近日，南边科技年夜学深港微电子学院马宣刘晓光团队结合奥比中光于国际权势巨子期刊《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在矫捷梯形波形的全新要领，乐成将i-TOF（间接飞行时间）LiDAR体系的测距偏差降低至亚毫米级，为高精度3D丈量技能的进一步成长提供了主要的理论及工程引导。

研究配景与挑战

i-TOF LiDAR技能作为一种高效、低成本的3D丈量解决方案，最近几年来于智能终端、AR/VR装备、主动驾驶以和办事呆板人等范畴获得了广泛运用。然而，现有i-TOF体系的测距精度受体系偏差及随机偏差的滋扰，仅能到达数十毫米的程度，难以满意高精度场景的需求，如脸部辨认付出、高端制造及智能医疗等范畴。

研究注解，体系偏差中最具挑战性的是一种被称为“wiggling”的高维繁杂偏差。这类偏差源在激光发射旌旗灯号偏离抱负正弦波形，从而引入高次谐波，致使测距偏差呈周期性颠簸。此外，wiggling与其他体系偏差及随机偏差存于非线性耦合，难以自力分散及赔偿，成为i-TOF测距精度晋升的重要瓶颈。

图1 i-TOF测距道理和偏差孕育发生机理示用意。(a) i-TOF模块框图和测距。(b) 四抽头像素i-TOF激光雷达模块道理图，测距历程中呈现体系性及随机偏差。(c)、(d)别离为调制后的抱负旌旗灯号光及现实旌旗灯号光的测距效果。情况及旌旗灯号光引入散粒噪声及随机偏差，当与内部模块偏差相联合时，经由过程四步相移采样及计较孕育发生两个差别的点云。抱负正弦波无wiggling，答应体系偏差赔偿，而现实光旌旗灯号偏离正弦波，引入wiggling，拦阻赔偿，致使测距点云掉真。

立异技能与解决方案

针对于这一难题，研究团队提出了一种全新的要领，经由过程设计矫捷的梯形光旌旗灯号波形，有用消弭了繁杂的wiggling偏差，并实现了体系偏差的周全优化。

与传统要领直接将光旌旗灯号调制为正弦波差别，该要领采用优化光旌旗灯号的占空比（Duty Ratio, DR）及上升/降落沿比例（Rising/Falling Edge Ratio, RFER）来间接消弭wiggling偏差，进而使反信赖号的差分成果靠近抱负正弦波形。这类要领不仅防止了繁杂且高成本的正弦波调制电路，还有显著降低了工程实现难度。

图2 基在所提要领设计了wiggling的遍历仿真示用意。(a)归并多频AoW（wiggling振幅）。(b)用在优化wiggling的谷线及谷点。(c) 100 MHz的AoW漫衍。(d) 最优RFER及DR组与对于应的拟合曲线配合形成谷线及谷点。可选区域满意于差别频率下小在4 妹妹 AoW的要求。(e)最优波形调制及于谷点及100 MHz实现全局最小wiggling的丈量历程。

研究注解，经由过程对于光旌旗灯号的DR及RFER举行全局优化，可以将i-TOF体系中的wiggling偏差从±19妹妹压缩至±4.5 妹妹，进一步优化RFER至13%后，理论上可将wiggling偏差降低至±0.58 妹妹。

现实验证与结果

研究团队开发了一套优化的光旌旗灯号驱动电路，并基在自研i-TOF LiDAR模块举行了试验验证。于试验中，研究职员对于差别的光旌旗灯号波形参数举行丈量及阐发，成果显示优化后的梯形光旌旗灯号波形可以或许显著削减体系偏差，测距点云的精度获得了年夜幅晋升。尤其是于间隔精度的晋升上，该要领显著优在现有的正弦波直接调制技能及占空比优化技能。

图3对于丈量获得的白板三维点云举行摆动消弭验证，垂直间隔为2000 妹妹，点云无wigggling赔偿

此外，该要领于简化驱动电路、提高体系抗滋扰能力以和顺应温度变化等方面体现出显著上风，有望为将来的小型化、低功耗、高精度LiDAR模块的研发提供技能撑持。

将来瞻望

该研究于i-TOF LiDAR精度晋升范畴取患了主要冲破，为高精度3D丈量于智能制造、医疗影像、AR/VR等前沿范畴的普和运用提供了坚实的技能保障。将来，研究团队将进一步优化驱动电路设计，并摸索矫捷梯形波形调制于更高频率下的运用潜力，以鞭策i-TOF技能迈向更高精度、低成本及广泛运用的新时代。

论文信息：论文标题：《Systematic Error Reduction of i-TOF LiDARs Using Flexible Trapezoidal Waveforms》发表期刊：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

资助信息：本研究遭到深圳市科技规划项目（JCYJ2022081810040801八、JSGGKQTD20221102101126001）、广东省基础与运用基础研究基金（2024A1515011902）等项目的撑持。

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