Studi Light Detection and Ranging (LiDAR) menggunakan Metode Indirect Time of Flight (i-ToF) dengan Dual-Modulation Frequencies Switching

Study of Light Detection And Ranging (LiDAR) using the Indirect Time of Flight (i-ToF) Method with Dual-Modulation Frequency Switching.

Mekanisme jangkauan yang akurat dan presisi merupakan teknologi inti dari sistem LiDAR. Penggunaan frekuensi modulasi ganda menunjukkan kinerja luar biasa untuk sistem LiDAR dalam hal memperoleh resolusi jarak yang lebih tinggi. Namun, dalam proses transmisi perlu diperhatikan mengenai kesalahan pengukuran. Penelitian ini mengevaluasi tingkat kehandalan dan analisis galat dari teknologi LiDAR metode indirect Time of Flight dengan frekuensi modulasi ganda, meliputi akurasi, presisi, repeatability dan reproducibility. Uji tingkat kehandalan sistem ini diuji secara eksperimental menggunakan metode pengukuran yang diobservasi selama 3 hari dengan variasi gain maximum, middle, without gain. Jarak objek divariasikan sejauh 5 meter; 25 meter; dan 45 meter dari laser, kemudian sinar laser ditransmisikan ke target dan diterima oleh APD. Pada penelitian variasi jarak referensi, menunjukkan bahwa dibandingkan ketika pengukuran dengan metode reproducibility, pengukuran dengan metode repeatability menunjukkan hasil pembacaan jarak terukur yang lebih akurat. Hal ini dapat diketahui melalui nilai galat yang relatif lebih kecil dibandingkan saat menggunakan metode reproducibility. Pada penelitian variasi gain APD menunjukkan ketika dibandingkan dengan without gain, hasilnya menunjukkan bahwa pengaturan penguatan maximum dan middle meningkatkan rasio signal-to-noise (SNR), akurasi, dan presisi. Analisis reproducibility menunjukkan bahwa kurva distribusi jarak terukur terdapat perbedaan yang signifikan di semua jarak, karena disebabkan oleh perbedaan jarak referensi. Sehingga hasil pengukuran menjadi kurang konsisten dan lebih tersebar. Sementara itu, analisis repeatability menunjukkan kurva distribusi yang berhimpitan, mengindikasikan hasil pengukuran yang konsisten ketika objek berada pada posisi yang sama selama tiga hari. Perhitungan matematis untuk analisis ini dilakukan menggunakan software Matlab, yang menghasilkan persamaan Gaussian yang digunakan untuk interpretasi hasil. Penelitian ini menyimpulkan bahwa teknologi LiDAR berbasis iToF dengan frekuensi modulasi ganda memiliki tingkat kehandalan yang baik dalam pengukuran jarak dengan potensi aplikasi yang luas dalam sistem penginderaan jarak jauh, seperti pemetaan lingkungan dan navigasi otonom.

Kata Kunci: LiDAR; pengukuran indirect time of flight (i-ToF); avalanche photodetector (APD)

The core technology of LiDAR systems lies in the accurate and precise range mechanism. The use of dual modulation frequency demonstrates exceptional performance in achieving higher distance resolution. However, it is crucial to consider measurement errors during the transmission process. This research evaluates the reliability and error analysis of LiDAR technology using the indirect Time of Flight method with dual modulation frequency, including accuracy, precision, repeatability, and reproducibility. The system's reliability was experimentally tested through measurements methods observed over 3 days with varying gain settings - maximum, middle, and no gain. Object distances were varied at 5 meters, 25 meters, and 45 meters from the laser, and then the laser beam was transmitted to the target and received by the APD. In research on reference distance variation, it was shown that compared to measurements using the reproducibility method, measurements using the repeatability method produced more accurate distance readings as evidenced by relatively smaller error values. Furthermore, setting the gain to maximum and middle enhances the signal-to-noise ratio (SNR), accuracy, and precision when compared to without gain. Reproducibility analysis uncovers significant differences in the measured distance distribution curve at all distances due to variations in reference distance, resulting in less consistent and more dispersed measurement outcomes. Meanwhile, repeatability analysis demonstrates closely clustered distribution curves, indicating consistent measurement results when the object remains in the same position for three days. The mathematical calculations for this analysis were performed using Matlab software, which resulted in Gaussian equations used for result interpretation. In conclusion, this research firmly establishes that LiDAR technology based on iToF with dual modulation frequency exhibits excellent reliability in distance measurement and holds vast potential for wide applications in long-range sensing systems, such as environmental mapping and autonomous navigation.

Keywords: LiDAR; indirect time of flight measurements (i-ToF); avalanche photodetector (APD)