Новини - Основен принцип и приложение на системата TOF (Time of Flight).

Абонирайте се за нашите социални медии за бърза публикация

Тази поредица има за цел да предостави на читателите задълбочено и прогресивно разбиране на системата за време на полет (TOF). Съдържанието обхваща изчерпателен 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 и различни алгоритми. Статията също така изследва различните компоненти на TOF системите, като повърхностно излъчващи лазери с вертикална кухина (VCSEL), предавателни и приемащи лещи, приемащи сензори като CIS, APD, SPAD, SiPM и драйверни вериги като ASIC.

Въведение в TOF (Time of Flight)

Основни принципи

TOF, съкращение от 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 относително лесен. Процесът включва източник на светлина, излъчващ лъч светлина, като времето на излъчване се записва. След това тази светлина се отразява от целта, улавя се от приемник и се отбелязва времето на приемане. Разликата в тези времена, означена като t, определя разстоянието (d = скорост на светлината (c) × t / 2).

Видове ToF сензори

Има два основни типа 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 времето за пътуване се измерва и използва за изчисляване на разстоянието. За разлика от тях, електромагнитните ToF сензори използват електромагнитни вълни, като радар или лидар, за измерване на разстояние. Те работят на подобен принцип, но използват различна среда заизмерване на разстояние.

Приложения на ToF сензори

ToF сензорите са многофункционални 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 камери за дълбочина за картографиране на заобикалящата ги среда и планиране на движения.

Системи за сигурност:Често срещан в сензорите за движение за откриване на нарушители, задействане на аларми или активиране на системи за камери.

Автомобилна индустрия:Включени в системите за подпомагане на водача за адаптивен круиз контрол и избягване на сблъсък, стават все по-разпространени в новите модели превозни средства.

Медицинско поле: Използва се в неинвазивни изображения и диагностика, като оптична кохерентна томография (OCT), създаваща изображения на тъкани с висока разделителна способност.

Потребителска електроника: Интегриран в смартфони, таблети и лаптопи за функции като лицево разпознаване, биометрично удостоверяване и разпознаване на жестове.

Дронове:Използва се за навигация, избягване на сблъсък и за справяне с неприкосновеността на личния живот и авиацията

TOF системна архитектура

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

· Предавател (Tx):Това включва лазерен източник на светлина, главно aVCSEL, драйверна схема ASIC за задвижване на лазера и оптични компоненти за управление на лъча, като колимиращи лещи или дифракционни оптични елементи и филтри.
· Приемник (Rx):Състои се от лещи и филтри в приемащия край, сензори като CIS, SPAD или SiPM в зависимост от системата TOF и процесор за сигнали на изображения (ISP) за обработка на големи количества данни от чипа на приемника.
·Управление на мощността:Управляващ стабиленконтролът на тока за VCSEL и високото напрежение за SPAD е от решаващо значение, изисквайки стабилно управление на захранването.
· Софтуерен слой:Това включва фърмуер, SDK, OS 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 изтичане на времето в този процес разкрива информация за разстояние или дълбочина. Тази архитектура обаче не покрива пътищата на шума, като например шум, предизвикан от слънчева светлина, или многопътен шум от отражения, които се обсъждат по-късно в поредицата.

Класификация на TOF системите

TOF системите се категоризират основно според техните техники за измерване на разстояние: директен TOF (dTOF) и индиректен TOF (iTOF), всяка с различен хардуерен и алгоритмичен подход. Поредицата 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 откриване на връщането му за изчисляване на разстоянието - сложността се крие в разграничаването на връщащата се светлина от околната светлина. Това се решава чрез излъчване на достатъчно ярка светлина за постигане на високо съотношение сигнал/шум и избиране на подходящи дължини на вълните за минимизиране на светлинните смущения от околната среда. Друг подход е да се кодира излъчената светлина, за да се различи при връщане, подобно на SOS сигналите с фенерче.

Серията продължава да сравнява dTOF и iTOF, обсъждайки техните разлики, предимства и предизвикателства в детайли и допълнително категоризира TOF системите въз основа на сложността на информацията, която предоставят, варираща от 1D TOF до 3D TOF.

dTOF

Direct TOF директно измерва времето на полета на фотона. Неговият ключов компонент, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), е достатъчно чувствителен, за да открие единични фотони. dTOF използва Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) за измерване на времето на пристигане на фотони, конструиране на хистограма за извеждане на най-вероятното разстояние въз основа на най-високата честота на определена времева разлика.

iTOF

Индиректният TOF изчислява времето на полета въз основа на фазовата разлика между излъчените и получените форми на вълната, като обикновено използва непрекъснати вълнови или импулсно модулирани сигнали. iTOF може да използва стандартни архитектури на сензори за изображения, като измерва интензитета на светлината във времето.

iTOF се подразделя допълнително на непрекъсната вълнова модулация (CW-iTOF) и импулсна модулация (Pulsed-iTOF). CW-iTOF измерва фазовото отместване между излъчваните и получените синусоидални вълни, докато Pulsed-iTOF изчислява фазовото отместване, използвайки сигнали с квадратна вълна.

Допълнителна литература:

Уикипедия. (nd). Време на полет. Извлечено отhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (време на полет) | Обща технология на сензорите за изображения. Извлечено отhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021 г., 4 февруари). Въведение в Microsoft Time Of Flight (ToF) – Azure Depth Platform. Извлечено отhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023 г., 2 март). Сензори за време на полет (TOF): Задълбочен преглед и приложения. Извлечено 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 Wikipedia с цел насърчаване на образованието и споделянето на информация. Ние уважаваме правата на интелектуална собственост на всички творци. 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 правилно авторство, 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 на интелектуална собственост на другите.

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