近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院馬宣劉曉光團(tuán)隊(duì)聯(lián)合奧比中光在國際權(quán)威期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》上發(fā)表了題為《Systematic Error Reduction of i-TOF LiDARs Using Flexible Trapezoidal Waveforms》的研究論文。該論文提出了一種基于靈活梯形波形的全新方法，成功將i-TOF（間接飛行時(shí)間）LiDAR系統(tǒng)的測距誤差降低至亞毫米級(jí)，為高精度3D測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的理論和工程指導(dǎo)。

研究背景與挑戰(zhàn)

i-TOF LiDAR技術(shù)作為一種高效、低成本的3D測量解決方案，近年來在智能終端、AR/VR設(shè)備、自動(dòng)駕駛以及服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有i-TOF系統(tǒng)的測距精度受系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的干擾，僅能達(dá)到數(shù)十毫米的水平，難以滿足高精度場景的需求，如面部識(shí)別支付、高端制造和智能醫(yī)療等領(lǐng)域。

研究表明，系統(tǒng)誤差中最具挑戰(zhàn)性的是一種被稱為“wiggling”的高維復(fù)雜誤差。這種誤差源于激光發(fā)射信號(hào)偏離理想正弦波形，從而引入高次諧波，導(dǎo)致測距誤差呈周期性波動(dòng)。此外，wiggling與其他系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差存在非線性耦合，難以獨(dú)立分離和補(bǔ)償，成為i-TOF測距精度提升的主要瓶頸。

圖1 i-TOF測距原理及誤差產(chǎn)生機(jī)理示意圖。(a) i-TOF模塊框圖及測距。(b) 四抽頭像素i-TOF激光雷達(dá)模塊原理圖，測距過程中出現(xiàn)系統(tǒng)性和隨機(jī)誤差。(c)、(d)分別為調(diào)制后的理想信號(hào)光和實(shí)際信號(hào)光的測距效果。環(huán)境和信號(hào)光引入散粒噪聲和隨機(jī)誤差，當(dāng)與內(nèi)部模塊誤差相結(jié)合時(shí)，通過四步相移采樣和計(jì)算產(chǎn)生兩個(gè)不同的點(diǎn)云。理想正弦波無wiggling，允許系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，而實(shí)際光信號(hào)偏離正弦波，引入wiggling，阻礙補(bǔ)償，導(dǎo)致測距點(diǎn)云失真。

創(chuàng)新技術(shù)與解決方案

針對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的方法，通過設(shè)計(jì)靈活的梯形光信號(hào)波形，有效消除了復(fù)雜的wiggling誤差，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)誤差的全面優(yōu)化。

與傳統(tǒng)方法直接將光信號(hào)調(diào)制為正弦波不同，該方法采用優(yōu)化光信號(hào)的占空比（Duty Ratio, DR）和上升/下降沿比例（Rising/Falling Edge Ratio, RFER）來間接消除wiggling誤差，進(jìn)而使反相信號(hào)的差分結(jié)果接近理想正弦波形。這種方法不僅避免了復(fù)雜且高成本的正弦波調(diào)制電路，還顯著降低了工程實(shí)現(xiàn)難度。

圖2 基于所提方法設(shè)計(jì)了wiggling的遍歷仿真示意圖。(a)合并多頻AoW（wiggling振幅）。(b)用于優(yōu)化wiggling的谷線和谷點(diǎn)。(c) 100 MHz的AoW分布。(d) 最優(yōu)RFER和DR組與對應(yīng)的擬合曲線共同形成谷線和谷點(diǎn)。可選區(qū)域滿足在不同頻率下小于4 mm AoW的要求。(e)最優(yōu)波形調(diào)制和在谷點(diǎn)和100 MHz實(shí)現(xiàn)全局最小wiggling的測量過程。

研究表明，通過對光信號(hào)的DR和RFER進(jìn)行全局優(yōu)化，可以將i-TOF系統(tǒng)中的wiggling誤差從±19 mm壓縮至±4.5 mm，進(jìn)一步優(yōu)化RFER至13%后，理論上可將wiggling誤差降低至±0.58 mm。

實(shí)際驗(yàn)證與成果

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套優(yōu)化的光信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，并基于自研i-TOF LiDAR模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員對不同的光信號(hào)波形參數(shù)進(jìn)行測量和分析，結(jié)果顯示優(yōu)化后的梯形光信號(hào)波形能夠顯著減少系統(tǒng)誤差，測距點(diǎn)云的精度得到了大幅提升。特別是在距離精度的提升上，該方法顯著優(yōu)于現(xiàn)有的正弦波直接調(diào)制技術(shù)和占空比優(yōu)化技術(shù)。

圖3 對測量得到的白板三維點(diǎn)云進(jìn)行擺動(dòng)消除驗(yàn)證，垂直距離為2000 mm，點(diǎn)云無wigggling補(bǔ)償

此外，該方法在簡化驅(qū)動(dòng)電路、提高系統(tǒng)抗干擾能力以及適應(yīng)溫度變化等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，有望為未來的小型化、低功耗、高精度LiDAR模塊的研發(fā)提供技術(shù)支持。

未來展望

該研究在i-TOF LiDAR精度提升領(lǐng)域取得了重要突破，為高精度3D測量在智能制造、醫(yī)療影像、AR/VR等前沿領(lǐng)域的普及應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并探索靈活梯形波形調(diào)制在更高頻率下的應(yīng)用潛力，以推動(dòng)i-TOF技術(shù)邁向更高精度、低成本和廣泛應(yīng)用的新時(shí)代。