工业级激光测距：飞行时间法TOF与相位法的原理及多频调制技术
工业级激光测距：飞行时间法TOF与相位法的原理及多频调制技术
激光测距技术在工业自动化、机器人、安防等领域有着广泛的应用。其中，相位法飞行时间（Phase-based Time-of-Flight, ToF）是一种通过测量调制光信号的相位差来计算距离的高精度方法。本文将详细介绍这种技术的核心原理、实现方式以及多频率调制的必要性。
核心原理：用“波的延迟”测距离
想象你向一堵墙拍手，通过回声的延迟时间可以估算距离。相位法类似这种思路，但用的是光波而非声波，且不直接测时间，而是通过光的“波形延迟”来间接计算距离。
关键步骤
发射调制光波：
激光器发射一束强度按正弦波规律变化的光（例如每秒波动1000万次，即频率10MHz）。
类似手电筒快速明暗交替，但速度快到肉眼无法察觉。接收反射信号：
光打到目标后反射回来，被接收器捕捉到。由于光需要时间往返，反射波的波形会比发射波滞后（相位差）。测量相位差：
比较发射波和反射波的波形，计算两者的相位差（例如相差半圈，即180°）。这个差值直接对应光的飞行时间，从而算出距离。光电探测器：接收反射光，将其转换为电信号（与发射信号同频率但相位滞后）。
混频器（Mixer）：将发射信号与接收信号混合，生成包含相位差信息的低频信号（差频信号）。
相位检测电路：通过低通滤波和相位比较器（如锁相环PLL）精确提取相位差。
为什么相位差能换算成距离？
相位法的核心公式为：
为什么需要多频率调制？
单频调制的局限性
单频调制的局限性源于相位差的周期性特性。当目标距离超过某一阈值时，相位差会“循环”（即出现多值性），导致无法唯一确定实际距离。
基本公式回顾
相位法的核心公式为：相位差的周期性
相位差的取值范围：
（即 0∼360度）
当相位差超过 2π 时，实际测量的相位差会被“截断”到 0∼2π 范围内。为什么最大无歧义距离是半波长？
解决方法：多频率组合
低频扩展量程：
加入一个低频信号（例如1MHz，波长300米），此时最大无歧义距离为150米。虽然精度较低，但能确定距离的大致范围。高频提升精度：
高频信号（如10MHz）提供厘米级精度，但只能覆盖短距离。通过结合高低频数据，既能确定大致范围（低频），又能精确到厘米（高频）。双频调制的实现
通过多个频率的相位差组合，解算唯一距离。
刻度尺嵌套的比喻
想象你有一把主尺（刻度10cm）和一把副尺（刻度9cm）。当两把尺子对齐时，重复的刻度间隔会形成一个更长的“等效刻度”，从而扩展测量范围：
- 主尺：每10cm一个标记（0, 10, 20, 30, ...）。
- 副尺：每9cm一个标记（0, 9, 18, 27, ...）
- 等效刻度：主副尺标记首次重合在 90cm（最小公倍数），等效刻度间隔为90cm。
意义：通过两把尺子的组合，原本只能测10cm或9cm的尺子，现在可以唯一确定0~90cm内的任意距离。
多频调制的具体实现
不同频率的光调制信号相当于不同刻度的尺子。通过组合它们的相位差信息，等效生成一个“长刻度尺”，消除单频的周期性模糊。
假设两人各拿一个同步闪烁的手电筒（同频率），A站在山顶，B站在山脚：
- A打开手电筒，B看到光后立即打开自己的手电筒。
- A看到B的光时，发现B的光比自己的延迟了“半次闪烁”（相位差）。
- 已知闪烁频率和光速，A就能算出山的距离。
相位法正是通过这种“闪烁延迟”来测距，只不过用的是高频不可见激光，并由电子电路自动计算相位差。
不同频率的光调制信号实现测距，每一个测尺的回波信号分别再对应内光路和外光路两段信号，通过计算外光路和内光路信号之间的相位差，即可获得该段测尺测量的距离值。
任意两个直接测尺频率的差值可以作为新的间接测尺频率，其测尺长度由间接测尺频率决定，相位差由原来两个直接测尺的相位差的差值计算得到。
例如由200MHz和160MHz的两个测尺频率，可以得到 40MHz的间接测尺信号，间接测尺长度为3.75m；由152MHz和153MHz的两个测尺频率信号，可以得到 1MHz的间接测尺信号，间接测尺长度为150m
本算法共使用了10组测尺，测尺长度由大到小依次150m、21.42m、18.75m、3.75m、3.19m、
3.12m、0.98m、0.98m、0.93m、0.75m。由前述公式可知，对于特定测尺，只能得到不足2π
部分相位差对应的距离，即每个测尺最大测量距离不超过其测尺长度。
为了保证测距的精度，需要小的测尺，而为了保证测量的距离，需要大的测尺。因此，必须
使用多测尺衔接算法，才能同时获得高精度和远距离的测量。