ToF vs FMCW LiDAR : analyse technique pour décisions éclairées

Des articles récents^{1, 2, 3, 4, 5} ont présenté un certain nombre d'affirmations marketing sur les avantages des systèmes LiDAR à onde continue à modulation de fréquence (FMCW). Comme on pouvait s'y attendre, il y a plus dans l'histoire que ce que les titres affirment. Cet article examinera ces affirmations et offrira une comparaison technique du Temps de Vol (ToF) vs FMCW LiDAR pour chacune d'elles.

Nous comprenons que tous les systèmes ToF et FMCW ne sont pas égaux, donc nous nous concentrerons sur le ToF tel qu'employé chez AEye. Notre espoir est que cet article décrira certains des compromis de système difficiles qu'un praticien performant doit surmonter, stimulant ainsi une discussion robuste et informée, la concurrence, et finalement, l'amélioration des offres ToF et FMCW.

Revendications concurrentielles

Revendication #1 : Le FMCW est une technologie (nouvelle) révolutionnaire

C'est faux.

Contrairement aux articles de presse récents, le LiDAR FMCW existe depuis très longtemps, découlant de travaux effectués au MIT Lincoln Laboratory dans les années 1960⁸, seulement sept ans après l'invention du laser lui-même⁹. Beaucoup de leçons apprises sur le FMCW au fil des ans — bien que non classifiées et domaine public — ont malheureusement été longtemps oubliées. Ce qui a changé récemment, c'est la plus grande disponibilité de lasers à longueur de cohérence longue. Bien que cela ait ravivé l'intérêt pour la technologie établie, car elle peut théoriquement fournir un gain de signal extrêmement élevé, il reste plusieurs limitations qui doivent être adressées pour rendre ce LiDAR viable pour les véhicules autonomes.

Revendication #2 : Le FMCW détecte/suit les objets plus loin, plus vite

C'est non prouvé.

Les systèmes LiDAR ToF peuvent offrir des taux de tir laser très rapides (plusieurs millions de tirs par seconde dans le système AEye), un balayage agile, une salience de retour accrue, et la capacité d'appliquer des Régions d'Intérêt (ROI) à haute densité — vous donnant un facteur de deux à quatre fois meilleure information des retours versus d'autres systèmes. En comparaison, de nombreux systèmes FMCW à faible complexité ne sont capables que de taux de tir dans les 10s à 100s de milliers de tirs par seconde (~50x plus lent). En essence, nous comparons des temps de séjour nanosecondes et taux de répétition élevés avec des temps de séjour dizaines de microsecondes et taux de répétition faibles (par paire laser/récepteur). Des produits LiDAR commerciaux de grade automobile sont disponibles qui produisent des millions de retours par seconde en utilisant le ToF, avec grand champ de vision et super-haute résolution de plus de 1000 points par degré carré. AEye n'est pas au courant de systèmes FMCW qui égalent ce niveau de performance (les systèmes FMCW sur le marché actuellement ont tendance à manquer de spécifications de performance spécifiques).

La détection, l'acquisition (classification) et le suivi d'objets à longue portée sont tous fortement influencés par le taux de tir laser, parce qu'une densité de tir laser plus élevée (dans l'espace et/ou le temps) fournit plus d'information permettant des temps de détection plus rapides et un meilleur filtrage du bruit. AEye a démontré un système capable de détections multi-points de faible réflectivité : petits objets et piétons à plus de 200 m, véhicules à 300 m, et un camion classe 3 à 1 km de portée. Cela parle de la capacité de portée de la technologie ToF. En effet, pratiquement tous les télémètres laser utilisent le ToF, pas le FMCW, pour la mesure de distance (ex. produits télémètres Voxtel¹⁰, certains avec détection 10+ km). Bien que des articles récents affirment que le FMCW a une portée supérieure, nous n'avons pas vu de système FMCW qui puisse égaler la portée d'un système ToF avancé tout en fournissant un champ de vision, une étendue de portée globale et une densité de points correspondants.

Revendication #3 : Le FMCW mesure la vitesse et la portée plus précisément et efficacement

C'est trompeur.

