飛行時(shí)間傳感器測(cè)量物體穿過(guò)介質(zhì)傳播所需的時(shí)間。通常，是在發(fā)出波脈沖，從對(duì)象反射到返回到ToF傳感器之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間的度量。

目前，立體成像，結(jié)構(gòu)化的光投影和飛行時(shí)間（或ToF）這三項(xiàng)領(lǐng)先的3D成像技術(shù)正在爭(zhēng)奪手機(jī)和汽車中的市場(chǎng)空間。

通過(guò)3D成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)行人檢測(cè)，基于面部特征對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，檢測(cè)手的移動(dòng)并提供SLAM（同時(shí)定位和映射）算法等應(yīng)用。

今天，我們主要來(lái)了解飛行時(shí)間傳感器。

一、什么是飛行時(shí)間傳感器？

飛行時(shí)間傳感器測(cè)量物體穿過(guò)介質(zhì)傳播所需的時(shí)間。通常，是在發(fā)出波脈沖，從對(duì)象反射到返回到ToF傳感器之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間的度量。

而飛行時(shí)間相機(jī)是一種利用ToF測(cè)量來(lái)確定相機(jī)與物體或環(huán)境之間的距離，創(chuàng)建由單獨(dú)測(cè)量的點(diǎn)生成的圖像的設(shè)備。

ToF相機(jī)的應(yīng)用包括基于激光的無(wú)掃描器LiDAR成像系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)感測(cè)和跟蹤，用于機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)駕駛的物體檢測(cè)，地形圖等等。

二、飛行時(shí)間傳感器確定距離的方法

使用飛行時(shí)間來(lái)確定距離的方法有以下3種：

①、在圖像的頂部，您可以看到第一種方法，該方法是發(fā)送脈沖并測(cè)量時(shí)間間隔，直到它們?cè)诜瓷浜蠓祷貫橹埂?/p>

②、圖像的中間部分顯示了第二種方法，其中您可以調(diào)制光源的振幅并記錄反射波的相移。

③、圖像的底部表示第三種方法，該方法傳輸占空比為50％的方波，并記錄在特定間隔內(nèi)到達(dá)的返回光量。

利用飛行時(shí)間確定距離的方法

但在實(shí)際應(yīng)用中，確定距離的方法遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。比如，當(dāng)飛行時(shí)間傳感器應(yīng)用在相機(jī)中，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精密ToF相機(jī)時(shí)，以上利用飛行時(shí)間確定距離的方法就不太適用了，而是需要經(jīng)過(guò)改進(jìn)。

光波和無(wú)線電波的傳播速度接近300,000,000,000mm/s，對(duì)于波傳播1mm，光波和無(wú)線電波的傳播速度約為3.3ps（返回波速為3.3ps）。這意味著，如果您想要一個(gè)可以對(duì)房間內(nèi)所有物體成像的設(shè)備，并且想要的分辨率約為1毫米，則定時(shí)電子設(shè)備將需要皮秒級(jí)的分辨率，轉(zhuǎn)化為數(shù)百GHz的時(shí)鐘速度。

設(shè)計(jì)在這些頻率下工作的電子電路既不容易，也不經(jīng)濟(jì)，因此，如果設(shè)計(jì)人員希望將這些設(shè)備帶入消費(fèi)市場(chǎng)，那么他們必須想出一種在較低頻率下工作的方法。

存在兩種常見(jiàn)的方法，可以在合理的GHz頻率下實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度：

將正弦調(diào)制波的相移與距離相關(guān)；

使用50％占空比方波的相移和差分電壓來(lái)確定距離。

在以下各節(jié)中，我們將更詳細(xì)地介紹這兩種方法。

三、改進(jìn)飛行時(shí)間傳感器確定距離的方法

通過(guò)調(diào)幅波的相移確定距離

假設(shè)您要繪制最大長(zhǎng)度為15m的小型辦公室或大型客廳。要確定適合該長(zhǎng)度的工作頻率，請(qǐng)使用?=λ＆CenterDot;＆?FC=λ?F其中c是光速（c=3x108m/s），λ是一個(gè)波長(zhǎng)（λ=15m），?是頻率。在此示例中，?=20MHz，這是一個(gè)相對(duì)容易使用的頻率。

當(dāng)亮光的輸出由20MHz正弦信號(hào)調(diào)制時(shí)，一切就開(kāi)始了。光波最終將到達(dá)物體或墻壁，并且將反射和反轉(zhuǎn)方向。原始調(diào)制光的調(diào)光器版本將返回接收器。除非對(duì)象恰好是15米的整數(shù)倍，否則相位將偏移一定量。

