南方科技大学马宣刘晓光研究团队在i-TOF LiDAR精度提升领域取得重要突破

近日，南方科技大学深港微电子学院马宣刘晓光团队联合奥比中光在国际权威期刊《ieee transactions on instrumentation and measurement》上发表了题为《systematic error reduction of i-tof lidars using flexible trapezoidal waveforms》的研究论文。该论文提出了一种基于灵活梯形波形的新方法，成功将i-tof（间接飞行时间）lidar系统的测距误差降低至亚毫米级别，为高精度3d测量技术的发展提供了重要的理论和工程支持。

研究背景与挑战

i-TOF LiDAR技术因其高效、低成本的特性，近年来广泛应用于智能终端、AR/VR设备、自动驾驶和服务机器人等多个领域。然而，受系统误差与随机误差的影响，现有i-TOF系统的测距精度通常仅能达到数十毫米，难以满足如面部识别支付、高端制造和智能医疗等对高精度要求的应用场景。

研究表明，系统误差中最难处理的是被称为“wiggling”的复杂周期性误差。这种误差来源于激光发射信号偏离理想正弦波，引入了高次谐波，导致测距误差随距离呈周期性波动。更复杂的是，wiggling误差与其他系统误差及随机误差之间存在非线性耦合，难以独立分离和补偿，成为提升i-TOF测距精度的关键障碍。

图1 i-TOF测距原理及误差产生机理示意图。(a) i-TOF模块框图及测距。(b) 四抽头像素i-TOF激光雷达模块原理图，测距过程中出现系统性和随机误差。(c)、(d)分别为调制后的理想信号光和实际信号光的测距效果。环境和信号光引入散粒噪声和随机误差，当与内部模块误差相结合时，通过四步相移采样和计算产生两个不同的点云。理想正弦波无wiggling，允许系统误差补偿，而实际光信号偏离正弦波，引入wiggling，阻碍补偿，导致测距点云失真。

创新技术与解决方案

针对这一难题，研究团队提出了一种全新的策略，利用灵活设计的梯形光信号波形，有效抑制复杂的wiggling误差，并实现系统误差的整体优化。

不同于传统方法直接采用正弦波进行光信号调制，该方案通过调整光信号的占空比（Duty Ratio, DR）和上升/下降沿比例（Rising/Falling Edge Ratio, RFER），间接消除wiggling误差，使反相信号的差分结果接近理想正弦波。这种方法不仅避免了复杂且昂贵的正弦波调制电路，还显著降低了硬件实现难度。

图2 基于所提方法设计了wiggling的遍历仿真示意图。(a)合并多频AoW（wiggling振幅）。(b)用于优化wiggling的谷线和谷点。(c) 100 MHz的AoW分布。(d) 最优RFER和DR组与对应的拟合曲线共同形成谷线和谷点。可选区域满足在不同频率下小于4 mm AoW的要求。(e)最优波形调制和在谷点和100 MHz实现全局最小wiggling的测量过程。

研究结果显示，通过对光信号的DR和RFER进行全局优化，可以将i-TOF系统中的wiggling误差从±19 mm压缩至±4.5 mm；进一步优化RFER至13%后，理论上可将wiggling误差控制在±0.58 mm以内。

实际验证与成果

研究团队开发了一套优化的光信号驱动电路，并基于自主研发的i-TOF LiDAR模块进行了实验验证。实验中，研究人员测试并分析了多种光信号波形参数，结果表明优化后的梯形光信号波形能显著减少系统误差，大幅提升测距点云的准确性。特别是在距离测量精度方面，该方法明显优于现有的正弦波直接调制技术和占空比优化方法。

图3 对测量得到的白板三维点云进行摆动消除验证，垂直距离为2000 mm，点云无wigggling补偿

此外，该方法在简化驱动电路结构、增强系统抗干扰能力以及适应温度变化等方面也表现出明显优势，有望为未来小型化、低功耗、高精度LiDAR模块的研发提供技术支持。

未来展望

本项研究在i-TOF LiDAR精度提升方面取得重要进展，为高精度3D测量技术在智能制造、医疗影像、AR/VR等前沿领域的广泛应用提供了坚实的技术基础。未来，研究团队将进一步优化驱动电路设计，并探索灵活梯形波形调制在更高频率下的应用潜力，推动i-TOF技术向更高精度、更低功耗和更广应用方向发展。

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