2. ToF测距原理

ToF（Time of Flight，飞行时间）测距的本质只有一句话：测量光从发射端出发、经目标反射后回到接收端所经历的时间，再由光速换算成距离。围绕“如何测这个时间”，工程上分化出脉冲法、连续波调制相位差法等不同技术路线。理解这些路线的差异，是后续分析温漂、做距离标定的前提，因为不同原理对温度、时钟、相位的敏感点完全不同。

一、核心原理：从飞行时间到距离

设光速为 c，光往返一次的总飞行时间为 t_tof，则目标距离 d 满足：

d = c · t_tof / 2
c ≈ 299 792 458 m/s ≈ 0.3 m/ns

例：t_tof = 20 ns
d = 0.3 m/ns × 20 ns / 2 = 3 m

关键直觉是：光每纳秒只走约 30 cm，往返 1 m 距离仅需约 6.67 ns。要分辨 1 cm 的距离变化，时间分辨率需达到约 67 ps。这个量级决定了 ToF 必须依赖高精度时钟或高精度相位测量，也解释了为什么时钟抖动、温度引起的延时漂移会直接变成距离误差。

二、两条主流技术路线：脉冲法与连续波调制

脉冲法（Pulsed ToF）：发射极短的光脉冲，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，直接测 t_tof。优点是原理直观、可测较远距离、多目标分辨能力好；难点是要求高峰值功率激光和皮秒级计时电路，且回波幅度随距离平方衰减，弱信号下计时点会漂移。

连续波调制法（CW / iToF）：发射经正弦调制的连续光，通过测量发射信号与回波信号之间的相位差间接求飞行时间。它不直接测绝对时间，而是测相位，因此对计时电路要求降低，适合集成化、低成本的深度相机。缺点是存在相位周期模糊，需要多频解模糊。

相位差法的基本关系为：

φ = 2π · f_mod · t_tof
t_tof = φ / (2π · f_mod)
d = c · φ / (4π · f_mod)

其中 f_mod 为调制频率，φ 为发射与回波之间的相位差

由公式可见，调制频率越高，同样的距离产生的相位差越大，测距分辨率越高；但无模糊量程 d_max = c / (2·f_mod) 会变小。例如 f_mod = 20 MHz 时，无模糊量程约 7.5 m；f_mod = 100 MHz 时，量程仅约 1.5 m。工程上常用多频组合兼顾分辨率与量程。

三、距离解算公式与关键参数

无论哪条路线，最终都落到“时间—距离”换算上，但影响精度的参数不同。下表汇总了主要参数及其对测距的影响方向。

四、典型场景：为什么同一目标距离会随温度变化

以一台 20 MHz 调制的 iToF 模组为例，标称无模糊量程约 7.5 m。若环境温度从 25 ℃ 升到 60 ℃，内部时钟与模拟前端延时发生漂移，等效相位偏移 0.5°。代入公式：

Δd = c · Δφ / (4π · f_mod)
   = 0.3 m/ns × (0.5° × π/180) / (4π × 20 MHz)
   ≈ 0.3 × 0.00873 / (4π × 0.02)
   ≈ 0.0104 m ≈ 1.04 cm

仅 0.5° 的相位漂移就带来约 1 cm 的距离误差。若模组用于 3 m 内的精密测量，这个误差已不可忽略。这正是本课程要解决温漂与距离标定的直接原因：温度改变的是相位、延时和时钟，而它们都会按固定系数放大成距离误差。

五、常见误区与复盘

• 误区一：把相位差当成绝对时间。相位差是周期量，超过 2π 后无法区分，必须用多频或双频解模糊，否则远距离会“折叠”到近处。
• 误区二：认为提高调制频率一定更好。频率提高会压缩无模糊量程，若目标可能超出量程，反而引入跳变错误。
• 误区三：忽略回波幅度对计时点的影响。脉冲法中固定阈值触发会随回波强度变化而前后移动，形成“幅度—距离”耦合误差。
• 误区四：只标定零点不标定斜率。温漂往往同时改变偏置和增益，只补零点会在量程两端留下残差。

复盘时建议按“原理—参数—误差源—标定手段”四步走：先确认模组属于脉冲法还是连续波调制，再列出该路线的主导误差参数，随后用多温度点实测数据分离偏置项与斜率项，最后把补偿系数写入固件。只有把测距原理和误差传递路径对齐，后续的温漂建模与距离标定才有明确的物理依据。