Novice - Osnovni princip in uporaba sistema TOF (Time of Flight).

Naročite se na naše družbene medije za hitro objavo

Namen te serije je bralcem zagotoviti poglobljeno in postopno razumevanje sistema časa letenja (TOF). Vsebina zajema obsežen pregled sistemov TOF, vključno s podrobnimi razlagami posrednega TOF (iTOF) in neposrednega TOF (dTOF). Ti razdelki se poglobijo v sistemske parametre, njihove prednosti in slabosti ter različne algoritme. Članek raziskuje tudi različne komponente sistemov TOF, kot so površinski oddajni laserji z navpično votlino (VCSEL), oddajne in sprejemne leče, sprejemni senzorji, kot so CIS, APD, SPAD, SiPM, in gonilna vezja, kot so ASIC.

Uvod v TOF (čas letenja)

Osnovna načela

TOF, kar pomeni Time of Flight, je metoda, ki se uporablja za merjenje razdalje z izračunom časa, ki je potreben, da svetloba prepotuje določeno razdaljo v mediju. To načelo se uporablja predvsem v optičnih scenarijih TOF in je relativno preprosto. Postopek vključuje vir svetlobe, ki oddaja žarek svetlobe, pri čemer se zabeleži čas emisije. Ta svetloba se nato odbije od tarče, ujame jo sprejemnik in zabeleži čas sprejema. Razlika v teh časih, označena kot t, določa razdaljo (d = svetlobna hitrost (c) × t / 2).

Vrste senzorjev ToF

Obstajata dve glavni vrsti senzorjev ToF: optični in elektromagnetni. Optični senzorji ToF, ki so pogostejši, za merjenje razdalje uporabljajo svetlobne impulze, običajno v infrardečem območju. Ti impulzi se oddajajo iz senzorja, se odbijajo od predmeta in se vrnejo v senzor, kjer se izmeri čas potovanja in uporabi za izračun razdalje. Nasprotno pa elektromagnetni senzorji ToF za merjenje razdalje uporabljajo elektromagnetne valove, kot sta radar ali lidar. Delujejo po podobnem principu, vendar uporabljajo drugačen medijmerjenje razdalje.

Uporaba senzorjev ToF

Senzorji ToF so vsestranski in integrirani na različna področja:

Robotika:Uporablja se za zaznavanje ovir in navigacijo. Na primer, roboti, kot sta Roomba in Atlas podjetja Boston Dynamics, uporabljajo globinske kamere ToF za preslikavo okolice in načrtovanje gibanja.

Varnostni sistemi:Običajno pri senzorjih gibanja za zaznavanje vsiljivcev, sprožitev alarmov ali aktiviranje sistemov kamer.

Avtomobilska industrija:Vgrajen v sisteme za pomoč vozniku za prilagodljivi tempomat in preprečevanje trčenja, postaja vse bolj razširjen v novih modelih vozil.

Medicinsko področje: Uporablja se pri neinvazivnem slikanju in diagnostiki, kot je optična koherentna tomografija (OCT), ki proizvaja slike tkiv z visoko ločljivostjo.

Zabavna elektronika: integrirano v pametne telefone, tablične računalnike in prenosne računalnike za funkcije, kot so prepoznavanje obraza, biometrična avtentikacija in prepoznavanje kretenj.

Droni:Uporablja se za navigacijo, izogibanje trčenju ter za obravnavo skrbi glede zasebnosti in letalstva.

TOF sistemska arhitektura

Tipičen sistem TOF je sestavljen iz več ključnih komponent za doseganje opisane meritve razdalje:

· Oddajnik (Tx):To vključuje vir laserske svetlobe, predvsem aVCSEL, pogonsko vezje ASIC za pogon laserja in optične komponente za nadzor žarka, kot so kolimacijske leče ali uklonski optični elementi in filtri.
· Sprejemnik (Rx):To je sestavljeno iz leč in filtrov na sprejemnem koncu, senzorjev, kot so CIS, SPAD ali SiPM, odvisno od sistema TOF, in slikovnega signalnega procesorja (ISP) za obdelavo velikih količin podatkov iz sprejemnega čipa.
·Upravljanje napajanja:Upravljanje stabilneganadzor toka za VCSEL in visoka napetost za SPAD je ključnega pomena, saj zahteva robustno upravljanje napajanja.
· Sloj programske opreme:To vključuje vdelano programsko opremo, SDK, OS in aplikacijsko plast.

