ToF vs. FMCW LiDAR: Análisis Técnico para Decisiones Informadas

Artículos recientes^{1, 2, 3, 4, 5} han presentado varias afirmaciones de marketing sobre los beneficios de sistemas LiDAR de Onda Continua Modulada en Frecuencia (FMCW). Como cabría esperar, hay más en la historia de lo que los titulares afirman. Este artículo examinará estas afirmaciones y ofrecerá una comparación técnica de Tiempo de Vuelo (ToF) vs. FMCW LiDAR para cada una.

Entendemos que no todos los sistemas ToF y FMCW son iguales, así que nos enfocaremos en ToF como empleado en AEye. Nuestra esperanza es que este artículo esboce algunos de los difíciles compromisos de sistema que un practicante exitoso debe superar, estimulando así discusión robusta e informada, competencia, y finalmente, mejora de ofertas tanto ToF como FMCW.

Afirmación #1: FMCW es una Tecnología Revolucionaria (Nueva)

Esto es falso.

Contrario a artículos recientes, el LiDAR FMCW existe desde hace mucho tiempo, originado en trabajo del MIT Lincoln Laboratory en los años 1960⁸, solo siete años después de que el láser mismo fuera inventado⁹. Muchas lecciones aprendidas sobre FMCW a lo largo de los años — aunque no clasificadas y de dominio público — han sido desafortunadamente olvidadas. Lo que ha cambiado recientemente es la mayor disponibilidad de láseres de longitud de coherencia larga. Aunque esto ha rejuvenecido el interés en la tecnología establecida, ya que teóricamente puede proporcionar ganancia de señal extremadamente alta, todavía hay varias limitaciones que deben abordarse para hacer este LiDAR viable para vehículos autónomos.

Afirmación #2: FMCW Detecta/Rastrea Objetos Más Lejos, Más Rápido

Esto no está probado.

Los sistemas LiDAR ToF pueden ofrecer tasas de disparo láser muy rápidas (varios millones de disparos por segundo en el sistema AEye), escaneo ágil, mayor saliencia de retorno, y capacidad de aplicar Regiones de Interés (ROIs) de alta densidad — dándote un factor de dos a cuatro veces mejor información de retornos versus otros sistemas. En comparación, muchos sistemas FMCW de baja complejidad solo son capaces de tasas de disparo en las decenas a cientos de miles de disparos por segundo (~50x más lento). En esencia, comparamos tiempos de permanencia en nanosegundos y altas tasas de repetición con tiempos de permanencia en decenas de microsegundos y bajas tasas de repetición (por par láser/rx). Productos LiDAR automotrices comerciales están disponibles que producen millones de retornos por segundo usando ToF, con gran FOV y super-alta resolución de más de 1000 puntos por grado cuadrado. AEye no conoce sistemas FMCW que igualen este nivel de rendimiento (los sistemas FMCW en el mercado actualmente tienden a carecer de especificaciones de rendimiento específicas).

Detección, adquisición (clasificación) y rastreo de objetos a largo alcance están todos fuertemente influenciados por la tasa de disparo láser, porque mayor densidad de disparos láser (en espacio y/o tiempo) proporciona más información que permite tiempos de detección más rápidos y mejor filtrado de ruido. AEye ha demostrado un sistema capaz de detecciones multi-punto de baja reflectividad: objetos pequeños y peatones a más de 200m, vehículos a 300m, y un camión clase-3 a 1 km de alcance. Esto habla de la capacidad de rango de la tecnología ToF. De hecho, virtualmente todos los telémetros láser usan ToF, no FMCW, para medición de distancia (ej. productos telémetro Voxtel¹⁰, algunos con rango de detección 10+ km). Aunque artículos recientes afirman que FMCW tiene rango superior, no hemos visto un sistema FMCW que pueda igualar el rango de un sistema ToF avanzado mientras proporciona FOV coincidente, franja de rango general y densidad de puntos.

Afirmación #3: FMCW Mide Velocidad y Rango Más Precisa y Eficientemente

Esto es engañoso.

Los sistemas ToF, incluyendo el LiDAR de AEye, requieren múltiples disparos láser para determinar velocidad del objetivo. Esto podría parecer sobrecarga extra comparado con afirmaciones de FMCW con disparos únicos. Mucho más importante es entender que no todas las mediciones de velocidad son iguales. Mientras la velocidad radial en dos coches moviéndose de frente es urgente (una razón por la que un rango de detección más largo es deseable), también lo es la velocidad lateral ya que comprende más del 90% de los casos边缘 más peligrosos. Coches saltándose semáforos en rojo, vehículos zigzagueando, peatones entrando a una calle, todos requieren velocidad lateral para toma de decisiones evasivas. FMCW no puede medir velocidad lateral simultáneamente, en un disparo, y no tiene beneficio alguno en encontrar velocidad lateral sobre sistemas ToF.

