Jaunumi - TOF (Time of Flight) sistēmas pamatprincips un pielietojums

Abonējiet mūsu sociālo mediju, lai saņemtu tūlītēju ziņu

Šīs sērijas mērķis ir sniegt lasītājiem padziļinātu un progresīvu izpratni par lidojuma laika (TOF) sistēmu. Saturs aptver visaptverošu TOF sistēmu pārskatu, tostarp detalizētus skaidrojumus gan par netiešo TOF (iTOF), gan tiešo TOF (dTOF). Šajās sadaļās tiek aplūkoti sistēmas parametri, to priekšrocības un trūkumi, kā arī dažādi algoritmi. Rakstā ir arī apskatīti dažādi TOF sistēmu komponenti, piemēram, vertikālās dobuma virsmas izstarojošie lāzeri (VCSEL), pārraides un uztveršanas lēcas, uztveršanas sensori, piemēram, CIS, APD, SPAD, SiPM, un draiveru shēmas, piemēram, ASIC.

Ievads TOF (lidojuma laiks)

Pamatprincipi

TOF, kas apzīmē lidojuma laiku, ir metode, ko izmanto attāluma mērīšanai, aprēķinot laiku, kas nepieciešams, lai gaisma vidē nobrauktu noteiktu attālumu. Šis princips galvenokārt tiek izmantots optiskajos TOF scenārijos un ir salīdzinoši vienkāršs. Process ietver gaismas avotu, kas izstaro gaismas staru, un tiek reģistrēts emisijas laiks. Pēc tam šī gaisma atstarojas no mērķa, to uztver uztvērējs un tiek atzīmēts uztveršanas laiks. Šo laiku starpība, kas apzīmēta kā t, nosaka attālumu (d = gaismas ātrums (c) × t / 2).

ToF sensoru veidi

Ir divi galvenie ToF sensoru veidi: optiskie un elektromagnētiskie. Optiskie ToF sensori, kas ir biežāk sastopami, attāluma mērīšanai izmanto gaismas impulsus, parasti infrasarkanajā diapazonā. Šos impulsus izstaro sensors, tie atspoguļo objektu un atgriežas sensorā, kur tiek mērīts ceļojuma laiks un izmantots attāluma aprēķināšanai. Turpretim elektromagnētiskie ToF sensori attāluma mērīšanai izmanto elektromagnētiskos viļņus, piemēram, radaru vai lidaru. Tie darbojas pēc līdzīga principa, bet izmanto citu datu nesējuattāluma mērīšana.

ToF sensoru pielietojumi

ToF sensori ir daudzpusīgi un ir integrēti dažādās jomās:

Robotika:Izmanto šķēršļu noteikšanai un navigācijai. Piemēram, tādi roboti kā Roomba un Boston Dynamics Atlas izmanto ToF dziļuma kameras, lai kartētu apkārtni un plānotu kustības.

Drošības sistēmas:Izplatīts kustību sensoros, lai atklātu iebrucējus, iedarbinātu trauksmes signālus vai aktivizētu kameru sistēmas.

Automobiļu rūpniecība:Iekļauts vadītāja palīgsistēmās adaptīvajai kruīza kontrolei un sadursmju novēršanai, kļūstot arvien izplatītāka jauno transportlīdzekļu modeļos.

Medicīnas lauks: izmanto neinvazīvā attēlveidošanā un diagnostikā, piemēram, optiskās koherences tomogrāfijā (OCT), veidojot augstas izšķirtspējas audu attēlus.

Sadzīves elektronika: integrēts viedtālruņos, planšetdatoros un klēpjdatoros, lai nodrošinātu tādas funkcijas kā sejas atpazīšana, biometriskā autentifikācija un žestu atpazīšana.

Droni:Izmanto navigācijai, sadursmju novēršanai, kā arī privātuma un aviācijas problēmu risināšanai

TOF sistēmas arhitektūra

Tipiska TOF sistēma sastāv no vairākiem galvenajiem komponentiem, lai sasniegtu aprakstīto attāluma mērīšanu:

· Raidītājs (Tx):Tas ietver lāzera gaismas avotu, galvenokārt aVCSEL, draivera shēma ASIC lāzera vadīšanai un optiskie komponenti staru kūļa kontrolei, piemēram, kolimējošās lēcas vai difrakcijas optiskie elementi un filtri.
· Uztvērējs (Rx):Tas sastāv no objektīviem un filtriem uztveršanas galā, sensoriem, piemēram, CIS, SPAD vai SiPM atkarībā no TOF sistēmas, un attēla signāla procesora (ISP), lai apstrādātu lielu datu apjomu no uztvērēja mikroshēmas.
·Enerģijas pārvaldība:Pārvalda stabiluStrāvas kontrole VCSEL un augsts spriegums SPAD ir ļoti svarīga, tāpēc ir nepieciešama spēcīga jaudas pārvaldība.
· Programmatūras slānis:Tas ietver programmaparatūru, SDK, OS un lietojumprogrammu slāni.