Les systèmes ToF, y compris le LiDAR d'AEye, nécessitent plusieurs tirs laser pour déterminer la vitesse de la cible. Cela peut sembler être une surcharge supplémentaire comparé aux affirmations du FMCW avec un seul tir. Beaucoup plus important est la compréhension que toutes les mesures de vitesse ne sont pas égales. Bien que la vitesse radiale dans deux voitures se dirigeant l'une vers l'autre soit urgente (une des raisons pour lesquelles une plus longue portée de détection est désirable), la vitesse latérale l'est tout autant car elle comprend plus de 90 % des cas limites les plus dangereux. Voitures grillant un feu rouge, véhicules déviant, piétons entrant dans une rue, tous nécessitent la vitesse latérale pour la prise de décision évasive. Le FMCW ne peut pas mesurer la vitesse latérale simultanément, en un seul tir, et n'a aucun avantage pour trouver la vitesse latérale par rapport aux systèmes ToF.

Considérez une voiture se déplaçant entre 30 et 40 mètres/seconde (~67 à 89 MPH) détectée par un tir laser. Si un second tir laser est pris peu de temps après, disons 50 µs après le premier, la cible n'aura bougé que ~1,75 mm pendant cet intervalle. Pour établir une vitesse statistiquement significative, la cible devrait avoir bougé d'au moins 2 cm, ce qui prend environ 500 µs (tout en nécessitant un SNR suffisant pour interpoler les échantillons de portée). Avec cette seconde mesure, une portée et une vitesse statistiquement significatives peuvent être établies dans un laps de temps négligeable comparé à un taux de trame. Avec un balayeur agile, les 500 µs ne sont pas uniquement dédiés ou « captifs » à l'estimation de vitesse. Au lieu de cela, beaucoup d'autres tirs peuvent être tirés sur des cibles dans l'intervalle. Ce temps peut être utilisé pour regarder d'autres zones/cibles avant de revenir à la cible originale pour une mesure de vitesse à haute confiance, alors qu'un système FMCW est captif pendant tout son temps de séjour.

Compliquant le temps de captivité, le fait que le FMCW nécessite souvent un minimum de deux balayages de fréquence laser (montée et descente) pour former une détection non ambiguë, la descente fournissant l'information nécessaire pour surmonter l'ambiguïté découlant du mélange portée + décalage Doppler. Cela double le temps de séjour requis par tir au-delà de ce qui est déjà décrit. La quantité de mouvement d'une cible en 10 µs peut être typiquement seulement 0,5 mm, rendant difficile la séparation vibration vs mouvement réel linéaire.

Revendication #4 : Le FMCW a moins d'interférences

C'est tout le contraire en fait !

Des réflexions parasites surviennent dans les systèmes ToF et FMCW. Celles-ci peuvent inclure des anomalies de rétro-réflecteur comme des « halos », « coquilles », réflexions de première surface, lobes latéraux spatiaux hors axe, ainsi que multi-trajets et encombrement. La clé de tout bon LiDAR est de supprimer les lobes latéraux dans le domaine spatial (avec de bonnes optiques) et le domaine temporel/de forme d'onde. ToF et FMCW sont comparables dans le comportement spatial, mais c'est dans le domaine temporel/de forme d'onde que le FMCW souffre vraiment quand des cibles à haut contraste sont présentes.

Encombrement : Le FMCW repose sur le rejet de lobes latéraux par fenêtre pour adresser l'auto-interférence (encombrement) qui est bien moins robuste que le ToF, qui n'a pas de lobes latéraux. Pour donner du contexte, une impulsion FMCW de 10 µs étend la lumière radialement sur une portée de 1,5 km. Tous les objets dans cette étendue de portée seront piégés dans les lobes latéraux FFT (temps). Même une impulsion FMCW plus courte de 1 µs peut être corrompue par un encombrement à haute intensité à 150 m. Le 1er lobe latéral d'une fenêtre FFT rectangulaire est bien connu à -13 dB, bien au-dessus des niveaux nécessaires pour un nuage de points constamment bon. (À moins qu'aucun objet dans le tir ne diffère en intensité d'un autre point de portée dans un tir de plus d'environ 13 dB, ce qui est improbable dans des conditions routières opérationnelles).

