Εγγραφείτε στα μέσα κοινωνικής δικτύωσής μας για άμεσες δημοσιεύσεις
Αυτή η σειρά στοχεύει να παρέχει στους αναγνώστες μια εις βάθος και προοδευτική κατανόηση του συστήματος Χρόνου Πτήσης (TOF). Το περιεχόμενο καλύπτει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των συστημάτων TOF, συμπεριλαμβανομένων λεπτομερών εξηγήσεων τόσο για το έμμεσο TOF (iTOF) όσο και για το άμεσο TOF (dTOF). Αυτές οι ενότητες εμβαθύνουν στις παραμέτρους του συστήματος, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, καθώς και σε διάφορους αλγόριθμους. Το άρθρο διερευνά επίσης τα διαφορετικά στοιχεία των συστημάτων TOF, όπως τα Laser Εκπομπής Επιφάνειας Κατακόρυφης Κοιλότητας (VCSEL), τους φακούς μετάδοσης και λήψης, τους αισθητήρες λήψης όπως CIS, APD, SPAD, SiPM και τα κυκλώματα οδήγησης όπως ASIC.
Εισαγωγή στο TOF (Χρόνος Πτήσης)
Βασικές Αρχές
Το TOF, που σημαίνει Χρόνος Πτήσης (Time of Flight), είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης υπολογίζοντας τον χρόνο που χρειάζεται το φως για να διανύσει μια ορισμένη απόσταση σε ένα μέσο. Αυτή η αρχή εφαρμόζεται κυρίως σε οπτικά σενάρια TOF και είναι σχετικά απλή. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια πηγή φωτός που εκπέμπει μια δέσμη φωτός, με καταγεγραμμένο τον χρόνο εκπομπής. Αυτό το φως στη συνέχεια ανακλάται από έναν στόχο, συλλαμβάνεται από έναν δέκτη και σημειώνεται ο χρόνος λήψης. Η διαφορά σε αυτούς τους χρόνους, που συμβολίζεται ως t, καθορίζει την απόσταση (d = ταχύτητα του φωτός (c) × t / 2).
Τύποι αισθητήρων ToF
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αισθητήρων ToF: οι οπτικοί και οι ηλεκτρομαγνητικοί. Οι οπτικοί αισθητήρες ToF, οι οποίοι είναι πιο συνηθισμένοι, χρησιμοποιούν φωτεινούς παλμούς, συνήθως στην υπέρυθρη περιοχή, για τη μέτρηση της απόστασης. Αυτοί οι παλμοί εκπέμπονται από τον αισθητήρα, ανακλώνται από ένα αντικείμενο και επιστρέφουν στον αισθητήρα, όπου μετριέται ο χρόνος διαδρομής και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόστασης. Αντίθετα, οι ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες ToF χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως ραντάρ ή lidar, για τη μέτρηση της απόστασης. Λειτουργούν με παρόμοια αρχή αλλά χρησιμοποιούν διαφορετικό μέσο για...μέτρηση απόστασης.
Εφαρμογές αισθητήρων ToF
Οι αισθητήρες ToF είναι ευέλικτοι και έχουν ενσωματωθεί σε διάφορους τομείς:
Ρομποτική:Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση εμποδίων και την πλοήγηση. Για παράδειγμα, ρομπότ όπως το Roomba και το Atlas της Boston Dynamics χρησιμοποιούν κάμερες βάθους ToF για τη χαρτογράφηση του περιβάλλοντός τους και τον σχεδιασμό κινήσεων.
Συστήματα Ασφαλείας:Συνηθισμένοι σε αισθητήρες κίνησης για την ανίχνευση εισβολέων, την ενεργοποίηση συναγερμών ή την ενεργοποίηση συστημάτων κάμερας.
Αυτοκινητοβιομηχανία:Ενσωματώνεται σε συστήματα υποβοήθησης οδηγού για προσαρμοστικό cruise control και αποφυγή συγκρούσεων, και γίνεται ολοένα και πιο διαδεδομένο σε νέα μοντέλα οχημάτων.
Ιατρικός ΤομέαςΧρησιμοποιείται σε μη επεμβατική απεικόνιση και διαγνωστική, όπως η οπτική τομογραφία συνοχής (OCT), παράγοντας εικόνες ιστών υψηλής ανάλυσης.
Ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσηςΕνσωματωμένο σε smartphone, tablet και φορητούς υπολογιστές για λειτουργίες όπως αναγνώριση προσώπου, βιομετρική επαλήθευση ταυτότητας και αναγνώριση χειρονομιών.
Drones:Χρησιμοποιείται για πλοήγηση, αποφυγή συγκρούσεων και για την αντιμετώπιση ζητημάτων που αφορούν την ιδιωτικότητα και την αεροπορία.
Αρχιτεκτονική συστήματος TOF
Ένα τυπικό σύστημα TOF αποτελείται από πολλά βασικά στοιχεία για την επίτευξη της μέτρησης απόστασης όπως περιγράφεται:
· Πομπός (Tx):Αυτό περιλαμβάνει μια πηγή φωτός λέιζερ, κυρίως έναVCSEL, ένα κύκλωμα οδήγησης ASIC για την οδήγηση του λέιζερ και οπτικά εξαρτήματα για τον έλεγχο της δέσμης, όπως φακοί ευθυγράμμισης ή περιθλαστικά οπτικά στοιχεία και φίλτρα.
· Δέκτης (Rx):Αυτό αποτελείται από φακούς και φίλτρα στο άκρο λήψης, αισθητήρες όπως CIS, SPAD ή SiPM ανάλογα με το σύστημα TOF, και έναν επεξεργαστή σήματος εικόνας (ISP) για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων από το τσιπ δέκτη.
