ToF可以分成iToF和dToF两大类。dToF和iToF的原理区别主要在于发射和反射光的区别。
• dToF即直接发射一个光脉冲，并测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，从而得到光的飞行时间并计算距离。
• iToF发射的并非一个光脉冲，而是发射特定频率的调制光，即明暗强度呈规律变换的正弦波调制。通过检测接收到的反射调制光和发射的调制光之间的相位差，测量出飞行时间，从而估计出距离。
dToF/iToF的优劣势：
• dToF理论上其精度不随距离增加而下降，抗干扰能力强、功耗较低，但工艺相对复杂；软件层面，无需频率调制，算法相对简单，难点在于SPAD、以及高性能时间数字转换器TDC；
• iToF精度偏低、探测距离相对短、抗干扰性较弱（环境光对电路的干扰）、功耗较大，但工艺相对简单；软层面，调制算法、数据处理算法难度大。
2. FMCW方案
（1）技术原理：
FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波），主要通过发送和接收连续激光束，把回光和本地光做干涉，并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离。
具体地说，激光束击中目标物后被反射，而反射会影响光的频率——如果目标物向车辆走来，频率会升高；如果目标物和车辆同方向行走，则频率会降低。当反射光返回到探测器，与发射时的频率相比，就能测量两种频率之间的差值，从而计算出物体的距离信息。
根据多普勒频移信息可以直接测量速度信息，抗环境光和其他激光雷达干扰能力强，可大大改善信噪比，未来往利用硅基光电子技术实现激光雷达芯片化方向发展。
（2）FMCW激光雷达拆解：
a. 光源：
原理上905nm和1500nm波长光源都可以使用，但光通信领域应用的FMCW基本都是1500nm光源，供应链相比905nm成熟，905nm做出的FMCW雷达成本太高。故基本使用1550nm波长光源。但国内产业成熟度方面，FMCW1550nm光源比TOF的贵很多，国内几乎没有量产的。
采用窄线宽激光器，即相关性比较好的激光器（相关性一般指激光的频率、振动方向、相位高度一致）。FMCW要保证回光能和本地光进行干涉，只有干涉了才能检测到目标，因此，对激光器的“相干性”要求很高。FMCW采用的1500nm光源与TOF采用的1500nm光源都是基于磷化铟衬底，但是结构不同，FMCW要求窄线宽（保证自相干性）、低噪声，导致两者的性能、良率、成本等完全不同。
b. 探测器：
使用低成本的PIN PD。在FMCW中，光束在发出去之前，留了一半在本地，尽管回光也有折损，但本地光还在，这两部分一结合，就把光信号给放大。在TOF中，APD在放大信号的同时也放大了噪声，而FMCW是不带噪声的。
FMCW收发集成，需采用硅光工艺。目前在探测器端，已经可集成到硅光芯片（该硅谷芯片上集成了分光器、调频器、偏振控制、相干混频阵列等功能）上；但发射端因为是三五族产品，没法直接集成到硅光芯片中，目前基本是将激光器在另一块晶圆上加工好之后，可以再通过一些特殊工艺被贴到硅光芯片上，也属于激光器外置，但英特尔已在朝着“激光器内置”发展，但工艺难度要求非常高，且英特尔已建立专利壁垒。
c. 扫描方案：
FMCW做长距离，最合适的是跟OPA搭配，当前业界用的仍是较成熟的方案如机械师、转镜、MEMS。FMCW OPA结合，主要是两者通过硅片芯片都可以实现降本，且固态OPA技术路线本就具备众多优点。但业界认为即使到2030年OPA FMCW方案装车应用都很难成熟。目前国内挚感光子采用了棱镜扫描，而光勺科技目前用的是机械扫描，2022年会换成MEMS。
（3）FMCW技术路线优势与挑战：
a. 优势
• TOF的速度维数据质量低，而FMCW可获取每个像素点的速度维数据。FMCW的反射光频率会因为多普勒效应根据前方移动物体的速度而改变，可直接计算出目标物每个像素点的速度数据。速度维度数据的作用，一是延长了有效探测距离，二是反射率很低的物体可以被仅凭一个光点就被探测到，三是输出目标物每个像素点的速度，这便减少了后端处理对算力的要求，传感器融合的算法架构也好做。
• TOF的光波容易受环境光干扰，而FMCW的抗干扰能力很强。TOF的关键技术在电信号（通过调制电的脉冲让光的脉冲更窄，再把光变成电信号，然后再去操纵电信号来解析出来这个脉冲），而电信号的一大特质是很容易被环境噪声干扰。FMCW基于相干原理（被反射回的光跟本地光干涉），它只能接收到自己发出去的光（频率相同或相近），因而不会受到各种“杂光”的干扰。
• TOF的信噪比过低，而FMCW的信噪比很高。信噪比过低会导致无法区分真伪目标。通常FMCW激光雷达的信噪比要比TOF高10倍以上。原因一是FMCW激光雷达的探测端只能接收到自己发出去的光；二是FMCW激光雷达留有本振光，跟返回信号光融合。