Bien sûr, un affinement plus profond des lobes latéraux peut être appliqué, mais au sacrifice de l'élargissement d'impulsion. De plus, les non-linéarités dans l'avant du récepteur (dynamique sans parasites) limiteront les niveaux de lobes latéraux effectifs du système atteignables en raison de la compression et des éperons ADC (interceptions d'ordre trois) ; bruit de phase⁶ ; et modulation de phase atmosphérique etc., qu'aucun affinement de fenêtre ne peut atténuer. Les systèmes aérospatiaux et de défense peuvent et surmontent de telles limitations, mais nous ne connaissons aucun système de grade automobile à faible coût capable de la dynamique >100 dB instantanée requise pour trier les petits objets à longue portée des rétro-réflecteurs à courte portée, comme ils surgissent dans le FMCW.

En contraste, un système ToF gaussien typique, à durée d'impulsion 2 ns, n'a pas de lobes latéraux basés sur le temps quelconques au-delà des quelques cm de la durée d'impulsion elle-même. Aucune quantité de dynamique entre retours de petit et grand décalage n'a d'effet sur la lumière incidente sur le photodétecteur quand le retour de la petite cible est capturé.

Première surface : Une source d'interférence potentiellement plus forte est une réflexion causée par un pare-brise ou autre première surface appliquée au système LiDAR. Tout comme le faisceau d'émission est quasi continu, les réflexions seront continues, et très fortes, par rapport aux objets distants, représentant un composant de basse fréquence similaire qui crée des lobes latéraux FFT indésirables dans les données transformées. Le résultat peut aussi être une réduction significative de la dynamique utilisable. De plus, les pare-brise, étant du verre multicouche sous contrainte mécanique, ont une polarisation inhomogène complexe. Cela randomise le champ électrique du signal de retour sur la surface du photodétecteur, compliquant (décorrélant) le mélange optique.

Enfin, en raison de la nature du traitement domaine temporel vs domaine fréquentiel, la gestion des multi-échos — même avec une grande dynamique — est un processus simple dans les systèmes ToF, alors qu'elle nécessite une désambiguïsation significative dans les systèmes FMCW. Le traitement multi-écho est particulièrement important pour gérer les obscurcissants comme la fumée, la vapeur et le brouillard.

Revendication #5 : Le FMCW est de grade automobile, fiable et facilement scalable

C'est non prouvé au mieux.

L'avantage prétendu du FMCW vient du fait qu'il tire parti de la maturité de la technologie photonique et des télécommunications, facilitant ainsi l'évolutivité vers des niveaux de performance plus élevés (en plus des économies de coûts). Vrai, le FMCW permet des photodétecteurs peu coûteux, comme les PIN, alors que le ToF utilise souvent des APD et d'autres détecteurs plus coûteux. Cependant, les détails sont bien plus nuancés.

La chaîne d'approvisionnement pour les composants LiDAR est relativement naissante, mais des composants comme les lasers à fibre, récepteurs à réseau PIN, ADC et FPGA ou ASIC ont été utilisés dans diverses industries depuis des années. Ces types de composants sont à très faible risque du point de vue de la base d'approvisionnement. En comparaison, le composant critique pour les systèmes FMCW est le laser à bruit de phase très faible, qui a de nombreuses exigences strictes et pas d'autre utilisateur à haut volume pour aider à faire baisser les coûts de fabrication en volume.

Les composants optiques utilisés dans les systèmes LiDAR ToF sont des dérivés de composants largement et routinièrement utilisés dans les systèmes commerciaux. Les nouveaux développements sont les MEMS, qui ont été précédemment utilisés dans pratiquement tous les capteurs de pression et airbags automobiles, ainsi que les canons Gatling, les têtes chercheuses de missiles, et les commutateurs q de résonateur laser dans le militaire. Les composants des systèmes FMCW sont disponibles en environnements de laboratoire depuis des années, mais aucun système de production à haut volume n'a déployé des éléments comme le laser diode à longueur de cohérence longue et fréquence agile nécessaire pour permettre de tels systèmes.