Arhitektura prikazuje, kako laserski žarek, ki izvira iz VCSEL in ga spreminjajo optične komponente, potuje skozi vesolje, se odbije od predmeta in se vrne v sprejemnik. Izračun časovnega zamika v tem procesu razkrije podatke o razdalji ali globini. Vendar pa ta arhitektura ne pokriva poti hrupa, kot je hrup, ki ga povzroči sončna svetloba, ali hrup več poti zaradi odbojev, o katerih se razpravlja pozneje v seriji.

Klasifikacija TOF sistemov

Sistemi TOF so v prvi vrsti kategorizirani glede na njihove tehnike merjenja razdalje: neposredni TOF (dTOF) in posredni TOF (iTOF), vsak z različnimi strojnimi in algoritemskimi pristopi. Serija najprej opiše njihova načela, preden se poglobi v primerjalno analizo njihovih prednosti, izzivov in sistemskih parametrov.

Kljub na videz preprostemu principu TOF – oddajanje svetlobnega impulza in zaznavanje njegove vrnitve za izračun razdalje – je zapletenost v razlikovanju povratne svetlobe od svetlobe okolice. To se reši z oddajanjem dovolj močne svetlobe, da se doseže visoko razmerje med signalom in šumom, in izbiro ustreznih valovnih dolžin za zmanjšanje motenj svetlobe iz okolja. Drug pristop je kodiranje oddane svetlobe, da jo je mogoče razlikovati ob vrnitvi, podobno kot signali SOS s svetilko.

Serija nadaljuje s primerjavo dTOF in iTOF, podrobno razpravlja o njunih razlikah, prednostih in izzivih ter nadalje kategorizira sisteme TOF na podlagi kompleksnosti informacij, ki jih zagotavljajo, od 1D TOF do 3D TOF.

dTOF

Neposredni TOF neposredno meri čas leta fotona. Njegova ključna komponenta, enofotonska lavinska dioda (SPAD), je dovolj občutljiva za zaznavanje posameznih fotonov. dTOF uporablja časovno korelirano štetje posameznega fotona (TCSPC) za merjenje časa prihoda fotonov, sestavljanje histograma za izpeljavo najverjetnejše razdalje na podlagi najvišje frekvence določene časovne razlike.

iTOF

Indirektni TOF izračuna čas letenja na podlagi fazne razlike med oddanimi in prejetimi valovnimi oblikami, običajno z uporabo neprekinjenih valov ali signalov pulzne modulacije. iTOF lahko uporablja standardne arhitekture slikovnih senzorjev in meri intenzivnost svetlobe skozi čas.

iTOF je nadalje razdeljen na kontinuirano valovno modulacijo (CW-iTOF) in pulzno modulacijo (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meri fazni zamik med oddanimi in prejetimi sinusnimi valovi, medtem ko Pulsed-iTOF izračuna fazni zamik z uporabo pravokotnih signalov.

Dodatno branje:

Wikipedia. (nd). Čas letenja. Pridobljeno izhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (čas letenja) | Skupna tehnologija slikovnih senzorjev. Pridobljeno izhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. februar). Uvod v Microsoft Time Of Flight (ToF) – Azure Depth Platform. Pridobljeno izhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. marec). Senzorji časa leta (TOF): poglobljen pregled in aplikacije. Pridobljeno izhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

S spletne stranihttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

Avtor: Chao Guang

Zavrnitev odgovornosti:

S tem izjavljamo, da so nekatere slike, prikazane na naši spletni strani, zbrane iz interneta in Wikipedije z namenom spodbujanja izobraževanja in izmenjave informacij. Spoštujemo pravice intelektualne lastnine vseh ustvarjalcev. Uporaba teh slik ni namenjena komercialnemu dobičku.

Če menite, da katera od uporabljenih vsebin krši vaše avtorske pravice, nas kontaktirajte. Več kot pripravljeni smo sprejeti ustrezne ukrepe, vključno z odstranitvijo slik ali zagotavljanjem ustreznega pripisa, da zagotovimo skladnost z zakoni in predpisi o intelektualni lastnini. Naš cilj je vzdrževati platformo, ki je bogata z vsebino, poštena in spoštuje pravice intelektualne lastnine drugih.

Pišite nam na naslednji elektronski naslov:sales@lumispot.cn. Zavezujemo se, da bomo takoj ukrepali po prejemu kakršnega koli obvestila in zagotavljamo 100-odstotno sodelovanje pri reševanju takih težav.