ToF vs. FMCW LiDAR: Análise Técnica para Decisões Informadas

Artigos recentes^{1, 2, 3, 4, 5} apresentaram várias alegações de marketing sobre benefícios de sistemas LiDAR de Onda Contínua Modulada em Frequência (FMCW). Como esperado, há mais na história do que os manchetes afirmam. Este artigo examinará essas alegações e oferecerá comparação técnica de Tempo de Voo (ToF) vs. FMCW LiDAR para cada uma delas.

Entendemos que nem todos sistemas ToF e FMCW são iguais, então focaremos no ToF como empregado na AEye. Nossa esperança é que este artigo delineie algumas das difíceis trocas de sistema que um praticante bem-sucedido deve superar, estimulando discussão robusta e informada, competição e, por fim, melhoria tanto de ofertas ToF quanto FMCW.

Alegações Competitivas

Alegação #1: FMCW é Tecnologia Revolucionária (Nova)

Isto é falso.

Contrário a artigos recentes, LiDAR FMCW existe há muito tempo, originando-se de trabalho no MIT Lincoln Laboratory nos anos 1960⁸, apenas sete anos após o próprio laser ser inventado⁹. Muitas lições aprendidas sobre FMCW ao longo dos anos — embora não classificadas e de domínio público — foram infelizmente esquecidas. O que mudou recentemente é a maior disponibilidade de lasers de comprimento de coerência longo. Embora isso tenha rejuvenescido interesse na tecnologia estabelecida, pois teoricamente pode fornecer ganho de sinal extremamente alto, ainda existem várias limitações que devem ser abordadas para tornar este LiDAR viável para veículos autônomos.

Alegação #2: FMCW Detecta/Rastreia Objetos Mais Longe, Mais Rápido

Isto não é comprovado.

Sistemas LiDAR ToF podem oferecer taxas de disparo de laser muito rápidas (vários milhões de disparos por segundo no sistema AEye), varredura ágil, saliência de retorno aumentada, e capacidade de aplicar Regiões de Interesse (ROIs) de alta densidade — dando fator de duas a quatro vezes melhor informação de retornos versus outros sistemas. Em comparação, muitos sistemas FMCW de baixa complexidade são capazes apenas de taxas de disparo na casa de dezenas a centenas de milhares por segundo (~50x mais lento). Em essência, comparamos tempos de permanência nanossegundo e altas taxas de repetição com tempos de permanência de dezenas de microssegundos e baixas taxas de repetição (por par laser/rx). Produtos LiDAR automotivos comerciais estão disponíveis que produzem milhões de retornos por segundo usando ToF, com grande FOV e super-alta resolução de mais de 1000 pontos por grau quadrado. A AEye desconhece quaisquer sistemas FMCW que correspondam a este nível de desempenho (sistemas FMCW no mercado atualmente tendem a carecer de especificações de desempenho específicas).

Detecção, aquisição (classificação) e rastreamento de objetos a longo alcance são todos fortemente influenciados pela taxa de disparo do laser, porque maior densidade de disparos (no espaço e/ou tempo) fornece mais informação que permite tempos de detecção mais rápidos e melhor filtragem de ruído. A AEye demonstrou sistema capaz de detecções multi-ponto de baixa refletividade: objetos pequenos e pedestres a mais de 200m, veículos a 300m, e caminhão classe 3 a 1 km de alcance. Isso fala da capacidade de alcance da tecnologia ToF. De fato, virtualmente todos telêmetros a laser usam ToF, não FMCW, para medição de distância (ex: produtos telêmetro Voxtel¹⁰, alguns com alcance de detecção 10+ km). Embora artigos recentes aleguem que FMCW tem alcance superior, não vimos sistema FMCW que iguale alcance de sistema ToF avançado enquanto fornece FOV, faixa de alcance geral e densidade de pontos correspondentes.

Alegação #3: FMCW Mede Velocidade e Alcance Mais Precisa e Eficientemente

Isto é enganoso.

Sistemas ToF, incluindo LiDAR da AEye, requerem múltiplos disparos de laser para determinar velocidade do alvo. Isso pode parecer overhead extra comparado às alegações de FMCW com disparos únicos. Muito mais importante é entender que nem todas medições de velocidade são iguais. Enquanto velocidade radial em dois carros movendo-se frontalmente é urgente (uma das razões que alcance de detecção maior é desejável), velocidade lateral também é pois compreende mais de 90% dos casos de borda mais perigosos. Carros cruzando sinal vermelho, veículos desviando, pedestres entrando na rua, todos requerem velocidade lateral para tomada de decisão evasiva. FMCW não pode medir velocidade lateral simultaneamente, em um disparo, e não tem benefício algum em encontrar velocidade lateral sobre sistemas ToF.