De plus, les LiDAR ToF ont déjà plusieurs vendeurs vendant des composants qualifiés automobile à travers toute la pile matérielle : lasers, détecteurs, ASIC, etc. Historiquement, une technologie disruptive (telles que les sources laser FMCW) qui est fabriquée de manière unique en interne, doit avoir un gain technique 10x pour compenser un produit qui jouit d'une chaîne d'approvisionnement robuste avec plusieurs vendeurs déjà passant les standards de qualité pour une base de clients donnée.

L'évolutivité est directement liée à la maturité. Une façon de décrire la maturité technologique est un schéma développé par la NASA dans les années 1970⁷ appelé « Technology Readiness Level » (TRL). Ce schéma attribue des nombres à une technologie selon son avancement sur le chemin de l'inspiration technologique (TRL 1) au déploiement dans de multiples missions réussies (TRL 9).

Dans le cas du LiDAR ToF, nous pensons que les composants et systèmes sont au TRL 8, tandis que les composants et systèmes FMCW sont au TRL 4. C'est un écart significatif dans la préparation technologique qui prendra de nombreuses années à combler. Les principaux défauts d'évolutivité des systèmes FMCW incluent le faible taux de tir dû à l'étirement d'impulsion chirp laser, et l'ADC haute vitesse et FPGA requis pour traiter les retours. Dans le cas où des taux de tir plus élevés au niveau système sont requis, des canaux parallèles du chemin optique et de l'électronique peuvent être déployés. Ceux-ci pourraient utiliser un seul MEMS de balayage, mais chaque élément répliqué est la majeure partie du coût du système LiDAR, donc doubler les canaux double presque le coût global du LiDAR.

Coûts des lasers : Dans les systèmes FMCW, la longueur de cohérence est déterminée par la façon dont le laser est conçu et fabriqué et doit être au moins deux fois plus longue que la plus longue portée cible. Typiquement, un laser à faible bruit de phase est beaucoup plus cher qu'un laser diode traditionnel. En contraste, en dehors du maintien d'une bonne forme d'impulsion, il y a peu d'autres exigences sur le laser dans un système ToF au-delà de celles déjà requises dans les marchés télécom.

Coûts des récepteurs : Bien qu'il soit vrai que les détecteurs FMCW peuvent être des PIN de bas grade et relativement bon marché, le coût total du récepteur est cher en raison des exigences d'optique frontale et d'électronique arrière. Même ici, un système FMCW coaxial et un système ToF coaxial ne verront pas de différences significatives dans les coûts de détecteurs basés sur les tailles de détecteurs nécessaires. Le coût total du récepteur favorisera un système ToF. Cependant, là où le FMCW brille vraiment sur le coût, c'est pour les systèmes à courte portée. L'efficacité énergétique plus élevée évincée de la cohérence permet l'emploi de lasers diodes, et le LiDAR à échelle de puce est réalisable.

Coûts d'optique : Dans un système ToF typique, la détection incohérente (détection simple de pic d'amplitude) a lieu et les éléments optiques n'ont qu'à être dans un quart de longueur d'onde (soit dit λ/4). En comparaison, le FMCW utilise la détection cohérente et en agrégat, toutes les surfaces optiques doivent être dans une tolérance beaucoup plus serrée, comme λ/20. Ces composants peuvent être très chers.

Coûts d'électronique : Dans le système ToF d'AEye, l'électronique consiste en un convertisseur analogique-numérique haute vitesse (ADC) et un réseau de portes programmable en champ (FPGA) qui effectue la détection de pic et les calculs de portée. La bande passante de l'électronique est proportionnelle à la résolution de portée et pour les exigences communes de système LiDAR, les composants ne sont rien d'inhabituel.

