Новини - Основен принцип и приложение на системата TOF (време на полета)

Абонирайте се за нашите социални медии за бързи публикации

Тази поредица има за цел да предостави на читателите задълбочено и прогресивно разбиране на системата за време на полета (TOF). Съдържанието обхваща цялостен преглед на TOF системите, включително подробни обяснения както на индиректния TOF (iTOF), така и на директния TOF (dTOF). Тези раздели разглеждат системните параметри, техните предимства и недостатъци, както и различни алгоритми. Статията разглежда и различните компоненти на TOF системите, като например вертикално-резонаторни повърхностно излъчващи лазери (VCSEL), предавателни и приемащи лещи, приемащи сензори като CIS, APD, SPAD, SiPM и драйверни схеми като ASIC.

Въведение във времето на полета (TOF)

Основни принципи

TOF, съкращение от Време на Полет (Time of Flight), е метод, използван за измерване на разстояние чрез изчисляване на времето, необходимо на светлината да измине определено разстояние в среда. Този принцип се прилага предимно в оптични TOF сценарии и е сравнително лесен. Процесът включва светлинен източник, излъчващ светлинен лъч, като времето на излъчване се записва. След това светлината се отразява от целта, улавя се от приемник и се отбелязва времето на приемане. Разликата в тези времена, обозначена като t, определя разстоянието (d = скорост на светлината (c) × t / 2).

Видове ToF сензори

Съществуват два основни вида ToF сензори: оптични и електромагнитни. Оптичните ToF сензори, които са по-често срещани, използват светлинни импулси, обикновено в инфрачервения диапазон, за измерване на разстояние. Тези импулси се излъчват от сензора, отразяват се от обект и се връщат към сензора, където се измерва времето за пътуване и се използва за изчисляване на разстоянието. За разлика от тях, електромагнитните ToF сензори използват електромагнитни вълни, като радар или лидар, за измерване на разстоянието. Те работят на подобен принцип, но използват различна среда за...измерване на разстояние.

Приложения на ToF сензори

ToF сензорите са универсални и са интегрирани в различни области:

Роботика:Използва се за откриване на препятствия и навигация. Например, роботи като Roomba и Atlas на Boston Dynamics използват ToF дълбочинни камери за картографиране на обкръжението си и планиране на движенията.

Системи за сигурност:Често срещани в сензорите за движение за откриване на натрапници, задействане на аларми или активиране на системи от камери.

Автомобилна индустрия:Вградени в системи за подпомагане на водача за адаптивен круиз контрол и избягване на сблъсъци, те стават все по-разпространени в новите модели превозни средства.

Медицинска областИзползва се в неинвазивна образна диагностика и методи за изследване, като например оптична кохерентна томография (OCT), за получаване на тъканни изображения с висока резолюция.

Потребителска електроникаИнтегриран в смартфони, таблети и лаптопи за функции като разпознаване на лица, биометрично удостоверяване и разпознаване на жестове.

Дронове:Използва се за навигация, избягване на сблъсъци и за справяне с проблеми, свързани с поверителността и авиацията.

Архитектура на TOF системата

Типичната TOF система се състои от няколко ключови компонента за постигане на измерването на разстоянието, както е описано:

· Предавател (Tx):Това включва лазерен източник на светлина, главноVCSEL, ASIC схема за управление на лазера и оптични компоненти за управление на лъча, като колимиращи лещи или дифракционни оптични елементи, и филтри.
· Приемник (Rx):Това се състои от лещи и филтри на приемащия край, сензори като CIS, SPAD или SiPM в зависимост от TOF системата и процесор за обработка на образен сигнал (ISP) за обработка на големи количества данни от приемния чип.
·Управление на захранването:Управление на стабилноКонтролът на тока за VCSEL и високото напрежение за SPAD е от решаващо значение, което изисква надеждно управление на захранването.
· Софтуерен слой:Това включва фърмуер, SDK, операционна система и приложен слой.