Arhitektūra parāda, kā lāzera stars, kas nāk no VCSEL un ir modificēts ar optiskiem komponentiem, pārvietojas pa telpu, atstaro objektu un atgriežas uztvērējā. Laika intervāla aprēķins šajā procesā atklāj informāciju par attālumu vai dziļumu. Tomēr šī arhitektūra neaptver trokšņu ceļus, piemēram, saules gaismas izraisītu troksni vai vairāku ceļu troksni no atspīdumiem, kas ir apspriesti vēlāk šajā sērijā.

TOF sistēmu klasifikācija

TOF sistēmas galvenokārt tiek klasificētas pēc attāluma mērīšanas metodēm: tiešais TOF (dTOF) un netiešais TOF (iTOF), katrai no tām ir atšķirīga aparatūra un algoritmiskā pieeja. Sērijā sākotnēji ir izklāstīti to principi, pirms iedziļināties to priekšrocību, izaicinājumu un sistēmas parametru salīdzinošā analīzē.

Neskatoties uz šķietami vienkāršo TOF principu – gaismas impulsa izstarošana un tā atgriešanās noteikšana, lai aprēķinātu attālumu – sarežģītība slēpjas atgriežamās gaismas atšķiršanā no apkārtējās gaismas. Tas tiek risināts, izstarojot pietiekami spilgtu gaismu, lai panāktu augstu signāla un trokšņa attiecību, un izvēloties atbilstošus viļņu garumus, lai samazinātu vides gaismas traucējumus. Vēl viena pieeja ir izstarotās gaismas kodēšana, lai pēc atgriešanās to varētu atšķirt, līdzīgi kā SOS signāliem ar lukturīti.

Sērijā tiek salīdzināti dTOF un iTOF, detalizēti apspriežot to atšķirības, priekšrocības un izaicinājumus, un tālāk tiek klasificētas TOF sistēmas, pamatojoties uz to sniegtās informācijas sarežģītību, sākot no 1D TOF līdz 3D TOF.

dTOF

Tiešais TOF tieši mēra fotona lidojuma laiku. Tās galvenā sastāvdaļa, viena fotona lavīnas diode (SPAD), ir pietiekami jutīga, lai noteiktu atsevišķus fotonus. dTOF izmanto laika korelēto viena fotonu skaitīšanu (TCSPC), lai izmērītu fotonu ienākšanas laiku, veidojot histogrammu, lai izsecinātu visticamāko attālumu, pamatojoties uz konkrētas laika starpības augstāko frekvenci.

iTOF

Netiešais TOF aprēķina lidojuma laiku, pamatojoties uz fāzes starpību starp izstarotajām un saņemtajām viļņu formām, parasti izmantojot nepārtrauktu viļņu vai impulsa modulācijas signālus. iTOF var izmantot standarta attēla sensoru arhitektūras, mērot gaismas intensitāti laika gaitā.

iTOF sīkāk iedala nepārtraukto viļņu modulācijā (CW-iTOF) un impulsa modulācijā (impulsu-iTOF). CW-iTOF mēra fāzes nobīdi starp izstarotajiem un saņemtajiem sinusoidālajiem viļņiem, savukārt Pulsed-iTOF aprēķina fāzes nobīdi, izmantojot kvadrātviļņu signālus.

Papildu lasīšana:

Wikipedia. (nd). Lidojuma laiks. Iegūts nohttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (lidojuma laiks) | Kopējā attēla sensoru tehnoloģija. Iegūts nohttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. februāris). Ievads Microsoft lidojuma laikā (ToF) — Azure Depth Platform. Iegūts nohttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. marts). Lidojuma laika (TOF) sensori: padziļināts pārskats un lietojumprogrammas. Iegūts nohttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

No tīmekļa lapashttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

autors: Chao Guang

Atruna:

Ar šo mēs paziņojam, ka daži no mūsu vietnē redzamajiem attēliem ir savākti no interneta un Vikipēdijas, lai veicinātu izglītību un informācijas apmaiņu. Mēs cienām visu satura veidotāju intelektuālā īpašuma tiesības. Šo attēlu izmantošana nav paredzēta komerciāla labuma gūšanai.

Ja uzskatāt, ka kāds no izmantotā satura pārkāpj jūsu autortiesības, lūdzu, sazinieties ar mums. Mēs esam vairāk nekā gatavi veikt atbilstošus pasākumus, tostarp noņemt attēlus vai nodrošināt atbilstošu attiecinājumu, lai nodrošinātu atbilstību intelektuālā īpašuma likumiem un noteikumiem. Mūsu mērķis ir uzturēt platformu, kas ir bagāta ar saturu, godīga un respektē citu personu intelektuālā īpašuma tiesības.

Lūdzu, sazinieties ar mums uz šo e-pasta adresi:sales@lumispot.cn. Mēs apņemamies nekavējoties rīkoties pēc jebkura paziņojuma saņemšanas un garantējam 100% sadarbību šādu problēmu risināšanā.