什么是飛行時間（ToF）傳感器？

什么是飛行時間相機？它是捕捉飛機飛行的相機嗎？它與飛機或飛機有關嗎？好吧，實際上距離還很遠！

ToF是物體，粒子或波傳播一段距離所花費的時間的度量。您知道蝙蝠的聲納系統有效嗎？飛行時間系統與此類似！

飛行時間傳感器種類繁多，但大多數是飛行時間相機和激光掃描儀，它們使用稱為激光雷達（光檢測和測距）的技術，通過用紅外光照射來測量圖像中各個點的深度。

使用ToF傳感器生成和捕獲的數據非常有用，因為它可以提供行人檢測，基于面部特征的用戶身份驗證，使用SLAM（同時定位和映射）算法的環境映射等等。

該系統實際上廣泛用于機器人，自動駕駛汽車，甚至現在是您的移動設備。舉個例子，如果您使用的是華為P30 Pro，Oppo RX17 Pro，LG G8 ThinQ，則您的手機配有ToF攝像頭！

飛行時間傳感器如何工作？

現在，我們對飛行時間傳感器是什么有了一個簡短的了解，它如何工作？

ToF傳感器使用微小的激光發射紅外光，其中產生的光會從任何物體反彈并返回到傳感器。根據光的發射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差，傳感器可以測量物體與傳感器之間的距離。

今天，我們將探討ToF使用旅行時間確定距離和深度的2種方法，它們是：

使用定時脈沖

使用調幅波的相移

使用定時脈沖

例如，它的工作方式是首先用激光照射目標，然后用掃描儀測量反射光，然后使用光速推算出物體的距離，從而精確地計算出行進的距離。此外，然后使用激光返回時間和波長的差異來進行目標的精確數字3D表示和表面特征，并在視覺上繪制出其各個特征。

正如您在上面看到的那樣，這是首先發射激光并從物體反射回傳感器的過程。借助激光返回時間，ToF攝像機能夠在給定光傳播速度的情況下在短時間內測量出準確的距離。（ToF轉換為距離）這是分析人員用來得出對象的精確距離的公式：

（光速x飛行時間）/ 2

如您所見，計時器將在燈光熄滅期間啟動，并且當接收器接收到返回燈時，計時器將返回時間。當兩次相減時，獲得了光的“飛行時間”，并且光速是恒定的，因此可以使用上面的公式輕松計算距離。這樣，可以確定物體表面上的所有點。

使用調幅波的相移

接下來，ToF還可以使用連續波來檢測反射光的相移以確定深度和距離。

通過調制振幅，它可以創建具有已知頻率的正弦形式的光源，從而使檢測器能夠確定反射光的相移并使用以下公式：

其中c是光速（c = 3×10^8 m / s），λ是一個波長（λ= 15 m），f是頻率，傳感器上的每個點都可以很容易地計算出深入。

隨著我們以光速工作，所有這些事情都發生得非常快。您能想象傳感器能夠測量的精度和速度嗎？讓我舉一個例子，光以每秒30萬公里的速度傳播，如果一個物體離您5m，光離開相機與返回之間的時間差約為33納秒，僅相當于0.000000033秒！哇！更不用說，捕獲的數據將針對圖像中的每個像素，為您提供精確的3D數字表示。

無論使用哪種原理，提供能夠照亮整個場景的光源都可以使傳感器確定所有點的深度。這樣的結果為您提供了一個距離圖，其中每個像素編碼到場景中相應點的距離。以下是ToF范圍圖的示例：

現在我們知道ToF可以工作了，為什么很好呢？為什么要使用它？他們有什么好處？不用擔心，使用ToF傳感器的優點很多，當然也有一定的局限性。

使用飛行時間傳感器的好處

精確快速的測量

與其他距離傳感器（例如超聲波或激光）相比，飛行時間傳感器能夠非常快速地組成場景的3D圖像。例如，ToF相機僅需一次即可完成此操作。不僅如此，ToF傳感器能夠在短時間內準確地檢測物體，并且不受濕度，氣壓和溫度的影響，使其適合于室內和室外使用。

長距離

由于ToF傳感器使用激光，因此它們也能夠高精度地測量遠距離和范圍。例如，我們的RPLiDAR S1便攜式ToF激光掃描儀套件？的射程為40m！因此，ToF傳感器具有靈活性，因為它們能夠檢測各種形狀和大小的近距離和遠距離物體。

從某種意義上說，它也是靈活的，因為您能夠自定義系統的光學部件，以實現最佳性能，您可以在其中選擇發射器和接收器類型以及透鏡，以獲得所需的視野。

安全

擔心從ToF傳感器發出的激光會傷害您的眼睛嗎？別擔心！現在，許多ToF傳感器都使用低功率紅外激光作為光源，并通過調制脈沖驅動它。傳感器達到1類激光安全標準，可確保其對人眼的安全。

具有成本效益

與其他3D深度范圍掃描技術（例如結構化光相機系統或激光測距儀）相比，ToF傳感器與它們相比要便宜得多。

盡管有所有這些限制，ToF仍然非常可靠，并且是捕獲3D信息的非常快速的方法。

ToF的局限性

盡管ToF有很多好處，但它也有局限性。ToF的一些局限性包括：

散射光

如果非常明亮的表面離您的ToF傳感器很近，它們可能會將太多的光散射到您的接收器中，并產生偽影和不必要的反射，因為您的ToF傳感器只需要反射一次的光即可進行測量。

多重反射

在角落和凹形上使用ToF傳感器時，它們可能會導致不必要的反射，因為光可能會多次反射，從而使測量失真。

環境光

在明亮的陽光下戶外使用ToF相機可能會導致戶外使用困難。這是由于陽光的高強度會導致傳感器像素快速飽和，從而無法檢測到從物體反射的實際光。

結語：

飛行時間傳感器可用于多種應用中。從3D制圖，工業自動化，障礙物檢測，自動駕駛汽車，農業，機器人技術，室內導航，手勢識別，對象掃描，測量量，監視到增強現實！ToF技術的應用層出不窮。
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