• TOF很难跟OPA融合。TOF峰值功率很高（通常在40-50瓦，甚至可达100 瓦），不适合做在硅光芯片上，而降低功率会降低探测距离。如Quanergy之前TOF OPA组合的方案，探测距离就不到100米。而FMCW的峰值功率只有“百毫瓦级别”，主要跟以下两方面有关，一是TOF的单次测距只需2微秒，而FMCW单次测距需要20微秒，尽管总能量并不少，但由于能量在时间上是平摊的，因而峰值功率会比较低；二是TOF的信噪比较低，如果功率太低，就无法获得足够多的“有效信号”，而FMCW的信噪比很高，即便是用很低的功率，也可以获得足够多的“有效信号”。即OPA只有在FMCW成熟之后才可以应用在车载激光雷达上。目前业界中做的OPA方案研发基本都是基于TOF调制方式来做的。
b. 挑战
• 对硅光芯片的要求比光通信产品苛刻得多。为了提高成像效果，FMCW激光雷达对硅光芯片的插损指标提出了更高的要求，否则探测距离会缩短，这对工艺有更高的要求。光通信产品要求传输速率更高，而FMCW激光雷达要求调频调制的线性度更高、信噪比更高。
• 短期成本很难下降：导致成本居高不下的，不仅有1550纳米激光器，还有接收器、光学元器件、电子元器件等。接收器成本：尽管使用低廉的PIN，但由于前端光学器件和后端电子器件的要求，接收器的整体成本比TOF更高。光学元件成本：FMCW系统使用相干探测，所有光学器件表面的公差都必须控制在λ/20以内。精度太高供应商太少；电子元件成本：FMCW对ADC转换速率的要求是ToF系统的2~4倍，对FPGA的要求是能够接收数据并进行超高速FFT转换。即使使用ASIC，FMCW系统所需的处理系统复杂度（和成本）也是ToF系统的几倍。业界认为即使FMCW激光雷达达到百万级出货量，成本仍难低于500美元。
• 算法复杂：FMCW激光雷达模拟前端和物理层数字信号处理算法都很复杂，特别是激光调制，难度极高。
• 算法无法复用：TOF激光雷达用的算法无法复用至FMCW中，要尝试FMCW激光雷达，激光雷达的算法就得重新写，并且，后端的融合感知算法也需要重写。下游车企或者自动驾驶公司积极性不高。
（4）FMCW方案主要玩家：
图片来源：滴水石开
结论：TOF仍是短期内的主流方案，FMCM是发展方向，但距离成熟仍有很长的距离。短期内供应链不成熟，对激光器、后端控制芯片、ADC、光学元件要求都很高，调制算法难度也很大。而长远来看，产品的性能以及降本很依赖硅光工艺，国内光通信硅光技术都不成熟，短期内较难提升。
激光雷达系统层总结：
• 转镜 MEMS仍占据着未来3-5年发展窗口期。从一些行业调研纪要、以及从固态技术方案的成熟度来看，未来3-5年车载端80%是转镜、MEMS激光雷达方案，转镜、MEMS各占一半。
• 而对于激光雷达企业而言，一般都是围绕下游车企客户需求，聚焦成熟的技术路线，对固态技术路线进行预研，很难同时铺开进行研发并取得竞争地位。
• 对于Flash技术方案，Flash激光雷达当前受限于激光器功率、探测器灵敏度，探测距离仍比较短（或FOV很小），业界认为flash主雷达距离初步量产仍3-4年时间（如Ouser最新推出的探测距离达200m的Flash激光雷达，当前仍处于样机阶段，最快于2024年量产。核心还是取决于上游激光器、探测器的技术成熟度、成本）。而国内进行Flash车载研发的比较少，主要有北科天绘等做测绘市场的Flash厂商，以及其他技术路线厂商做技术预研。当上游供应链逐步成熟后，进入门槛就变得相对较低。届时面对的竞争对手包括其他技术路线激光雷达厂商以及新进入者。原先通过MEMS或转镜等技术路线已跟车企建立深度业务合作、规模量产交付能力，届时在交付经验、批量生产上相比纯Flash或从工业市场切汽车市场的企业更具优势。
• 对于OPA技术方案，国内主要就力策科技、洛微、万集等厂商在研发，总体研发周期很长（在材料、硅光工艺上仍有很大的挑战，对企业而言需持续研发流片迭代），需持续投入。OPA技术壁垒相比Flash是更高的，需要持续投入积累，新进入者进入后仍需花费较长的摸索及长时间积累才可突破。对于OPA技术方案，核心就是激光雷达厂商的天线设计、工艺能力，外采的核心就是激光器阵列，以及一些处理芯片、驱动芯片、ADC（集成能力强的玩家都可以在硅片上实现单片集成）。当前阶段去了解其OPA技术方向的产业链投资比较难看清楚。
• 对于FMCW激光雷达，其核心的优势就是在远距离，故其的优势市场就是在车载市场，切入其他非车载市场竞争力不强。但从其技术难度以及产业成熟度（包括窄脉宽激光器、硅光集成工艺、高精度光学元件）来看，（硅光的）FMCW距离成熟的时间仍比较长。在FMCW技术方案上下游的投资，其窄脉冲激光器、数模转换器、控制芯片技术难度要求被其他方案更高，国内相关企业更加稀缺。
三 激光雷达零部件层分析
