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ToF传感器是如何工作?ToF 3D相机一瞥

时间:2023-09-20 18:13:24浏览次数:38  
标签:一瞥 测量 距离 相移 传感器 ToF 相位角 3D

本文内容主要编译于网络,详细内容参考文末链接。

 

微信公众号: 云梯飞鸢   在手机和汽车领域,有三种领先的3D成像技术,分别是立体成像、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,根据面部特征对用户进行身份验证,检测手部运动,并馈送SLAM(同时定位和映射)算法。   该领域最大的两家企业是ams 和Infineon。      什么是飞行时间传感器?   ToF传感器测量信号在介质中传播一段距离所需的时间。通常,是将波脉冲调制后发射、物体反射和返回ToF传感器之间经过的时间的测量。飞行时间相机是一种利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离的设备,从而创建由单独测量的点生成的图像。   ToF相机的应用包括基于激光的无扫描仪LiDAR成像系统、运动传感和跟踪、机器视觉和自动驾驶的物体检测、地形测绘等。   但是这些测量是如何实现的呢?   下面,将介绍三种使用旅行时间来确定距离的方法。      使用行驶时间确定距离的方法   在图像的顶部,您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。   图像中间显示了第二种方法,其中您可以调制光源的振幅并记录反射波的相移。   图像底部代表第三种方法,发射50%占空比的方波并记录在特定间隔内到达的返回光量。   毫米级精密ToF相机   光和无线电波以近300,000,000,000毫米/秒的速度传播,这意味着一个波传播3毫米需要~3.3 ps(另外3.1 ps返回)。如果你想要一个设备,来成像你所在房间内所有物体,并且你想得到~1毫米的分辨率,你的电子设备将需要皮秒分辨率,意味着CPU时钟需要百 GHz。   设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济,因此如果设计人员希望将设备带到消费者空间,他们必须想出一种在较低频率下工作的方法。   有两种常用方法可以在使用合理的sub-GHz频率时实现毫米级精度:   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       在下面的部分中,我们将更详细地介绍这两种方法。   通过调幅波的相移确定距离   假设您要绘制一个最大长度为 15 m 的小型办公室或大客厅。要确定该长度的适当工作频率,请使用c=λ⋅f,其中c是光速,λ是一个波长(λ=15 m),ƒ是频率。在本例中,ƒ=20 MHz,这是一个相对容易使用的频率。   使用20 MHz的正弦信号调制光信号输出。光波最终到达物体或墙壁,它会反射并反转方向。原始调制光将返回到接收器。除非物体正好是 15 米外的整数倍,否则相位将偏移一定量。   相移可用于计算波的行进距离。        如果可以精确测量相位角,则可以准确确定反射物体与传感器/接收器的距离。   如何测量正弦波的相位角   那么,如何快速测量正弦波的相位角呢?这涉及在四个等距点(即90°或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度。      我试图在下面说明测量值和相位角之间的关系。A1和A3之间的差与A2和A4之间的差的比率等于相位角的正切。ArcTan实际上是一个双参数反正切函数,它映射适当的象限,并定义何时A2=A4和A1>A3或A3>A1分别为0°或180°。          在上图中,曲线图的最左边有两条垂直数字线,表示为减去A1和A3(表示为深黄色)以及A2和A4(表示为蓝色)的结果。测量值为在中间正弦曲线图中的垂直线。       确定给定距离的工作频率   回到我们的示例,到目标的距离由以下公式确定:      其中c是光速,phi(φ)是相位角(以弧度为单位),ƒ是调制频率。   测量光子的实际飞行时间需要一个333GHz的电子设备。这种方法需要最大4倍的调制频率,在这种情况下为4x20 MHz=80 MHz,资源显著减少。但你会很高兴知道,一些聪明的工程师找到了一种方法,可以进一步降低最大频率。   通过带电电容器的差分电压测量确定相移   下一个测量情况涉及频闪光源和每个像素带两个电容器的CMOS成像传感器。   时钟源产生占空比为50%的方波,该方波控制频闪光源,以及与每个像素内的电荷存储电容器的连接。   下图显示了此类系统:            光离开光源,从物体反射,并撞击像素,在电容C中记录为电荷一个或 CA和CB,如上所示。电容器以与光源以相同的频率交替连接到像素,使用相同的时钟源。   这种巧妙的布置意味着电容器中的差分电荷与相位偏移直接相关。相位由波长和到目标和返回的距离决定。      可以根据需要照射主体以填充电容器。只要距离恒定,电荷比例将保持不变。   飞行时间传感器如何运行   这种方法的效果如何?比你想象的要好。   提供给 AAC 的传感器与随附的软件相结合,能够记录高达 45 fps 的速度。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。            只有深度数据是很难可视化。因此,深度图像通常与照片相结合,或使用假色显示,以便更轻松地可视化场景。      飞行时间传感器可以用于一系列应用,包括在将巧妙的物理学与工程相结合时创建环境的3D地图。   原文参考:   https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-do-time-of-flight-sensors-work-pmdtechnologies-tof-3D-camera/

标签:一瞥,测量,距离,相移,传感器,ToF,相位角,3D
From: https://www.cnblogs.com/someone-device/p/17717995.html

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