单个线性调频脉冲的可复制性等。令人头疼的是，这些技术挑战互相关联，此消彼长。此外，目前开发的FM LiDAR系统通常需要相对较大的激光发射源，以及精心调制的低噪声振荡器（其频率调制由相对较大的干涉仪提供）。所有这些挑战，使FM LiDAR变得非常复杂、庞大且笨重。

源自OEwaves公司的专利技术

Strobe通过采用另一家名为OEwaves的公司的技术，解决了FM LiDAR的相关问题。实际上，Strobe是从OEwaves独立出来的一家专注于自动驾驶汽车LiDAR开发的创业公司。OEwaves由Strobe公司主要创始人之一创办于2000年8月，总部位于美国加州帕萨迪那，公司致力于微波光子领域的研究，处于国际领先地位，公司的核心技术包括光电振荡器（OEO）和“回音壁模式（whispering gallery mode）”光学谐振腔。

这种被称为回音壁模式的光学谐振腔技术，能够通过光反馈降低激光器的线宽。回音壁模式，顾名思义，参考了声波在曲面上反射传播的原理。该原理在北京天坛的回音壁以及很多教堂中都有应用，它也能够应用于光波的传输，光在微型玻璃球体或圆形面内可以几无损耗的往复传播。

从OEwaves申请的专利，我们可以一窥其回音壁模式光学谐振腔的运行原理，Strobe公司的FM LiDAR很可能应用了该专利技术。

如上图所示，激光器发射的激光束，通过一个相位旋转器和透镜，利用第一光学耦合器（4a）耦合进入一个回音壁模式（WGM）谐振腔，并沿顺时针循环。

第二光学耦合器（4b）将光学谐振器中沿顺时针方向循环的光耦合出光学谐振器以作为输出光束，经过透镜和反射镜（8a）后，再将反射光束的至少一部分沿逆时针方向再次耦合到光学谐振器中，以增加在光学谐振器沿逆时针循环的光的光学能量。

与此同时，第一光学耦合器（4a）将光学谐振器中沿逆时针循环的光耦合出光学谐振器，作为反馈到激光器的反馈光，以稳定激光器频率，并减小激光器的线宽；由此构成线宽极窄的高稳定性小体积激光器，可以应用于LiDAR系统中。

OEwaves应用于ADAS（先进驾驶辅助系统）的LiDAR系统框图

如此看来，该技术确是调制回音壁模式光学谐振器光学特性的良策。谐振器光学特性的频率调制，为LiDAR系统提供了所需的高线性、可重复的光学线性调频脉冲激光。

和其它专利申请中的实施例介绍一样，专利中对OEwaves公司LiDAR设计的技术细节介绍也很含糊。例如，针对FM技术，专利中仅称利用一款变频器（通过电极、电阻加热器和/或压电器件）可以改变回音壁模式光学谐振器的光学特性（例如折射率等）。Oewaves称，在所有实施例中，所有这些组件，即使是球形或环形谐振腔，都可以集成在一个单一衬底上。

OEwaves芯片集成微型激光器的实施例

OEwaves在专利中称，这种光注入锁定激光器的线宽在某些实施例中可以低于100 Hz。这个特性非常重要，因为较窄的线宽可以帮助确保线性调频脉冲激光的频率的可重复性。这种激光光源可以提供具有15 GHz或以上带宽的线性调频脉冲激光，使LiDAR系统的距离分辨能力可以下探至厘米级以下。

传统激光雷达的探测器如何工作？

据光探测器供应商Hamamatsu（滨松）总结，根据探测范围的需要，不同的LiDAR单元可采用不同类型的光探测器及探测技术。除了进行ToF测量，为数十米内短距离应用优化的LiDAR，还可以采用三角测量方法来测量物体和光源之间的相对位置。其它的非直接测量方法，还包括测量发射光和反射光之间的相位差。短距离测量应用的LiDAR单元的探测器一般倾向于采用硅PIN 光电探测器。

随着探测距离的提高，从物体反射回来的激光强度逐渐衰减。因此，中距离LiDAR单元倾向使用雪崩光电二极管（APD），因为它们可以在10~100米范围内提供信号增益。探测距离达到数百米的LiDAR单元，通常就需要采用硅光电倍增管探测器。这些便是所谓的以“盖革模式（Geiger mode）”运行的雪崩光电二极管：在反向偏压远高于击穿电压的状态下，一个单光子便可引发雪崩电流，从而实现单光子探测。

美国时间10月27日，福特重金10亿美元投资的自动驾驶公司Argo.ai，刚刚宣布收购了单光子“盖革模式”LiDAR技术领先供应商——Princeton Lightwave。

Princeton Lightwave 探测距离达到300m的GeigerCruizer™汽车LiDAR