Considere carro movendo entre 30 e 40 metros/segundo (~67 a 89 MPH) detectado por disparo laser. Se segundo disparo for tomado curto período depois, digamos 50µs após o primeiro, alvo terá movido apenas ~1,75 mm durante esse intervalo. Para estabelecer velocidade estatisticamente significativa, alvo deve ter movido pelo menos 2 cm, o que leva cerca de 500µs (enquanto requer SNR suficiente para interpolar amostras de alcance). Com essa segunda medição, alcance e velocidade estatisticamente significativos podem ser estabelecidos dentro de prazo insignificante comparado a taxa de frames. Com scanner ágil, os 500µs não são dedicados exclusivamente ou "cativos" à estimativa de velocidade. Em vez disso, muitos outros disparos podem ser feitos em alvos no interim. Este tempo pode ser usado para olhar outras áreas/alvos antes de retornar ao alvo original para medição de velocidade de alta confiança, enquanto sistema FMCW é cativo durante todo seu tempo de permanência.

Agravando o tempo de cativeiro está o fato que FMCW frequentemente requer mínimo de duas varreduras de frequência do laser (subida e descida) para formar detecção inequívoca, com a descida fornecendo informação necessária para superar ambiguidade decorrente de mistura alcance + deslocamento Doppler. Isso dobra o tempo de permanência necessário por disparo além do já descrito. A quantidade de movimento de alvo em 10µs pode ser tipicamente apenas 0,5mm, dificultando separar vibração versus movimento real linear.

Alegação #4: FMCW Tem Menos Interferência

Na verdade, o oposto!

Reflexões espúreas surgem em ambos sistemas ToF e FMCW. Estas podem incluir anomalias de retrorrefletor como "halos", "conchas", reflexões de primeira superfície, lóbulos laterais espaciais fora do eixo, bem como multipath e clutter. Chave para qualquer bom LiDAR é suprimir lóbulos laterais tanto no domínio espacial (com boa óptica) quanto no domínio temporal/forma de onda. ToF e FMCW são comparáveis em comportamento espacial, mas onde FMCW realmente sofre é no domínio temporal/forma de onda quando alvos de alto contraste estão presentes.

Clutter: FMCW depende de rejeição de lóbulos laterais baseada em janela para abordar auto-interferência (clutter) que é muito menos robusta que ToF, que não tem lóbulos laterais. Para contexto, pulso FMCW de 10µs espalha luz radialmente através de faixa de 1,5 km. Quaisquer objetos dentro desta extensão de alcance serão capturados nos lóbulos laterais FFT (tempo). Mesmo pulso FMCW mais curto de 1µs pode ser corrompido por clutter de alta intensidade a 150m. O 1º lóbulo lateral de FFT de Janela Retangular é bem conhecido como -13dB, muito acima dos níveis necessários para nuvem de pontos consistentemente boa. (A menos que nenhum objeto no disparo difira em intensidade de qualquer outro ponto de alcance no disparo por mais que cerca de 13dB, algo improvável em condições operacionais de estrada).

Claro, taper de lóbulo lateral mais profundo pode ser aplicado, mas com sacrifício de alargamento de pulso. Além disso, não-linearidades no front-end do receptor (chamado dynamic range livre de espúrios) limitarão níveis efetivos de lóbulo lateral do sistema devido a compressão e spurs de ADC (interceptos de terceira ordem); ruído de fase⁶; e modulação de fase atmosférica etc., que nenhuma quantidade de taper de janela pode mitigar. Sistemas aeroespaciais e de defesa podem e fazem superar tais limitações, mas desconhecemos quaisquer sistemas de baixo custo grau automotivo capazes do dynamic range instantâneo >100db necessário para separar objetos pequenos de longo alcance de retrorrefletores de curto alcance, como surgem em FMCW.

Em contraste, sistema ToF Gaussiano típico, com duração de pulso 2ns, não tem lóbulos laterais baseados em tempo além dos poucos cm da duração do pulso em si. Nenhuma quantidade de dynamic range entre retornos de offset pequeno e grande tem qualquer efeito na luz incidente no fotodetector quando retorno de alvo pequeno é capturado.

