用于距離測(cè)量和目標(biāo)檢測(cè)的飛行時(shí)間系統(tǒng)

距離測(cè)量和目標(biāo)檢測(cè)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，包括工廠自動(dòng)化、機(jī)器人應(yīng)用和物流。特別是在安全應(yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)特定距離的物體或人員進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)。例如，一旦工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，機(jī)械臂就可能需要立即停止操作。

因此，飛行時(shí)間(ToF)變得越來(lái)越重要。使用ToF技術(shù)，光從調(diào)制光源（如激光）發(fā)射，光束經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)物體反射后由傳感器或攝像機(jī)捕獲。因此，可以通過(guò)發(fā)射光與接收發(fā)射光之間的時(shí)間延遲?T來(lái)確定距離。時(shí)間延遲與攝像機(jī)和物體之間的兩倍距離（往返）成正比。所以，距離可估算為深度d = (c × Δt)/2，其中c表示光速。ToF攝像機(jī)輸出2D數(shù)據(jù)以及所需的深度信息。

ToF允許一次記錄整個(gè)圖像。不需要逐行掃描，也不需要傳感器和被觀察物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。ToF通常劃歸為L(zhǎng)IDAR（光探測(cè)和測(cè)距），但它實(shí)際上是基于flash LIDAR的方法，而不是掃描LIDAR。

利用ToF測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間基本上有兩種不同的方法：基于電荷耦合器件(CCD)技術(shù)的脈沖操作模式和連續(xù)波(CW)操作模式。

在脈沖模式下測(cè)量光脈沖發(fā)射和接收之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間，在CW模式下測(cè)定發(fā)射和接收調(diào)制光脈沖之間的相移。這兩種操作模式都各有優(yōu)缺點(diǎn)。脈沖模式更耐環(huán)境光，因此更有利于戶外應(yīng)用，因?yàn)樵摷夹g(shù)通常依賴短集成窗口在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出的高能光脈沖。而CW模式可能更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣庠床槐睾芏?，且具有上?下降沿。但是，如果精度要求變得更嚴(yán)格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號(hào)，這可能很難實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的像素大小使得芯片分辨率很高，不僅支持距離測(cè)量，也支持物體和手勢(shì)識(shí)別。測(cè)量距離從幾厘米（<10厘米）到幾米（<15米）不等。

遺憾的是，并非所有物體都能同樣探測(cè)到。物體的狀況、反射率和速度都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

圖1 飛行時(shí)間測(cè)量原理

圖2 ToF系統(tǒng)功能框圖

測(cè)量結(jié)果也可能因霧或強(qiáng)烈的陽(yáng)光等環(huán)境因素而失真。環(huán)境光抑制有助于解決強(qiáng)烈的陽(yáng)光導(dǎo)致的失真問(wèn)題。

ADI等半導(dǎo)體制造商提供完整的3D ToF系統(tǒng)，以支持快速實(shí)現(xiàn)3D ToF解決方案。他們將數(shù)據(jù)處理、激光驅(qū)動(dòng)、電源管理和軟件/固件集成到一個(gè)電子控制單元中。其他組件包括發(fā)射調(diào)頻光信號(hào)的發(fā)射器和記錄反射信號(hào)的檢波器?？驁D如圖2所示。

具有集成深度計(jì)算功能的模擬前端(AFE)等組件對(duì)于構(gòu)建此類系統(tǒng)將會(huì)大有幫助。而ADDI9036就提供這一功能。它是一個(gè)完整的CCD ToF信號(hào)處理器，具有集成激光二極管驅(qū)動(dòng)器、12位ADC，以及為CCD和激光器生成時(shí)序的高精度時(shí)鐘發(fā)生器。ADDI9036負(fù)責(zé)處理來(lái)自VGA CCD傳感器的原始圖像數(shù)據(jù)以生成深度/像素?cái)?shù)據(jù)。

ADI還與設(shè)計(jì)合作伙伴合作，可以共同提供成品模塊和開發(fā)平臺(tái)。這些評(píng)估系統(tǒng)可用于開發(fā)特定的客戶算法。成品模塊和平臺(tái)有助于加速開發(fā)，這在工業(yè)和汽車工程等時(shí)間緊迫的業(yè)務(wù)領(lǐng)域尤為重要。

參考資料

利用ADI飛行時(shí)間技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D成像。ADI公司，2020年。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。