Considere un coche moviéndose entre 30 y 40 metros/segundo (~67 a 89 MPH) detectado por un disparo láser. Si un segundo disparo se toma poco después, digamos 50μs tras el primero, el objetivo solo se habrá movido ~1,75 mm en ese intervalo. Para establecer una velocidad estadísticamente significativa, el objetivo debería moverse al menos 2 cm, lo que toma unos 500μs (mientras requiere SNR suficiente para interpolar muestras de rango). Con esa segunda medición, un rango y velocidad estadísticamente significativos pueden establecerse dentro de un marco de tiempo insignificante comparado a una tasa de frames. Con un escáner ágil, los 500μs no están dedicados solely o "cautivos" a estimación de velocidad. En su lugar, muchos otros disparos pueden hacerse a objetivos en el interim. Este tiempo puede usarse para mirar otras áreas/objetivos antes de volver al objetivo original para una medición de velocidad de alta confianza, mientras un sistema FMCW está cautivo por todo su tiempo de permanencia.

Compuesto al tiempo de cautividad está el hecho que FMCW a menudo requiere mínimo dos barridos de frecuencia láser (subida y bajada) para formar una detección inequívoca, con el barrido de bajada proporcionando información necesaria para superar ambigüedad surgida de mezcla rango + desplazamiento Doppler. Esto duplica el tiempo de permanencia requerido por disparo más allá de lo ya descrito. La cantidad de movimiento de un objetivo en 10μs puede ser típicamente solo 0,5mm, dificultando separar vibración versus movimiento lineal real.

Afirmación #4: FMCW Tiene Menos Interferencia

¡Todo lo contrario en realidad!

Reflexiones espurias surgen en ambos sistemas ToF y FMCW. Estas pueden incluir anomalías de retrorreflectores como "halos", "caparazones", reflexiones de primera superficie, lóbulos laterales espaciales fuera de eje, así como multi-trayecto y desorden. La clave para cualquier buen LiDAR es suprimir lóbulos laterales en tanto el dominio espacial (con buena óptica) como el dominio temporal/forma de onda. ToF y FMCW son comparables en comportamiento espacial, pero donde FMCW realmente sufre es en el dominio temporal/forma de onda cuando hay objetivos de alto contraste.

Desorden (Clutter):

FMCW confía en rechazo de lóbulos laterales basado en ventanas para auto-interferencia (desorden) que es mucho menos robusto que ToF, que no tiene lóbulos laterales. Para dar contexto, un pulso FMCW de 10μs extiende luz radialmente a través de un rango de 1,5 km. Cualquier objeto dentro de esta extensión de rango será capturado en los lóbulos laterales FFT (tiempo). Incluso un pulso FMCW más corto de 1μs puede ser corrompido por desorden de alta intensidad a 150m. El 1er lóbulo lateral de una Ventana Rectangular FFT es bien conocido por ser -13dB, muy por encima de niveles necesarios para una nube de puntos consistentemente buena. (A menos que ningún objeto en el disparo difiera en intensidad por cualquier otro punto de rango en un disparo por más de ~13dB, algo improbable en condiciones operativas de carretera).

Por supuesto, taper de lóbulo lateral más profundo puede aplicarse, pero a sacrificio de ensanchamiento de pulso. Además, no-linealidades en el front-end del receptor (rango dinámico libre de espurios) limitarán los niveles efectivos de lóbulo lateral del sistema debido a compresión y espurios ADC (interceptos de tercer orden); ruido de fase⁶; y modulación de fase atmosférica etc., que ningún taper de ventana puede mitigar. Sistemas aeroespaciales y de defensa pueden y superan tales limitaciones, pero no conocemos sistemas automotrices de bajo coste capaces del rango dinámico instantáneo >100db requerido para separar objetos pequeños de largo alcance de retrorreflectores de corto alcance, como surgen en FMCW.

En contraste, un sistema ToF Gaussiano típico, a 2ns duración de pulso, no tiene lóbulos laterales basados en tiempo más allá de los pocos cm de la duración del pulso mismo. Ninguna cantidad de rango dinámico entre retornos de offset pequeños y grandes tiene efecto en la luz incidente en el fotodetector cuando la retorno del objetivo pequeño es capturada.