Primeira Superfície: Fonte de interferência potencialmente mais forte é reflexão causada por para-brisa ou outra primeira superfície aplicada ao sistema LiDAR. Assim como feixe de transmissão está ligado quase continuamente, reflexões serão contínuas, e muito fortes, relativas a objetos distantes, representando componente de baixa frequência similar que cria lóbulos laterais FFT indesejáveis nos dados transformados. Resultado também pode ser redução significativa de dynamic range utilizável. Além disso, para-brisas, sendo vidro multicamada sob estresse mecânico, têm polarização inhomogênea complexa. Isso randomiza campo elétrico do retorno de sinal na superfície do fotodetector, complicando (decoerindo) mistura óptica.

Por fim, devido à natureza do processamento de domínio temporal vs. domínio de frequência, o manuseio de multi-ecos — mesmo com alto dynamic range — é processo direto em sistemas ToF, enquanto requer desambiguação significativa em sistemas FMCW. Processamento multi-eco é especialmente importante no tratamento de obscurantes como fumaça, vapor e neblina.

Alegação #5: FMCW é Grau Automotivo, Confiável e Facilmente Escalável

Isto é não comprovado na melhor das hipóteses.

Vantagem alegada do FMCW vem do fato que alavanca maturidade de tecnologia de fotônica e telecomunicações, facilitando escalabilidade para níveis de desempenho mais altos (além de economia de custo). Verdade, FMCW permite fotodetectores de baixo custo, como PINs, enquanto ToF frequentemente usa APDs e outros detectores mais caros. No entanto, detalhes são muito mais nuançados.

Cadeia de suprimentos para componentes LiDAR é relativamente nascente, mas componentes como lasers de fibra, receptores array PIN, ADCs e FPGAs ou ASICs têm sido usados em várias indústrias por anos. Estes tipos de componentes são risco muito baixo do ponto de vista de base de suprimentos. Em comparação, componente crítico para sistemas FMCW é laser de ruído de fase muito baixo, que tem muitos requisitos apertados e nenhum outro usuário de alto volume para ajudar a reduzir custos de manufatura em volume.

Componentes ópticos usados em sistemas LiDAR ToF são derivados de componentes ampla e rotineiramente usados em sistemas comerciais. Novos desenvolvimentos são MEMS, que foram usados anteriormente em virtualmente todos sensores de pressão automotivos e airbags, bem como armas Gatling, buscadores de mísseis, e chaves q-switch de ressonador laser no militar. Componentes de sistemas FMCW estão disponíveis em ambientes de laboratório por anos, mas nenhum sistema de produção de alto volume implantou itens como laser diodo de comprimento de coerência longo e frequência ágil necessário para habilitar tais sistemas.

Além disso, LiDARs ToF já têm múltiplos vendedores vendendo componentes qualificados automotivos em toda pilha de hardware: lasers, detectores, ASICs, etc. Historicamente, tecnologia disruptiva (como fontes laser FMCW) que é fabricada exclusivamente in-house, deve ter ganho técnico 10x para compensar produto que desfruta cadeia de suprimentos robusta com múltiplos vendedores já passando padrões de qualidade para base de clientes dada.

Escalabilidade liga diretamente a maturidade. Uma forma de descrever maturidade tecnológica é esquema desenvolvido pela NASA nos anos 1970⁷ chamado "Technology Readiness Level" (TRL). Este esquema atribui números a tecnologia de acordo com quão longe no caminho da inspiração tecnológica (TRL 1) a implantação em múltiplas missões bem-sucedidas (TRL 9).

No caso de LiDAR ToF, acreditamos que componentes e sistemas estão no TRL 8, enquanto componentes e sistemas FMCW estão no TRL 4. Esta é lacuna significativa em prontidão tecnológica que levará muitos anos para fechar. Principais deficiências de escalabilidade de sistemas FMCW incluem baixa taxa de disparo devido ao alongamento de pulso chirp do laser, e ADC de alta velocidade e FPGA requeridos para processar retornos. No caso onde taxas de disparo mais altas no nível de sistema são necessárias, canais paralelos do caminho óptico e eletrônica podem ser implantados. Estes podem usar um único MEMS de varredura, mas cada item replicado é a maior parte do custo do sistema LiDAR, então dobrar canais quase dobra custo geral do LiDAR.