相移可用于計(jì)算波傳播的距離。

如果您可以準(zhǔn)確地測(cè)量相角，則可以準(zhǔn)確地確定反射物體與傳感器/接收器的距離。

如何測(cè)量正弦波的相角？

那么，如何快速測(cè)量正弦波的相位角？這涉及在四個(gè)等距的點(diǎn)（即90°或1/4λ的間隔）處測(cè)量接收信號(hào)的幅度。

我試圖在下面說(shuō)明測(cè)量值和相角之間的關(guān)系。A1和A3之間的差與A2和A4之間的差之比等于相角的切線。ArcTan實(shí)際上是兩個(gè)參數(shù)的反正切函數(shù)，該函數(shù)映射適當(dāng)?shù)南笙蓿2=A4且A1>A3或A3>A1分別定義為0°或180°。

下面圖像說(shuō)明了變量A1，A2，A3和A4的差如何擬合到單位圓上。

在上面的插圖中，圖形的最左側(cè)有兩條垂直數(shù)字線，顯示了減去A1和A3（表示為深黃色）以及A2和A4（表示為藍(lán)色）的結(jié)果。測(cè)量值在中間的正弦曲線圖中顯示為垂直線。

請(qǐng)注意，此圖形未考慮反射（這將使所有物體有效地移動(dòng)180°）。

確定給定距離的工作頻率：

回到我們的示例，到目標(biāo)的距離由以下公式確定：

其中c是光速，phi（φ）是相位角（以弧度為單位），?是調(diào)制頻率。

測(cè)量光子的實(shí)際飛行時(shí)間需要333GHz電子設(shè)備。此方法最大需要4倍的調(diào)制頻率，在這種情況下為4x20MHz=80MHz。這顯著減少了資源。但是，您會(huì)很高興知道一些聰明的工程師找到了一種進(jìn)一步降低最大頻率的方法。

通過(guò)帶電電容器的差分電壓測(cè)量確定相移

下一個(gè)測(cè)量情況涉及頻閃光源和每個(gè)像素有兩個(gè)電容器的CMOS成像傳感器。

時(shí)鐘源產(chǎn)生占空比為50％的方波，該方波控制明亮的選通光源以及與每個(gè)像素內(nèi)部的電荷存儲(chǔ)電容器的連接。

下圖顯示了這種系統(tǒng)的示例：

“光子混合器設(shè)備固態(tài)陣列LiDARS的快速校準(zhǔn)方法”中的圖像顯示了一個(gè)CMOS像素，該像素帶有兩個(gè)交替連接的電荷存儲(chǔ)電容器，以記錄入射光。

光線離開(kāi)光源，反射離開(kāi)物體，然后撞擊像素，該像素將作為電荷記錄在上面所示的電容器CA或CB中。電容器使用相同的時(shí)鐘源以與照明源相同的頻率交替連接至像素。

這種巧妙的安排意味著電容器中的差分電荷直接與相位偏移有關(guān)。相位由波長(zhǎng)以及到目標(biāo)和目標(biāo)的距離確定。

來(lái)自“光子混合器設(shè)備固態(tài)陣列LiDARS的快速校準(zhǔn)方法”的圖像

可以照亮被攝對(duì)象充電容器所需的次數(shù)。只要距離恒定，電荷比例將保持不變。

那么這種方法的效果如何呢？

提供給AAC的傳感器與隨附的軟件結(jié)合使用，能夠記錄高達(dá)45fps的圖像。在較低的刷新率下，系統(tǒng)可以輕松成像襯衫上的皺紋。

上圖繪制了從Pmd的picoflexx相機(jī)捕獲的每個(gè)像素的（x，y，z）頂點(diǎn)位置。

僅深度數(shù)據(jù)本身很難可視化。因此，深度圖像通常與照片結(jié)合在一起，或使用假色顯示，以使場(chǎng)景更容易可視化。

上圖顯示出，低分辨率圖像的偽彩色深度覆蓋層使解釋場(chǎng)景更加容易。使用Pmd的RoyalViewer軟件和CamBoardpicoflexx3D開(kāi)發(fā)套件捕獲的goober作者的圖像。

飛行時(shí)間傳感器可用于多種應(yīng)用中，包括將巧妙的物理技術(shù)與工程技術(shù)結(jié)合起來(lái)創(chuàng)建環(huán)境的3D地圖。