Primera Superficie:

Una fuente de interferencia potencialmente más fuerte es una reflexión causada por parabrisas u otra primera superficie aplicada al sistema LiDAR. Así como el haz de transmisión está encendido casi continuamente, las reflexiones serán continuas, y muy fuertes, relativas a objetos distantes, representando un tipo similar de componente de baja frecuencia que crea lóbulos laterales FFT indeseables en los datos transformados. El resultado puede también ser una reducción significativa de rango dinámico usable. Además, parabrisas, siendo vidrio multicapa bajo estrés mecánico, tienen polarización inhomogénea compleja. Esto aleatoriza el campo eléctrico del retorno de señal en la superficie del fotodetector, complicando (descoherencia) la mezcla óptica.

Por último, debido a la naturaleza del procesamiento de dominio temporal vs. dominio de frecuencia, el manejo de multi-ecos — incluso con alto rango dinámico — es un proceso directo en sistemas ToF, mientras requiere desambiguación significativa en sistemas FMCW. El procesamiento multi-eco es especialmente importante en tratar obscurantes como humo, vapor y niebla.

Afirmación #5: FMCW es Grado Automotriz, Fiable y Fácilmente Escalable

Esto no está probado en el mejor caso.

La supuesta ventaja de FMCW viene de que aprovecha madurez de tecnología de fotónica y telecomunicaciones, facilitando escalabilidad a niveles de rendimiento más altos (además de ahorro de costes). Cierto, FMCW permite fotodetectores de bajo coste, como PINs, mientras ToF a menudo usa APDs y otros detectores más costosos. Sin embargo, los detalles son mucho más matizados.

La cadena de suministro para componentes LiDAR es relativamente incipiente, pero componentes como láseres de fibra, receptores array PIN, ADCs y FPGAs o ASICs han sido usados en varias industrias por años. Estos tipos de componentes son muy bajo riesgo desde punto de vista de base de suministro. En comparación, el componente crítico para sistemas FMCW es el láser de ruido de fase muy bajo, que tiene muchos requisitos estrictos y ningún otro usuario de alto volumen para ayudar a reducir costes de fabricación en volumen.

Los componentes ópticos usados en sistemas LiDAR ToF son derivados de componentes ampliamente y rutinariamente usados en sistemas comerciales. Los nuevos desarrollos son los MEMS, que han sido usados previamente en virtualmente todos sensores de presión automotriz y airbags, así como ametralladoras Gatling, buscadores de misiles, y conmutadores q-switch de resonadores láser en militar. Los componentes de sistemas FMCW han estado disponibles en entornos de laboratorio por años, pero ningún sistema de producción de alto volumen ha desplegado items como el láser diodo de longitud de coherencia larga y frecuencia ágil necesario para habilitar tales sistemas.

Además, LiDARs ToF ya tienen múltiples vendedores vendiendo componentes calificados automotrices a través de toda la pila de hardware: láseres, detectores, ASICs, etc. Históricamente, una tecnología disruptiva (como fuentes láser FMCW) que se fabrica únicamente in-house, debe tener ganancia técnica 10x para compensar un producto que disfruta una cadena de suministro robusta con múltiples vendedores ya pasando estándares de calidad para una base de clientes dada.

Escalabilidad y Niveles de Madurez Tecnológica (TRL)

La escalabilidad se une directamente a madurez. Una forma de describir madurez tecnológica es un esquema desarrollado por NASA en los 1970s⁷ llamado "Nivel de Preparación Tecnológica" (TRL). Este esquema asigna números a una tecnología según qué tan lejos está en el camino desde inspiración tecnológica (TRL 1) a despliegue en múltiples misiones exitosas (TRL 9).

En el caso de LiDAR ToF, creemos que componentes y sistemas están en TRL 8, mientras que componentes y sistemas FMCW están en TRL 4. Esta es una brecha significativa en preparación tecnológica que tomará muchos años cerrar. Los principales defectos de escalabilidad de sistemas FMCW incluyen la baja tasa de disparo debido al estiramiento de pulso chirp láser, y el ADC de alta velocidad y FPGA requeridos para procesar retornos. En el caso donde tasas de disparo más altas a nivel de sistema sean requeridas, canales paralelos del camino óptico y electrónica pueden desplegarse. Estos podrían usar un solo MEMS de escaneo, pero cada item replicado es la mayor parte del coste del sistema LiDAR, así que duplicar canales casi duplica el coste total del LiDAR.