Custos do Laser: Em sistemas FMCW, comprimento de coerência é determinado por como laser é projetado e fabricado e deve ser pelo menos duas vezes maior que maior alcance de alvo. Tipicamente, laser de baixo ruído de fase é muito mais caro que laser diodo tradicional. Em contraste, fora manter boa forma de pulso, há poucos outros requisitos no laser em sistema ToF além dos já requeridos em mercados de telecom.

Custos do Receptor: Embora seja verdade que detectores FMCW podem ser PINs de baixo grau e relativamente baratos, custo total do receptor é caro devido a requisitos de óptica front-end e eletrônica back-end. Mesmo aqui, sistema FMCW coaxial e sistema ToF coaxial não verão diferenças significativas em custos de detectores baseados em tamanhos necessários. Custo total do receptor favorecerá sistema ToF. No entanto, onde FMCW realmente brilha em custo é para sistemas de curto alcance. A maior eficiência energética evidenciada da coerência permite diodos laser serem empregados, e LiDAR em escala de chip é alcançável.

Custos de Óptica: Em sistema ToF típico, detecção incoerente (detecção simples de pico de amplitude) ocorre e elementos ópticos só precisam estar dentro de um quarto de comprimento de onda (chamado λ/4). Em comparação, FMCW usa detecção coerente e, em agregado, todas superfícies ópticas devem estar dentro de tolerância muito mais apertada, como λ/20. Estes componentes podem ser muito caros.

Custos de Eletrônica: No sistema ToF da AEye, eletrônica consiste em conversor analógico-digital (ADC) de alta velocidade e field programmable gate array (FPGA) que realiza detecção de pico e cálculos de alcance. Largura de banda da eletrônica é proporcional à resolução de alcance e para requisitos comuns de sistema LiDAR, componentes não são incomuns.

FMCW requer taxas de conversão ADC duas a quatro vezes maiores que sistema ToF e então deve ser seguido por FPGA capaz de receber dados e fazer conversões FFT de altíssima velocidade. Mesmo com uso de ASICs, complexidade de sistemas FMCW é várias vezes a complexidade (e custo) do processamento requerido para ToF.

Alegação #6: Adicionar FMCW a Arrays de Fase Óptica (OPAs) Compensará Falta de Desempenho de Estado Sólido do FMCW

Isto é não comprovado.

FMCW tem nível baixo de prontidão tecnológica, e Arrays de Fase Óptica têm nível ainda mais baixo (aproximadamente TRL 3 com prova de princípio experimental e não utilizável em escala na extensão necessária para FMCW). O programa original DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB) demonstrou que, para alcançar desempenho de direcionamento de feixe de transmissão com lóbulos laterais espaciais muito baixos, guias de onda submicrônicos (λ/2) eram necessários¹¹. Consequência de precisar tais guias de onda pequenos é capacidade de manuseio de potência de tais elementos, identificada como limitação fundamental da abordagem. No lado receptor, ideia de acoplar luz de lente de entrada a substrato fotônico onde luz deve ser coletada em guia de onda muito pequeno também é desafio de desempenho óptico (limitação de étendue).

Maioria dos sistemas OPA usa deslocamento térmico de comprimento de onda do laser para direcionar feixes em uma dimensão enquanto usa arrays de fase para direcionar em outra. É bem conhecido que direcionamento de feixe por array de fase degrada (cria lóbulos laterais espaciais) muito rapidamente com mudanças de frequência do feixe laser. Combinação de mecanismo de direcionamento que depende do laser ser intensidade constante e comprimento de onda constante, enquanto mecanismo de medição depende de varrer frequência (comprimento de onda) do laser, não funciona bem para abordagens FMCW tradicionais. Ideia de combinar FMCW com tecnologia de direcionamento de feixe em estágio tão inicial de desenvolvimento é incrivelmente arriscada. Acreditamos que este caminho pode levar mais 10 anos para atingir maturidade utilizável.

Conclusão

AEye acredita que sistemas ToF de alto desempenho e varredura ágil servem necessidades de LiDAR de veículos autônomos mais efetivamente que FMCW quando custo, alcance, desempenho e qualidade de nuvem de pontos são importantes. No entanto, não é difícil ver raciocínio lógico onde FMCW poderia desempenhar papel de nicho em aplicações onde taxas de disparo mais baixas são adequadas e sistemas FMCW são mais econômicos.