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飞行时间传感器(ToF)如何工作?

Mark Hughes 2019-07-09

有三种领先的3D成像技术可以在手机和汽车中竞争空间。这些技术是立体成像、结构光投影和飞行时间(或ToF)相机。这些设备生成的数据可以提供行人检测、基于面部特征对用户进行身份验证、检测手部移动以及提供SLAM(即时定位与地图构建)算法。这个领域最大的两个参与者是AMS和英飞凌。本文中AMS携带每种类型的传感器之一,而英飞凌仅专注于飞行时间传感器。KUa电子头条

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本文介绍了飞行时间传感器背后的技术,重点介绍了PMDTechnologies的3D相机开发套件“PicoFlexx”(在询问之前,“Pico Flexx”和“PMDTechnologies”在其网站上均以小写形式显示)。pico flexx是围绕由英飞凌和pmd共同开发的3D图像传感器REAL3构建的。KUa电子头条

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2019年4月29日在pmdtec.com上拍摄的手的假彩色3D图像。颜色根据传感器到手的距离映射到各个像素(红色接近,蓝色远离)KUa电子头条

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请注意,pmd为本文提供了一个设备。KUa电子头条

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什么是飞行时间传感器?KUa电子头条

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飞行时间传感器测量物体在介质中移动一段距离所需的时间。通常,这是测量波脉冲发射、物体反射和返回ToF传感器之间所经过的时间。飞行时间相机是利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离,通过单独的测量点生成图像。ToF相机的应用包括基于激光的无扫描仪激光雷达成像系统、运动传感和跟踪、机器视觉和自动驾驶的目标检测、地形测绘等。但这些测量结果如何实现?下面介绍了三种使用传播时间来确定距离的方法。KUa电子头条

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使用传播时间来确定距离的方法KUa电子头条

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在图像的顶部可以看到第一种方法,即发送脉冲并测量时间间隔,直到它们在反射后返回。图像的中间显示第二种方法,其中您可以调制光源的振幅并记录反射波的相移。图像的底部代表第三种方法,传输50%占空比的方波,并记录在特定间隔内到达的返回光量。KUa电子头条

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毫米级精密ToF相机KUa电子头条

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光波和无线电波以接近3000000000毫米/秒的速度传播,如果一个波传播1毫米,则转换为约3.3秒(另一个波传播3.3秒)。这就是说,如果你想要一个能对你所在房间的所有物体进行图像处理的设备,并且你想要1毫米的分辨率,那么你的定时电子设备就需要皮秒的分辨率。也就是说,时钟速度达到了数百千兆赫。KUa电子头条

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设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济,如果设计者希望将这些设备带给消费者,那么设计人员必须想出一种在较低频率下工作的方法。在合理的sub-GHz频率下工作时,有两种常见的方法可以达到毫米级精度:将正弦调制波的相移与距离相关联;使用50%占空比方波和差分电压的相移来确定距离。下面的部分将更详细地介绍这两种方法。KUa电子头条

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通过幅度调制波的相移确定距离KUa电子头条

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假设你正在寻找一个最大长度为15 m的小办公室或大客厅。要确定该长度的适当工作频率,请使用c=λf。其中c是光速(c = 3× 10 8 m / s),λ是一个波长(λ= 15 m),ƒ是频率。在此示例中,ƒ= 20 MHz,这是一个相对容易使用的频率。当一束强光的输出被20兆赫的正弦信号调制时,一切就开始了。光波最终将到达物体或墙壁,它将反射和反转方向。原始调制光的调光版本将返回接收器。除非物体正好是15米远的整数倍,否则相位会发生一定的偏移。相移可以用来计算波的传播距离。KUa电子头条

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如果可以精确测量相位角,则可以准确地确定反射物体与传感器/接收器之间的距离。  KUa电子头条

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如何测量正弦波相位角KUa电子头条

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如何快速测量正弦曲线的相位角?这涉及在四个等间隔点(即90°或1 /4λ的间隔)处测量接收信号的振幅。KUa电子头条

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试图说明测量值和下面的相位角之间的关系。A 1  和A 3之间的差值与A 2  和A 4之差的比率等于相位角的正切。ArcTan实际上是两个自变量的反正切函数,它映射适当的象限,并分别定义A 2 = A4且A 1 > A 3或A 3 > A 1分别为0°或180°。 KUa电子头条

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该图像说明变量A1、A2、A3和A4之间的差异如何适应单位圆。  KUa电子头条

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在上图中,图的最左侧有两条垂直数字线,表示减去A1和A3(表示为深黄色)和A2和A4(表示为蓝色)的结果。测量值显示为中间正弦曲线图中的垂直线。请注意,此图形不考虑反射(这将有效地将所有物体移动180°)。KUa电子头条

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确定给定距离的工作频率KUa电子头条

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到目标的距离用以下公式确定:KUa电子头条

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其中c是光速,phi(φ)是相位角(以弧度表示),ƒ是调制频率。测量光子的实际飞行时间需要333 GHz的电子设备。该方法最多需要4倍的调制频率,在这种情况下,调制频率为4x20Hz=80Hz。这是资源的显着减少。但是你会很高兴知道一些工程师找到了进一步降低最大频率的方法。KUa电子头条

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通过测量带电电容器的差分电压确定相移KUa电子头条

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下一个测量情况涉及频闪光源和每个像素具有两个电容器的CMOS成像传感器。时钟源产生50%占空比方波,该方波控制一个明亮的频闪光源,以及与每个像素内部的电荷存储电容器连接。这种系统的一个例子如下图所示:KUa电子头条

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来自“光子混频器装置固态阵列激光雷达的快速校准方法”,它显示了具有两个电荷存储电容器的CMOS像素,交替连接以记录入射光。 KUa电子头条

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光离开光源,从物体反射,照射到像素上,在这里它将被记录为电容器C A或C B中的电荷,如上图所示。使用相同的时钟源、电容器以与照明源相同的频率交替地连接到像素。这种巧妙的布置意味着电容器中的差分电荷直接与相位偏移相关。相位由波长和到目标和返回的距离决定。KUa电子头条

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来自“光子混频器装置固态阵列激光雷达的快速校准方法”的图像KUa电子头条

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可以根据需要将物体照射多个周期以填充电容器。只要距离恒定,电荷比例就会保持不变。KUa电子头条

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飞行时间传感器KUa电子头条

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这种方法的效果如何?比你想象的要好。提供给AAC的传感器与附带的软件相结合,能够记录高达45 fps的数据。在较低的刷新率下,系统可以轻松地对衬衫上的皱纹进行成像。KUa电子头条

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上图描绘了来自pmd pico flexx相机捕获的每个像素的(x,y,z)顶点位置。KUa电子头条

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仅深度数据本身难以可视化。因此,深度图像通常与照片组合,或者使用伪色彩显示以允许更容易地可视化场景。KUa电子头条

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低分辨率图像的伪色深度叠加使得更容易解释场景。使用pmd的Royal Viewer软件和CamBoard pico flexx 3D开发套件捕获的goober作者的图像。KUa电子头条

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飞行时间传感器可用于包括在将智能物理与工程相结合时创建环境的3D地图在内的多种应用。 KUa电子头条