科研聚焦|南科大深港微电子学院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

2025-06-20 科研聚焦 浏览量：32

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全新方法，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，为高精度3D测量技术的进一步发展提供了重要的理论和工程指导。

研究背景与挑战

i-TOF LiDAR技术作为一种高效、低成本的3D测量解决方案，近年来在智能终端、AR/VR设备、自动驾驶以及服务机器人等领域得到了广泛应用。然而，现有i-TOF系统的测距精度受系统误差和随机误差的干扰，仅能达到数十毫米的水平，难以满足高精度场景的需求，如面部识别支付、高端制造和智能医疗等领域。

研究表明，系统误差中最具挑战性的是一种被称为“wiggling”的高维复杂误差。这种误差源于激光发射信号偏离理想正弦波形，从而引入高次谐波，导致测距误差呈周期性波动。此外，wiggling与其他系统误差和随机误差存在非线性耦合，难以独立分离和补偿，成为i-TOF测距精度提升的主要瓶颈。

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方法，通过设计灵活的梯形光信号波形，有效消除了复杂的wiggling误差，并实现了系统误差的全面优化。

与传统方法直接将光信号调制为正弦波不同，该方法采用优化光信号的占空比（Duty Ratio, DR）和上升/下降沿比例（Rising/Falling Edge Ratio, RFER）来间接消除wiggling误差，进而使反相信号的差分结果接近理想正弦波形。这种方法不仅避免了复杂且高成本的正弦波调制电路，还显著降低了工程实现难度。

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。

研究表明，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误差降低至±0.58 mm。

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，并基于自研i-TOF LiDAR模块进行了实验验证。在实验中，研究人员对不同的光信号波形参数进行测量和分析，结果显示优化后的梯形光信号波形能够显著减少系统误差，测距点云的精度得到了大幅提升。特别是在距离精度的提升上，该方法显著优于现有的正弦波直接调制技术和占空比优化技术。

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、提高系统抗干扰能力以及适应温度变化等方面表现出显著优势，有望为未来的小型化、低功耗、高精度LiDAR模块的研发提供技术支持。

未来展望

该研究在i-TOF LiDAR精度提升领域取得了重要突破，为高精度3D测量在智能制造、医疗影像、AR/VR等前沿领域的普及应用提供了坚实的技术保障。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，以推动i-TOF技术迈向更高精度、低成本和广泛应用的新时代。

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：本研究受到深圳市科技计划项目（JCYJ20220818100408018、JSGGKQTD20221102101126001）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011902）等项目的支持。

南方科技大学深港微电子学院将继续致力于高端光电技术的探索与创新，为国际领先的智能化技术发展贡献力量。