间接飞行时间 （iToF） 原理介绍

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iTOF是什么？

基于连续波的技术原理是什么？

脉冲技术原理是什么？

两种技术的比较

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iTOF是什么？

在科学和技术术语中，iToF 是 indirect Time-of-Flight 的缩写。iToF 的工作原理是相机本身向目标物体发射调制的红外光信号，传感器接收目标物体返回的光信号，通过测量相移来计算测量光的飞行时间来实现距离测量。目前的 iToF 有两种主要的技术方法，基于 Continuous Wave 方法和 Pulse 方法。接下来让我们学习两者的技术原理。

基于连续波的技术原理是什么？

连续波间接飞行时间 （CW-iToF） 的基本原理是通过将光调制成一定频率 f 的方波来测量一个周期的发射和接收之间的相移，从而通过计算相移来测量距离。假设光速为 C，一个周期的相移为 φ（0 ≤ φ ≤ 2π），则从发射端到物体的距离方程可以得到为：

如何计算相移 （φ）？
以单频正弦函数为例，发射波和接收波的关系如下所示：

假设发射波形的公式为：

接收到的波形方程为：

φ表示从发射时间到接收时间的相移，光的传播时间可以很容易地从φ计算出来。由于难以直接测量光速，相机将激光发射器调制成四个不同时间偏移的相位能量图，分别为 0°、90°、180°、270°，四个不同相位接收窗口捕获的能量如下所示：

积分能量值为：

将 φ 代入方程 d 中，可以得出距离，从这个距离 （0 ≤ φ ≤ 2π），可以看出可以获得的测量范围是 [0 ~ d最大 = 2π]，当 φ=2π 取理论最大值时，最大值为：

CW-iToF
的问题由于光被调制到特定频率，因此可以根据使用的调制频率来确定最大范围。当光来回传播的周期大于调制光的周期时，距离计算将是错误的，因为无法区分从远处返回的信号和从近处返回的信号具有相同的相移，但周期不同。这将产生一种称为 “Range Aliasing” 的现象。以 120MHZ 为例，常用频率和理论最大值：

常见频率和理论最大值：

频率	100兆赫兹	80兆赫兹	60兆赫兹	20兆赫兹	15兆赫兹	10兆赫
最大检测范围	1.5 米	1.875 米	2.5 米	7.5 米	10 分钟	15 分钟

为避免这种现象，ToF 相机采用双频测量，即以两个不同的频率测量同一个物体，并从两个测量值中确定真实距离。

脉冲技术原理是什么？

脉冲间接飞行时间 （P-iToF） 的基本原理是发射重复的脉冲信号并分析脉冲信号的相位以获得深度。假设光速为 C，飞行时间为 td，则距离公式为：

如何计算飞行时间 （td)？
P-iToF 通过双采样技术提高精度。相机需要将激光发射端调制成 0°、180° 不同时移的 2 相能量图，此外，在没有光脉冲时打开，只收集背景光信号。如下图所示：

根据相应的比率，可以计算出 td:

带来 td到方程 d 中，可以得到距离：

包含背景光信号的距离计算公式如下：

两种技术的比较

	CW-iToF 系列	P-iToF
功耗		低
耐光		强
帧速率		高
准确度和精密度	高
抖动	小