2. ToF测距基础

ToF（Time of Flight，飞行时间）测距的核心思想非常朴素：光在介质中以有限速度传播，只要测出光从发射端出发、经目标反射后返回接收端所经历的时间，就能用“距离 = 速度 × 时间 ÷ 2”换算出目标距离。真正困难的地方不在公式，而在于如何精确测量这段极短的时间。光速约为 3×10⁸ m/s，1 米距离对应的往返时间仅约 6.67 ns；若要求 1 cm 精度，时间测量精度需达到约 67 ps。因此，ToF 传感器的工程实现，本质上是一套围绕“如何把微小时间差转换为可测量电信号”的系统设计。

一、核心原理：直接测量与间接测量

按测量方式，ToF 可分为两大类。第一类是脉冲调制（Pulse Modulation），也称 dToF（direct ToF）：发射一个短光脉冲，用高精度时间数字转换器（TDC）记录发射时刻与回波到达时刻，直接得到飞行时间。第二类是连续波调制（Continuous Wave Modulation），也称 iToF（indirect ToF）：发射强度被正弦调制的连续光，通过测量回波信号相对于发射信号的相位偏移，间接推算飞行时间。两者在测距范围、精度、抗环境光能力和成本上各有取舍。

二、连续波调制与相位解调

连续波调制 ToF 通常使用方波或正弦波驱动 VCSEL 或 LED，调制频率记为 f_m。发射信号可写为 s(t) = A·cos(2πf_mt)，回波信号为 r(t) = B·cos(2πf_mt − φ)，其中 φ 就是由飞行时间引起的相位延迟。由于 φ = 2πf_m·t，可得 t = φ / (2πf_m)，代入距离公式后得到：

d = c · φ / (4π · f_m)

其中：
  c   = 299792458 m/s（光速）
  φ   = 回波相对发射的相位偏移（弧度）
  f_m = 调制频率（Hz）

相位解调的关键是“四相位采样法”。传感器在四个等间隔相位点（0°、90°、180°、270°）分别采集电荷量 C₀、C₁、C₂、C₃，然后计算：

I = C₀ − C₂
Q = C₁ − C₃
φ = atan2(Q, I)
幅度 A = sqrt(I² + Q²) / 2

其中 I 为同相分量，Q 为正交分量，φ 即所求相位。幅度 A 可用于判断回波强度与置信度。由于相位具有 2π 周期性，当距离超过“无模糊距离”时会出现相位卷绕，因此实际系统常采用多频调制或双频解模糊来扩展量程。

三、脉冲调制与时间测量

脉冲调制 ToF 发射纳秒级甚至皮秒级短脉冲，接收端使用 SPAD（单光子雪崩二极管）探测单光子事件，并由 TDC 记录时间戳。多次脉冲累积后形成直方图，峰值位置对应飞行时间。其优势是峰值功率高、抗环境光强、量程远；挑战在于需要高精度 TDC、高重复频率激光器以及直方图统计处理。脉冲调制天然支持多回波检测，可同时分辨玻璃前后表面或遮挡边缘，这是 iToF 难以做到的。

四、两种调制方式的对比与选型

理解两种调制方式的差异，是后续多区传感与串扰抑制设计的基础。下表从原理、精度、量程、抗干扰和典型应用五个维度进行对比。

对比维度	连续波调制 iToF	脉冲调制 dToF
测量对象	相位偏移 φ	飞行时间 t
核心器件	调制光源 + 解调像素	脉冲激光 + SPAD + TDC
典型精度	厘米级，近距离更优	厘米级，远距离更稳
量程	受无模糊距离限制，需多频解模糊	可达数十米，取决于脉冲能量
抗环境光	较弱，易受背景光影响	较强，时间门控可滤除背景
多回波能力	弱，通常输出单一深度	强，可分辨多个回波峰
典型应用	手机前置人脸、近距离手势	手机后置对焦、LiDAR、机器人导航

五、案例场景：从相位到深度图的完整链路

以一台四相位 iToF 传感器为例，其单帧处理链路如下：

1. 驱动 VCSEL 以 f_m = 20 MHz 发射调制光；
2. 像素在 0°、90°、180°、270° 四个相位窗口分别积分，得到 C₀～C₃；
3. 计算 I、Q，得到相位 φ 与幅度 A；
4. 由 d = c·φ/(4πf_m) 得到原始深度；
5. 结合幅度阈值与置信度，剔除低质量像素；
6. 多频测量解相位卷绕，输出最终深度图。

若 f_m = 20 MHz，无模糊距离为 c/(2f_m) ≈ 7.5 m。当目标距离超过 7.5 m 时，相位会卷绕，深度出现跳变。此时若叠加第二频率 f_m2 = 18 MHz，利用两频相位差可扩展量程至约 75 m，但精度会有所下降。

六、常见误区与复盘

• 误区一：认为 ToF 直接输出距离。实际上传感器输出的是相位或时间戳，距离是经过标定和计算得到的，标定误差会直接传递到深度。
• 误区二：忽略相位卷绕。单频 iToF 在超过无模糊距离后会出现深度跳变，必须通过多频或先验约束解模糊。
• 误区三：把幅度当作距离。幅度反映回波强度，受目标反射率、距离和角度共同影响，不能单独用于测距。
• 误区四：忽视多径与串扰。在 multi-zone 系统中，相邻区域的发射光可能被非目标区域接收，形成串扰，导致相位偏移和深度偏差，这正是后续章节要重点解决的问题。