Time-of-Flight vs. FMCW: Das große Duell

FMCW wird als Gamechanger für LiDAR gehandelt – doch hat die Technologie wirklich das Potential dazu? Ist FMCW überhaupt schon bereit für den Einsatz in der Sensorik? Und warum setzen die meisten LiDAR-Hersteller lieber nach wie vor auf Time-of-Flight?
Time-of-Flight vs. FMCW: Das große Duell

Ob Scanning-, Spinning- oder Flash-Technologie – alle LiDAR-Sensoren haben eins gemeinsam: Sie erfassen ihre Umwelt mit Hilfe von Licht. An diesem Punkt hören die Gemeinsamkeiten aber schon auf. Denn selbst das Prinzip, nach dem, anhand von reflektiertem Licht, Abstände gemessen werden, ist nicht bei allen Technologien gleich. Die zwei bekanntesten Prinzipien sind die Laufzeitmessung (Time-of-Flight = ToF) und die kontinuierliche Frequenzmodulation (Frequency Modulated Continuous Wave = FMCW).

Time-of-Flight: Abstandsmessung mit Hilfe von Laserpulsen

Die Laufzeitmessung misst Abstände zu Objekten, indem Laserpulse ausgesendet werden. Laserpulse bedeuten, dass zahlreiche gebündelte Lichtimpulse mit kurzen Abständen hintereinander ausgesandt werden. Diese werden von Objekten reflektiert und von einem Detektor wieder aufgefangen. Anhand der Zeit, die ein Laserpuls benötigt, um ausgesendet, reflektiert und wieder aufgefangen zu werden, wird mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit berechnet, wie weit das Objekt entfernt ist, das genau diesen Laserpuls reflektiert hat.

Dieses Prinzip ist bisher das am weitesten verbreitete Messprinzip, das eine hohe Zuverlässigkeit der Daten aufweist und bereits mit preisgünstigen Laserquellen umgesetzt werden kann. Time-of-Flight hat allerdings auch Limitierungen: Um Laserpulse auszusenden, wird das Licht maximal gebündelt, da somit eine höhere Reichweite erzielt wird. Hierbei sind durch die Augensicherheit klare Grenzen gesetzt. Ein intelligenter Aufbau von LiDAR-Sensoren, etwa mit besonders großen MEMS-Spiegeln wie beim Blickfeld Cube, kann auch mit der Time-of-Flight Methode hohe Reichweiten erzielen, sodass diese für viele Sensoren weiterhin die bevorzugte Messtechnik ist.

Time-of-Flight Prinzip
Time-of-Flight Prinzip

Alternative zu Pulsen: Die Frequenzmodulation

Um die Herausforderung durch Pulse mit hoher Laserleistung zu umgehen, gibt es zudem die Möglichkeit, einen kontinuierlichen Laserstrahl auszusenden. Dabei wird mit Hilfe von Frequenzmodulation der Abstand zu Objekten definiert. Was aber bedeutet Frequenzmodulation? Der ausgesendete Laserstrahl wird dabei immer wieder moduliert und „gechirpt“, die Frequenz des Signals wird also immer wieder geändert. Der Laserstrahl trifft nun auf ein Objekt und wird reflektiert. Durch die Reflexion wird die Frequenz des Lichts im Vergleich zur Frequenz zum Aussendungszeitpunkt beeinträchtigt. Daher wird bei der Aufnahme durch den Detektor das zurückkehrende Licht mit gerade ausgesendetem Licht gemischt und der Frequenzunterschied gemessen. Diese so genannte Zwischenfrequenz, die die Differenz zwischen beiden Frequenzen beschreibt, ist proportional zur Distanz und gibt somit Aufschluss über den Abstand zum Objekt. Bewegt sich dieses Objekt auf den Sensor zu, so lässt sich anhand des Doppler-Effekts mit der FMCW-Methode zudem direkt die Geschwindigkeit des Objekts bestimmen.

Prinzip der Frequenzmodulation
Prinzip der Frequenzmodulation

Direkte Geschwindigkeitserfassung für das autonome Fahren

Mit dem Laufzeitprinzip lässt sich die Geschwindigkeit von entgegenkommenden Objekten ebenfalls messen, allerdings nicht direkt wie bei FMCW. ToF misst mit den aufgenommenen Datenpunkten ausschließlich die Distanz zwischen Sensor und Objekt, daher muss die Geschwindigkeit von Objekten aus mehreren Messungen berechnet werden: Indem mehrere Pulse ausgesendet werden, kann anhand der Veränderung des Abstands zwischen Objekt und Sensor in den einzelnen Messungen und der Pulsfrequenz die Geschwindigkeit errechnet werden.

Kohärenter Detektor vs. Koaxialer Sensoraufbau

Wird das Licht wie bei der Frequenzmodulation kohärent ausgesendet, muss es natürlich auch kontinuierlich wieder detektiert werden. Daher kommen bei FMCW kohärente Detektoren zum Einsatz, die sehr sensibel reagieren, da nur das eigens ausgesendete, kohärente Licht gefiltert und aufgenommen wird. Die erhöhte Sensibilität führt zudem dazu, dass die Daten weniger von ungewollten Lichteinflüssen beeinträchtigt werden, weshalb FMCW zu einem guten Signal-Rausch-Verhältnis führt. Somit lassen sich auch schwach reflektierende Objekte in größeren Entfernungen detektieren. Die Laufzeitmessung steht dem jedoch nicht nach: Ein intelligenter LiDAR-Sensoraufbau erzielt die gleiche Wirkung: Ein koaxialer Aufbau stellt sicher, dass nur das Licht wieder aufgefangen wird, das mit genau dem gleichen Winkel auf den Detektoren trifft, mit dem das ausgehende Licht ausgesendet wurde. So werden Sonnenlicht und Signale von anderen LiDAR-Sensoren herausgefiltert.

Time-of-Flight immer noch etablierteres Messprinzip

Ist die Frequenzmodulation also das bessere Messprinzip? Das kann man so pauschal nicht sagen. Beide Methoden haben Stärke und Schwächen. Was die Laufzeitmessung FMCW allerdings voraus hat, ist ihre Entwicklungsreife. ToF wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich in LiDAR-Sensoren eingesetzt, während FMCW noch in den Kinderschuhen steckt. Die Technologie ist komplex und aktuell noch sehr kostspielig, da speziellere Anforderungen an die Laserquelle gestellt werden, als dies für Time-of-Flight der Fall ist. Gerade im LiDAR-Markt ist die Frage nach der Industrialisierung eine wichtige, da der LiDAR-Sensor als Ganzes im Automobilmarkt bereits einem starken Preisdruck unterliegt. FMCW-Module müssen daher noch deutlich günstiger werden, als es Laser-Detektor-Module für ToF bereits sind. Mit fortschreitender Entwicklung wird es allerdings möglich sein, FMCW auf einen einzelnen Chip zu integrieren, was auf lange Sicht von großer Attraktivität ist. Denn Größe ist neben dem Preis etwas, was alle LiDAR-Hersteller versuchen zu verringern.

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