调频连续波（FMCW）是现代雷达和传感器技术中的一种创新方法。它的应用范围很广，从自动驾驶汽车中的传感器系统，到飞机和无人机中的避障系统，再到飞机中的高级信号检测和飞行控制，甚至是激光雷达（光基探测和测距）系统。本文将解释 FMCW 技术的基本原理、与其他测距技术的区别、具体应用实例，并探讨其潜力。
目录
FMCW 技术的基本原理是什么？
FMCW 的定义和机制
FMCW（调频连续波）是一种利用频率随时间变化的信号来测量距离的方法。该技术将发射波与来自物体的反射波进行比较，并分析频率和相位差，从而计算出物体的距离和速度。
与传统的脉冲法不同，FMCW 可以连续发射信号，因此可以在较低的发射功率下工作。此外，由于它能详细分析反射波的频率变化，因此能进行高精度的距离和速度测量。因此，FMCW 雷达在探测移动物体方面表现尤为出色。此外，FMCW 技术不易受天气或光线条件的影响，可在夜间或恶劣天气下进行高精度探测。还可以避免与其他设备的相互干扰。
由于这些特点，FMCW 在汽车高级驾驶辅助系统 (ADAS)、飞机雷达系统和无人机导航中特别有用。
与脉冲雷达的区别： 方法和应用
FMCW 技术与传统脉冲雷达在方法和应用上有几个重要区别。
- 信号方法的差异
脉冲雷达： 间歇发射短时高功率信号，并检测其反射波。由于它使用大功率脉冲信号，其特点是能有效探测远距离物体。
FMCW：使用连续波信号，在发射信号的同时接收反射波。它的特点是传感器易于微型化、重量轻、节能、性价比高。 - 应用差异
脉冲雷达：适用于需要大规模、远距离测量的领域，如航空、船舶监测和气象观测。虽然由于需要大功率发射机，因此难以缩小体积和降低成本，但其优点是可靠性高，可实现大范围的精确监测。特别是在国防领域，由于其探测能力强，被广泛用于预警和目标跟踪。
FMCW：FMCW 具有显著的优势，尤其是在需要大批量生产的汽车行业。它减少了安装位置的限制，允许在车辆中安装更多传感器。在自动驾驶汽车中，安装了大量的 FMCW 传感器，通过提供对周围环境的三维了解来提高汽车的安全性能。
与多普勒雷达的区别： 方法和应用
多普勒效应是指声波或无线电波等信号源及其观测装置各自移动的现象，当信号源和观测装置之间存在速度差时，观测装置测量到的频率值与声波或无线电波信号源的频率值不同。距离越近，频率越高；距离越远，频率越低。应用这种多普勒效应的雷达包括多普勒雷达和 FMCW 雷达。
- 信号方法的差异
多普勒雷达： 发射连续或脉冲无线电波，通过检测移动物体反射信号的频率变化（多普勒频移）来计算物体的相对速度。它不适合获取距离信息，专门用于测量速度。
FMCW 雷达： 通过发射频率随时间连续变化的无线电波，并分析反射波与多普勒频移反射波之间的频率差（拍频），同时测量物体的距离和速度。它适用于短距离的高精度测量。 - 应用差异
多普勒雷达： 应用包括测速设备，如用于交通执法的测速枪、用于测量风雨移动的气象雷达，以及体育运动中球和运动员的速度测量。
FMCW 雷达： 应用包括用于自动驾驶车辆障碍物探测和距离测量的车载雷达、用于工业应用中距离和速度测量的工业传感器，以及无人机的防撞和高度测量。
毫米波雷达中 FMCW 的重要性
毫米波技术与 FMCW 相结合，可最大限度地发挥其性能。毫米波频率高，天线小，分辨率高，而 FMCW 可利用这一点即时确定目标物体的距离、速度和方向。
自动驾驶汽车中的应用
FMCW 技术与毫米波传感器的结合对于自动驾驶汽车的发展至关重要。
特别是，先进驾驶辅助系统（ADAS）和汽车雷达传感器都采用了该技术的高精度距离测量能力。这种技术组合使车辆能够即时测量与障碍物的距离、速度和方向，用于车辆防撞和车道保持辅助，大大提高了自动驾驶和安全功能。
航空和航天领域的应用
在飞机上，毫米波 FMCW 传感器用于空中防撞和障碍物探测。在太空探索中，这项技术还用于协助火星探测器着陆。
FMCW 在激光雷达系统中的应用
LiDAR（光探测与测距）是一种将 FMCW 技术与激光相结合，实现高分辨率 3D 成像的方法。
- 高精度三维测绘
FMCW 激光雷达利用激光的光频调制实现比毫米波更高的空间分辨率和更精细的距离测量。这使自动驾驶车辆和机器人能够更详细地识别周围环境。与其他激光雷达技术（如飞行时间（ToF）相比，FTW 激光雷达具有以下显著优势：能够同时测量数百米的距离和速度；任何类型的激光雷达之间干扰极低；不易受环境光影响。 - 不断扩展的工业应用
FMCW 激光雷达还可用于地形测量和建筑工地监测。通过利用光的特性，它不易受环境和其他条件的影响，可用于广泛的应用领域。
FMCW 技术的挑战和未来前景
FMCW 系统面临的共同技术挑战
