一文了解TOF、三角法测距和相位测距以及FMCW激光雷达测距原理

article/2025/11/4 22:35:20

来源：光学追光者

激光雷达根据原理可以分为TOF（飞行时间），三角法测距和相位测距三种方式。

三角法测距为

三角测距法是利用相似三角形本地可以测得透镜中心和照射到CMOS/CCD上的距离，就可以得到物距，本地的分辨率l决定了探测物体的分辨率。因此当物距越大，探测精度越低。因此该方法测距较短且需要大面积的光电探测器。

TOF为目前大多数的自动驾驶采用的雷达方案，通过发射脉冲激光，计算脉冲激光经过目标并反射回探测器的时间，即飞行时间。飞行时间等于脉冲数n和脉冲间隔t的乘积，距离就等于飞行时间和速度的乘积,如下面公式所示，f为脉冲频率。

这种方式简单直接，测距的精度不随距离增加而恶化，但是由于光速快，短距下对器件的响应时间要求高。

TOF另一种精度更高的测距方式为测量调制信号和初始信号的相位差。对激光器发出的光进行幅度调制，调制信号经过反射后进行探测，检测该回波信号的相位和原始相位差，根据已知的调制信号的角频率即可获得距离

由于相位检测只能在一个2pi区间内，因此测距存在不准确性，为了提高测距的准确度，需要使用不同角频率的调制信号多次测量，测量效率低。

FMCW为Frequency modulated continuous wave，即调频连续波，从名字就可知在测距过程中发射的频率是变化且在时间上连续的。

上图为相干探测过程。RF信号频率在一定范围内改变，通常为三角波或者锯齿波。调制器将RF信号调制到光频域上，输出的频率范围假设为f1和f2，三角波周期为T，则输出频率为

分束器分出一部分光用作参考光，剩余部分经过放大器向空间发射，经过物体表面反射回来，和参考光合束后在PD中拍频。通常受限于带宽，和频被滤掉，剩余差频以及相位关系。

差频与回波信号相对于参考信号的延时有关。从上述公式以及相位测距的公式对比，可以发现FMCW就是通过将相位差转化为频率差严格的测出相位差（延时），而探测器很容易测出差频的频率。FMCW的优势明显，测量精度高，抗干扰能力强，同时也可以测速度，拍频后频率低，易于信号处理，而且不像脉冲激光器需要高功率打出去，FMCW的峰值功率为百mW量级，比TOF低四个数量级，比较安全。

目前能够提供基于FMCW的激光雷达应该只有Aeva, Mobieye和Aurora，而且均没有量产。目前FMCW激光雷达主要的难点在于使用的是1.5um波长的光，在空气中传播损耗大，且受天气影响严重；基于硅芯片的FMCW需要调制信号，对调制器的线性度要求较高，而且成本也是一大问题，硅光始终没有大规模应用，封测成本都比较高。

参考:

[1]谈谈激光雷达的测距原理-三角/脉冲/相位/DTOF/ITOF... - 知乎 (zhihu.com)

[2]陶敏，光学相控阵全固态激光雷达驱动与控制技术研究

[3]FMCW激光雷达科普（下）：主要挑战、前景及市场格局_九章智驾的博客-CSDN博客

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