飞行时间传感器(ToF)如何工作?看看ToF 3D相机

飞行时间传感器如何确定距离?使用示例3D相机了解有关ToF相机的更多信息。
有三种领先的3D成像技术可以在手机和汽车中竞争空间。这些技术是立体成像,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,基于面部特征对用户进行身份验证,检测手部移动以及提供SLAM(同时定位和映射)算法。
这个领域最大的两个参与者是艾姆斯和英飞凌。在撰写本文时,AMS携带每种类型的传感器之一,  而英飞凌仅专注于飞行时间传感器。
 

 
本文通过关注pmdtechnologies的3D相机开发套件“pico flexx ”,介绍了飞行时间传感器背后的技术。(在你提问之前,“pico flexx”和“pmdtechnologies”在他们的网站上都是小写的。)。
pico flexx是围绕联合开发的英飞凌和pmd的3D图像传感器REAL3构建的
 

2019年4月29日从pmdtec.com拍摄的手的假彩色3D图像。根据从传感器到手的距离将颜色映射到单个像素(红色接近,蓝色远)
 
请注意,pmd为本文提供了一个设备。
 

什么是飞行时间传感器?

飞行时间传感器测量通过介质行进一段距离所需的时间。通常,这是测量波脉冲发射,物体反射和返回ToF传感器之间所经过的时间。飞行时间相机是利用ToF测量来确定相机与物体或环境之间的距离,创建由单独测量的点生成的图像的设备。
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。
但这些测量结果如何实现?
下面,我介绍了三种使用旅行时间来确定距离的方法。
 

使用旅行时间来确定距离的方法
 
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。
图像的中间显示第二种方法,其中您可以调制光源的幅度并记录反射波的相移。
图像的底部代表第三种方法,传输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

光和无线电波的传播速度接近300,000,000,000 mm / s,波长为1 mm(另外3.3 ps返回)的波长约为3.3 ps。这意味着,如果您想要一个可以对您所在房间中的所有物体进行成像并且您想要〜1 mm分辨率的设备,那么您的定时电子设备将需要皮秒分辨率。这意味着数百GHz的时钟速度。
设计在这些频率下工作的电子电路既不容易也不经济,因此设计人员必须想出一种在较低频率下工作的方法,如果他们希望将这些设备带到消费者空间中。
在合理的sub-GHz频率下工作时,有两种常见的方法可以达到毫米级精度:
  • 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。
 

通过幅度调制波的相移确定距离


c=λf

这一切都始于强光的输出用20 MHz正弦信号调制时。光波最终将到达物体或墙壁,它将反射和反转方向。原始调制光的调光版将返回接收器。除非物体正好是15米之外的整数倍,否则相位将移动一定量。  
相移可用于计算波行进的距离。
 

 
如果可以精确测量相位角,则可以准确地确定反射物体远离传感器/接收器的距离。  
 

如何测量正弦波的相角

那么,你如何快速测量正弦曲线的相位角?这涉及在四个等间隔点(即,90°或1 /4λ的间隔)测量接收信号的幅度。
 

 

φ=ArcTan(A1A3A2A4)
 
我试图说明测量值和下面的相位角之间的关系。A 1  和A 3之间的差值与A 2  和A 4之差的比率等于相位角的正切。ArcTan实际上是双参数反正切函数,它映射适当的象限,并定义何时A 2 = A4且A 1 > A 3或A 3 > A 1分别为0°或180°。
 

单击图表可查看更复杂的图像,该图像说明变量A 1,A 2,A 3和A 4的差异如何适合单位圆。 
 
在上图中,图的最左侧有两条垂直数字线,表示减去A 1  和A 3(表示为深黄色)和A 2和A 4(表示为蓝色)的结果。测量值显示为中间正弦曲线图中的垂直线。
请注意,此图形不考虑反射(这将有效地将所有内容移动180°)。
 

确定给定距离的工作频率

回到我们的例子,到目标的距离用公式确定:
 

 

d=cφ4πf
 
其中c是光速,phi(φ)是相位角(以弧度表示),ƒ是调制频率。
测量光子的实际飞行时间需要333 GHz电子设备。该方法最多需要4倍的调制频率,在这种情况下是4x20 MHz = 80 MHz。这是资源的显着减少。但是你会很高兴知道一些聪明的工程师找到了进一步降低最大频率的方法。
 

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CMOS成像传感器,每个像素具有两个电容器。
时钟源产生50%占空比的方波,该方波控制一个明亮的频闪光源,以及与每个像素内部的电荷存储电容的连接。
这种系统的一个例子如下图所示:
 

来自“ 光子混频器设备固态阵列LiDARS的快速校准方法 ” 图像显示了具有两个电荷存储电容器的CMOS像素,它们交替连接以记录入射光。
 
光离开光源,从物体反射,并撞击像素,在那里它将被记录为上面所示的电容器C A或C B中的电荷。使用相同的时钟源,电容器以与照明源相同的频率交替地连接到像素。  
这种巧妙的布置意味着电容器中的差分电荷直接与相位偏移相关。并且相位由波长和到目标和返回的距离决定。
 

来自“ 光子混频器装置固态阵列LiDARS的快速校准方法 ”的图像
 
可以根据需要将对象照射多个周期以填充电容器。只要距离恒定,电荷比例就会保持不变
 

飞行时间传感器在行动

这种方法的效果如何?比你想象的要好。  
提供给AAC的传感器与附带的软件相结合,能够记录高达45 fps的能力。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。
 

上图描绘了来自pmd的pico flexx相机的每个捕获像素的(x,y,z)顶点位置。
 
仅深度数据本身难以可视化。因此,深度图像通常与照片组合,或者使用假色彩显示以允许更容易地观察场景。
 

低分辨率图像的伪色深度叠加使得更容易解释场景。使用pmd的Royal Viewer软件和CamBoard pico flexx 3D开发套件捕获的goober作者的图像。
 

 
飞行时间传感器可用于多种应用,包括在将智能物理与工程相结合时创建环境的3D地图。 
你有没有在工作中使用3D相机?您能告诉我们使用飞行时间传感器的设计限制吗?在下面的评论中分享您的经验。
 

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