FMCW 技术面临的主要挑战是复杂的信号处理和高昂的成本。特别是信号处理变得更加复杂，需要先进的算法才能实现高效的实时信号处理。因此，设计和实施系统需要高水平的专业知识。此外，还需要进行技术创新，以降低传感器的制造成本，这方面的研究和开发仍在进行中。
FMCW 激光雷达的技术挑战
光频调制 激光束的特性是 FMCW 激光雷达的一个重要问题。一般来说，FMCW 系统需要高线性度的频率调制；在 FMCW 激光雷达中，光频是通过改变驱动激光二极管的电流来调制的，但瞬时温度变化会导致光频调制失去线性度。因此，必须准确评估光频调制特性。由于改变激光二极管电流也会改变光强度，因此在评估光频调制特性时需要一种不受光强度变化影响的方法。
此外，由于激光二极管的光频噪声会影响 FMCW 激光雷达的精度，因此需要降低光频噪声。
在 FMCW 激光雷达中，激光调制周期内的光频噪声是抑制的目标。在一般的激光二极管中，低于 FMCW 激光雷达调制频带的频率范围内的光频噪声较大。因此，有必要对 FMCW 激光雷达调制频段内的光频噪声进行评估，将其与这一较低频段内的光频噪声区分开来。
FMCW 激光雷达需要对激光束发射方向进行二维扫描，必须以经济有效的方式实现这一机制。我们希望能利用光集成电路技术实现这一目标。
未来研究与市场前景
未来，FMCW 技术有望与人工智能、机器学习和纳米技术相结合，从而实现更加精确的实时分析。此外，有关微型化和节能的研究正在进行中，有望进一步扩大在汽车、航空航天和太空开发领域以及人们更为熟悉的医疗领域的应用。
相关新闻和最新技术介绍
SYCATUS 销售创新产品，如 A0070A 光频分析仪，它可评估 FMCW 激光雷达的光频调制特性。这项技术正在推动 FMCW 技术在自动驾驶汽车和航空航天领域的应用。
此外，在 2024 年 9 月于中国深圳举办的 CIOE 2024（中国国际光电博览会）上，SYCATUS 的 A0070A 光频率分析仪以及评估激光噪声的 A0010A RIN 测量系统和 A0040A 光噪声分析仪均有展出。
评估光频率调制特性： “A0070A 光学频率分析仪”
A0070A 光频率分析仪是专门用于评估 FMCW 激光雷达的创新系统。
它可以实时观察光频调制波形，并在不受光强调制影响的情况下提取光频调制成分。无需进行测量前调整，激光输入后立即显示波形，而且其线性度高，即使在光频偏差较大的情况下也能进行精确测量。
A0070A 为 FMCW 激光雷达的开发和生产提供了便利。
评估激光噪声：“A0040A 光学噪声分析仪 ”和 "A0010A RIN 测量系统”
A0040A 光学噪声分析仪是业内首个将激光线宽作为光频噪声功率谱密度进行评估的解决方案。
它覆盖了从 O 波段到 L 波段的宽波长范围。它具有极高的分辨率和灵敏度，可评估低至 0.002 Hz 的洛伦兹线宽。此外，其动态范围超过 100 dB，即使在 ITLA 中使用光频抖动，也能进行正确的测量。
它可以分析数字相干传输系统所需的 1/f 噪声、白噪声和激光器的洛伦兹线宽。无需进行测量前调整，从而提高了测量吞吐量，并提供了出色的准确性和可重复性。
以频谱形式评估光频噪声的能力使其非常适合评估特定频段的光频噪声，如 FMCW 激光雷达。
此外，还可集成 A0070A 光频分析仪，从而在单个设备中评估 FMCW 激光雷达激光器的光频调制特性和光频噪声特性。
A0010A RIN 测量系统采用了专为相对强度噪声 (RIN) 测量而优化设计的高灵敏度、低噪声光接收器和 Keysight Technologies, Inc. 的高性能 X 系列信号分析仪。Keysight Technologies, Inc. 的 X 系列信号分析仪用于评估 50 GHz（世界上最大的测量带宽）范围内的相对强度噪声频谱。
结论
FMCW（频率调制连续波）技术对激光雷达和雷达非常有用，在交通、安全和一般工业中发挥着重要作用。它的高精度测量、速度分析和实时性能为许多领域带来了创新，包括自动驾驶汽车和航空航天领域。
未来，随着 FMCW 技术与人工智能和纳米技术的日益融合，它将实现进一步的飞跃。它的发展将带来新的市场和更安全、更高效的社会。
FMCW 技术的未来是光明的，值得我们继续关注未来研究和应用的发展。
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作为光通信和光传感领域的测量先驱，SYCATUS 20 多年来一直致力于提供用于测量的集成硬件和软件系统。
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