Costes: Láser, Receptor, Óptica, Electrónica

Coste Láser: En sistemas FMCW, longitud de coherencia está determinada por cómo el láser es diseñado y fabricado y debe ser al menos el doble de largo que el rango de objetivo más largo. Típicamente, un láser de ruido de fase bajo es mucho más caro que un láser diodo tradicional. En contraste, fuera de mantener buena forma de pulso, hay pocos otros requisitos en el láser en un sistema ToF más allá de los ya requeridos en mercados telecom.

Coste Receptor: Aunque es cierto que detectores FMCW pueden ser PINs de bajo grado y relativamente baratos, el coste total del receptor es caro debido a requisitos de óptica front-end y electrónica back-end. Incluso aquí, un sistema FMCW coaxial y un sistema ToF coaxial no verán diferencias significativas en costes de detectores basados en tamaños de detectores necesarios. El coste total del receptor favorecerá un sistema ToF. Sin embargo, donde FMCW realmente brilla en coste es para sistemas de corto alcance. La mayor eficiencia energética evidenciada desde coherencia permite láseres diodo empleados, y LiDAR a escala de chip es alcanzable.

Coste Óptica: En un sistema ToF típico, detección incoherente (detección simple de pico de amplitud) tiene lugar y elementos ópticos solo tienen que estar dentro de un cuarto de longitud de onda (llamado λ/4). En comparación, FMCW usa detección coherente y en agregado, todas las superficies ópticas deben estar dentro de tolerancia mucho más estricta, como λ/20. Estos componentes pueden ser muy caros.

Coste Electrónica: En el sistema ToF de AEye, la electrónica consiste en un convertidor analógico-digital (ADC) de alta velocidad y un array de puertas programable en campo (FPGA) que realiza detección de pico y cálculos de rango. El ancho de banda de la electrónica es proporcional a la resolución de rango y para requisitos comunes de sistema LiDAR, los componentes no son nada inusuales.

FMCW requiere tasas de conversión ADC dos a cuatro veces más altas que un sistema ToF y luego debe ser seguido por un FPGA capaz de tomar los datos y hacer conversiones FFT de muy alta velocidad. Incluso con uso de ASICs, la complejidad de sistemas FMCW es varias veces la complejidad (y coste) del procesamiento requerido para ToF.

Afirmación #6: Añadir FMCW a Arrays de Fase Óptica (OPAs) Compensará Falta de Rendimiento de Estado Sólido de FMCW

Esto no está probado.

FMCW tiene un nivel de preparación técnica bajo, y Arrays de Fase Óptica tienen uno aún más bajo (aproximadamente TRL 3 con prueba de principio experimental y no usable a escala en la medida necesaria para FMCW). El programa original DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB) demostró que, para lograr rendimiento de dirección de haz de transmisión con lóbulos laterales espaciales muy bajos, guías de onda submicrónicas (λ/2) eran necesarias¹¹. La consecuencia de necesitar tales guías de onda pequeñas es la capacidad de manejo de potencia de tales elementos, que fue identificada como limitación fundamental del enfoque. En el lado de recepción, la idea de acoplar luz de una lente de entrada a un sustrato fotónico donde la luz debe ser recolectada en una guía de onda muy pequeña es también un desafío de rendimiento óptico (limitación de étendue).

La mayoría de sistemas OPA usan desplazamiento térmico de longitud de onda láser para dirigir haces en una dimensión mientras usan arrays de fase para dirigir haces en otra dimensión. Es bien conocido que dirección de haz por array de fase degrada (crea lóbulos laterales espaciales) muy rápido con desplazamientos de frecuencia del haz láser. La combinación de un mecanismo de dirección de haz que depende del láser siendo intensidad constante y longitud de onda constante, mientras el mecanismo de rango depende de barrer la frecuencia (longitud de onda) del láser, no funciona bien para enfoques FMCW tradicionales. La idea de combinar FMCW con esta tecnología de dirección de haz en tan temprana etapa de desarrollo es increíblemente riesgosa. Creemos que este camino puede tomar otros 10 años en alcanzar madurez usable.

Conclusión

AEye cree que sistemas ToF de alto rendimiento con escaneo ágil sirven las necesidades de LiDAR para vehículos autónomos más efectivamente que FMCW cuando coste, rango, rendimiento y calidad de nube de puntos son importantes. Sin embargo, no es difícil ver el razonamiento lógico donde FMCW podría jugar un papel de nicho en aplicaciones donde tasas de disparo más bajas son adecuadas y sistemas FMCW son más económicos.