Le FMCW nécessite des taux de conversion ADC deux à quatre fois plus élevés qu'un système ToF et doit ensuite être suivi par un FPGA capable de prendre les données et de faire des conversions FFT à très haute vitesse. Même avec l'utilisation d'ASIC, la complexité des systèmes FMCW est plusieurs fois la complexité (et le coût) du traitement requis pour le ToF.

Revendication #6 : L'ajout de FMCW aux réseaux de phase optiques (OPA) compensera le manque de performance à état solide du FMCW

C'est non prouvé.

Le FMCW a un faible niveau de maturité technologique, et les réseaux de phase optiques ont un niveau de maturité technologique encore plus bas (environ TRL 3 avec preuve de principe expérimentale et non utilisables à l'échelle nécessaire pour le FMCW). Le programme DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB) original a démontré que, pour atteindre une performance de direction de faisceau d'émission à très faibles lobes latéraux spatiaux, des guides d'onde sous-microniques (λ/2) étaient nécessaires¹¹. La conséquence de nécessiter de tels petits guides d'onde est la capacité de gestion de puissance de tels éléments, qui a été identifiée comme une limitation fondamentale de l'approche. Du côté réception, l'idée de coupler la lumière d'une lentille d'entrée à un substrat photonique où la lumière doit être collectée dans un guide d'onde très petit est aussi un défi de performance optique (limitation d'étendue).

La plupart des systèmes OPA utilisent le décalage thermique de la longueur d'onde du laser pour diriger les faisceaux dans une dimension tout en utilisant des réseaux de phase pour diriger les faisceaux dans une autre dimension. Il est bien connu que la direction de faisceau par réseau de phase se dégrade (crée des lobes latéraux spatiaux) très rapidement avec les décalages de fréquence du faisceau laser. La combinaison d'un mécanisme de direction de faisceau qui dépend du laser étant une intensité et une longueur d'onde constantes, tandis que le mécanisme de télémétrie dépend du balayage de la fréquence (longueur d'onde) du laser, ne fonctionne pas bien pour les approches FMCW traditionnelles. L'idée de combiner le FMCW avec cette technologie de direction de faisceau qui est à un stade si précoce de développement est incroyablement risquée. Nous pensons que ce chemin peut prendre encore 10 ans pour atteindre une maturité utilisable.

Conclusion

AEye croit que les systèmes ToF à balayage agile haute performance servent les besoins du LiDAR pour véhicules autonomes plus efficacement que le FMCW quand le coût, la portée, la performance et la qualité du nuage de points sont importants. Cependant, il n'est pas difficile de voir le raisonnement logique où le FMCW pourrait jouer un rôle de niche dans des applications où des taux de tir plus faibles sont appropriés et les systèmes FMCW sont plus économiques.

Cet article a été écrit par Luis Dussan, Fondateur et CTO, AEye (Dublin, CA). Pour plus d'informations, visitez ici.

Références

1. Aurora Team, « FMCW Lidar: The Self-Driving Game-Changer », 9 avril 2020.
2. Philip Ross, « Aeva Unveils Lidar on a Chip », IEEE Spectrum, 11 décembre 2019.
3. Timothy Lee, « Two Apple veterans built a new lidar sensor — here's how it works », arsTECHNICA, 2 octobre 2018.
4. Jeff Hect, « Lasers for Lidar: FMCW lidar: An alternative for self-driving cars », Laser-FocusWorld, 31 mai 2019.
5. « Aeva launches '4D' LiDAR on chip for autonomous driving », 16 décembre 2019.
6. Phillip Sandborn, « FMCW Lidar: Scaling to the Chip-Level and Improving Phase-Noise-Limited Performance », Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2019-148, 1er décembre 2019.
7. « Technology readiness level », Wikipedia.
8. A Gschwendtner, W Keicher, « Development of Coherent Laser Radar at Lincoln Laboratory », MIT Tech journal, Vol 12, #2, 2000.
9. C. Patel, « Stability of Single Frequency Lasers », IEEE J Quantum Electronics, v4, 1968.
10. Voxtel Laser Rangefinders, Juin 2020.
11. P Suni et al, « Photonic Integrated Circuit FMCW Lidar On A Chip », 19th Coherent Laser Radar Conference.