3D飛行時間，或稱3D ToF，是一種無掃描儀LiDAR(光探測和測距)技術(shù)，通過發(fā)射納秒級高功率光脈沖來捕捉相關(guān)場景(通常在短距離內(nèi))的深度信息。飛行時間技術(shù)在深度測量和物體檢測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如工廠自動化、機(jī)器人和物流應(yīng)用。特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人進(jìn)行檢測和反應(yīng)。例如，一旦工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，機(jī)械臂可能需要立即停止。
飛行時間技術(shù)概述
飛行時間技術(shù)利用調(diào)制光源(如激光)主動照射物體，然后利用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用一對收發(fā)器之間數(shù)據(jù)信號的飛行時間來測量兩點(diǎn)之間的深度。
時間延遲 t與發(fā)射器和物體之間深度(往返行程)的兩倍成正比；因此，深度(d)可以估計(jì)為d=(c t)/2，其中c代表光速。
目前，測量時間延遲的方法有很多種，其中最常用的有兩種：連續(xù)波法和脈沖法。值得注意的是，目前市場上使用的大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)使用的是CMOS傳感器，而脈沖ToF系統(tǒng)使用的是非CMOS傳感器(尤其是CCD)。
連續(xù)波和脈沖系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較
連續(xù)波系統(tǒng)用于測量發(fā)射和接收調(diào)制脈沖之間的相移，而脈沖系統(tǒng)用于測量脈沖在發(fā)射和接收之間通過的時間。兩種測量模式各有利弊。
連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
對于不要求高精度的應(yīng)用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗灰蠹す饷}沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿。當(dāng)然，在實(shí)踐中很難復(fù)制出完美的正弦波。然而，如果精度要求變得更嚴(yán)格，將需要更高頻率的調(diào)制信號，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。
由于激光信號是周期性的，連續(xù)波系統(tǒng)測量中的任何相位測量都會每2重復(fù)一次，這意味著會有一個混疊距離。對于只有一個調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測量的距離。為了應(yīng)對這種限制，可以使用多個調(diào)制頻率來執(zhí)行相位展開，其中如果具有不同調(diào)制頻率的兩個(或更多)相位測量值與估計(jì)深度一致，則可以確定物體的真實(shí)深度。這種多調(diào)制頻率方案也可以用來減少多徑誤差——。多徑誤差是由一個物體的反射光撞擊另一個物體(或在透鏡內(nèi)反射)然后返回傳感器所引起的測量誤差。
連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度的升高，解調(diào)信號和激光信號會因溫度變化而相互偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離范圍內(nèi)總會有偏移誤差，而深度線性度會保持基本穩(wěn)定。
連續(xù)波系統(tǒng)的缺點(diǎn)
雖然CMOS傳感器的輸出數(shù)據(jù)率比其他傳感器高，但連續(xù)波傳感器需要在多個調(diào)制頻率下獲得四個相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來計(jì)算深度。長曝光時間可能會限制系統(tǒng)的整體幀速率或?qū)е逻\(yùn)動模糊，因此只能在有限類型的應(yīng)用中使用。這種更高的處理復(fù)雜度可能需要使用外部應(yīng)用處理器，這可能會超出應(yīng)用的要求。
對于測量距離較長或環(huán)境光較強(qiáng)的場景，需要更高的連續(xù)光功率(與脈沖系統(tǒng)相比)，但這種高強(qiáng)度的連續(xù)光信號可能會造成散熱和可靠性的問題。
脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
脈沖系統(tǒng)通常依賴于在短時間窗口內(nèi)發(fā)射高能光脈沖。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：
設(shè)計(jì)健壯的系統(tǒng)更方便，所以更適合戶外。
曝光時間越短，運(yùn)動模糊的效果越小。
脈沖系統(tǒng)中信號的占空比通常比同級的連續(xù)波系統(tǒng)低很多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：
對于長時間工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。
通過將脈沖組放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，可以避免來自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)來為一幀中的激光脈沖選擇不同的位置，或者通過使用外部光電探測器來確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來實(shí)現(xiàn)。另一種方法是動態(tài)隨機(jī)安排脈沖組的位置，這樣就不需要協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)之間的時序，但這種方法不能完全消除干擾。
由于脈沖時序和寬度不需要相同，可以采用不同的時序方案來支持更寬的動態(tài)范圍和自動曝光等功能。
脈沖系統(tǒng)的缺點(diǎn)
因?yàn)榘l(fā)射光脈沖的脈沖寬度和快門的脈沖寬度需要保持相同，所以系統(tǒng)的時序控制需要非常精確，根據(jù)應(yīng)用需求可能需要達(dá)到皮秒精度。
為了達(dá)到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動器需要實(shí)現(xiàn)非?？斓纳仙?下降沿(1ns)。
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本文摘要
3D飛行時間技術(shù)可以在工業(yè)、制造和建筑過程中實(shí)時準(zhǔn)確地確定尺寸和分類，幫助用戶解決相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的問題，在深度測量和物體檢測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
行業(yè)資訊 
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2021-12-07 18:03:59
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