Архитектурата демонстрира как лазерен лъч, произхождащ от VCSEL и модифициран от оптични компоненти, пътува през пространството, отразява се от обект и се връща към приемника. Изчислението на времевия интервал в този процес разкрива информация за разстоянието или дълбочината. Тази архитектура обаче не обхваща шумовите пътища, като например шум, индуциран от слънчева светлина, или многопътен шум от отражения, които са разгледани по-късно в поредицата.

Класификация на TOF системите

TOF системите се категоризират основно по техниките им за измерване на разстояние: директен TOF (dTOF) и индиректен TOF (iTOF), всяка с различен хардуерен и алгоритмичен подход. Серията първоначално очертава техните принципи, преди да се задълбочи в сравнителен анализ на техните предимства, предизвикателства и системни параметри.

Въпреки привидно простия принцип на TOF – излъчване на светлинен импулс и засичане на връщането му, за да се изчисли разстоянието – сложността се състои в разграничаването на върналата се светлина от околната светлина. Това се решава чрез излъчване на достатъчно ярка светлина, за да се постигне високо съотношение сигнал/шум, и избор на подходящи дължини на вълните, за да се минимизират смущенията от околната светлина. Друг подход е да се кодира излъчената светлина, за да се направи различима при връщане, подобно на SOS сигналите с фенерче.

Серията продължава със сравнение на dTOF и iTOF, обсъждайки подробно техните разлики, предимства и предизвикателства, и допълнително категоризира TOF системите въз основа на сложността на информацията, която предоставят, варирайки от 1D TOF до 3D TOF.

dTOF

Директният TOF измерва директно времето на полет на фотона. Неговият ключов компонент, лавиновият диод за единични фотони (SPAD), е достатъчно чувствителен, за да открива единични фотони. dTOF използва времево корелирано броене на единични фотони (TCSPC), за да измери времето на пристигане на фотоните, като изгражда хистограма, за да определи най-вероятното разстояние въз основа на най-високата честота на определена времева разлика.

iTOF

Косвеният TOF изчислява времето на полет въз основа на фазовата разлика между излъчените и приетите вълнови форми, обикновено използвайки сигнали с непрекъсната вълна или импулсна модулация. iTOF може да използва стандартни архитектури на сензори за изображения, измервайки интензитета на светлината във времето.

iTOF се подразделя допълнително на модулация с непрекъсната вълна (CW-iTOF) и импулсна модулация (Pulsed-iTOF). CW-iTOF измерва фазовото изместване между излъчените и приетите синусоидални вълни, докато Pulsed-iTOF изчислява фазовото изместване, използвайки сигнали с правоъгълна вълна.

Допълнително четиво:

Уикипедия. (тт). Време на полет. Взето отhttps://en.wikipedia.org/wiki/Време_на_полет
Sony Semiconductor Solutions Group. (тт). ToF (Време на полет) | Обща технология на сензорите за изображения. Извлечено отhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 февруари 2021 г.). Въведение в Microsoft Time Of Flight (ToF) - платформа за дълбочина на Azure. Извлечено отhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 март 2023 г.). Сензори за време на полет (TOF): Подробен преглед и приложения. Взето отhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

От уеб страницатаhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

от автора: Чао Гуанг

Отказ от отговорност:

С настоящото декларираме, че някои от изображенията, показани на нашия уебсайт, са събрани от интернет и Уикипедия, с цел насърчаване на образованието и споделянето на информация. Ние уважаваме правата върху интелектуална собственост на всички създатели. Използването на тези изображения не е предназначено за търговска печалба.

Ако смятате, че някое от използваното съдържание нарушава вашите авторски права, моля, свържете се с нас. Ние сме повече от готови да предприемем подходящи мерки, включително премахване на изображения или предоставяне на подходящо посочване на авторството, за да гарантираме спазването на законите и разпоредбите за интелектуална собственост. Нашата цел е да поддържаме платформа, която е богата на съдържание, справедлива и зачита правата върху интелектуална собственост на другите.

Моля, свържете се с нас на следния имейл адрес:sales@lumispot.cnАнгажираме се да предприемем незабавни действия при получаване на всяко уведомление и гарантираме 100% съдействие при разрешаването на подобни проблеми.