·Διαχείριση ενέργειας:Διαχείριση στάβλουΟ έλεγχος ρεύματος για τα VCSEL και η υψηλή τάση για τα SPAD είναι κρίσιμος, απαιτώντας ισχυρή διαχείριση ισχύος.
· Επίπεδο λογισμικού:Αυτό περιλαμβάνει το υλικολογισμικό, το SDK, το λειτουργικό σύστημα και το επίπεδο εφαρμογών.
Η αρχιτεκτονική καταδεικνύει πώς μια δέσμη λέιζερ, που προέρχεται από το VCSEL και τροποποιείται από οπτικά εξαρτήματα, ταξιδεύει στο διάστημα, ανακλάται από ένα αντικείμενο και επιστρέφει στον δέκτη. Ο υπολογισμός της χρονικής καθυστέρησης σε αυτήν τη διαδικασία αποκαλύπτει πληροφορίες απόστασης ή βάθους. Ωστόσο, αυτή η αρχιτεκτονική δεν καλύπτει τις διαδρομές θορύβου, όπως τον θόρυβο που προκαλείται από το ηλιακό φως ή τον θόρυβο πολλαπλών διαδρομών από τις ανακλάσεις, οι οποίοι συζητούνται αργότερα στη σειρά.
Ταξινόμηση συστημάτων TOF
Τα συστήματα TOF κατηγοριοποιούνται κυρίως με βάση τις τεχνικές μέτρησης απόστασης που χρησιμοποιούν: άμεσο TOF (dTOF) και έμμεσο TOF (iTOF), το καθένα με ξεχωριστές προσεγγίσεις υλικού και αλγοριθμικής. Η σειρά αρχικά περιγράφει τις αρχές τους προτού εμβαθύνει σε μια συγκριτική ανάλυση των πλεονεκτημάτων, των προκλήσεων και των παραμέτρων του συστήματος.
Παρά την φαινομενικά απλή αρχή του TOF – εκπομπή ενός φωτεινού παλμού και ανίχνευση της επιστροφής του για τον υπολογισμό της απόστασης – η πολυπλοκότητα έγκειται στη διαφοροποίηση του φωτός που επιστρέφει από το φως του περιβάλλοντος. Αυτό αντιμετωπίζεται με την εκπομπή επαρκώς έντονου φωτός για την επίτευξη υψηλού λόγου σήματος προς θόρυβο και την επιλογή κατάλληλων μηκών κύματος για την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών από το φως του περιβάλλοντος. Μια άλλη προσέγγιση είναι η κωδικοποίηση του εκπεμπόμενου φωτός ώστε να είναι διακριτό κατά την επιστροφή του, παρόμοια με τα σήματα SOS με έναν φακό.
Η σειρά προχωρά στη σύγκριση του dTOF και του iTOF, συζητώντας λεπτομερώς τις διαφορές, τα πλεονεκτήματα και τις προκλήσεις τους, και κατηγοριοποιεί περαιτέρω τα συστήματα TOF με βάση την πολυπλοκότητα των πληροφοριών που παρέχουν, κυμαινόμενα από 1D TOF έως 3D TOF.
dTOF
Το άμεσο TOF μετρά άμεσα τον χρόνο πτήσης του φωτονίου. Το βασικό του στοιχείο, η δίοδος χιονοστιβάδας ενός φωτονίου (SPAD), είναι αρκετά ευαίσθητο ώστε να ανιχνεύει μεμονωμένα φωτόνια. Το dTOF χρησιμοποιεί την καταμέτρηση μεμονωμένων φωτονίων με συσχέτιση χρόνου (TCSPC) για να μετρήσει τον χρόνο άφιξης των φωτονίων, κατασκευάζοντας ένα ιστόγραμμα για να συμπεράνει την πιο πιθανή απόσταση με βάση την υψηλότερη συχνότητα μιας συγκεκριμένης χρονικής διαφοράς.
iTOF
Το έμμεσο TOF υπολογίζει τον χρόνο πτήσης με βάση τη διαφορά φάσης μεταξύ των εκπεμπόμενων και των λαμβανόμενων κυματομορφών, συνήθως χρησιμοποιώντας σήματα συνεχούς κύματος ή διαμόρφωσης παλμών. Το iTOF μπορεί να χρησιμοποιήσει τυπικές αρχιτεκτονικές αισθητήρων εικόνας, μετρώντας την ένταση του φωτός με την πάροδο του χρόνου.
Το iTOF υποδιαιρείται περαιτέρω σε συνεχή διαμόρφωση κύματος (CW-iTOF) και παλμική διαμόρφωση (Pulsed-iTOF). Το CW-iTOF μετρά τη μετατόπιση φάσης μεταξύ εκπεμπόμενων και ληφθέντων ημιτονοειδών κυμάτων, ενώ το Pulsed-iTOF υπολογίζει τη μετατόπιση φάσης χρησιμοποιώντας σήματα τετραγωνικού κύματος.
Περαιτέρω Ανάγνωση:
- Wikipedia. (ηδ.). Ώρα πτήσης. Ανακτήθηκε απόhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Ομάδα Λύσεων Ημιαγωγών Sony. (nd). ToF (Χρόνος Πτήσης) | Κοινή Τεχνολογία Αισθητήρων Εικόνας. Ανακτήθηκε απόhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 Φεβρουαρίου 2021). Εισαγωγή στο Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Ανακτήθηκε απόhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 Μαρτίου 2023). Αισθητήρες Χρόνου Πτήσης (TOF): Μια εις βάθος επισκόπηση και εφαρμογές. Ανακτήθηκε απόhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Από την ιστοσελίδαhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
από τον συγγραφέα: Chao Guang
Αρνηση:
Με την παρούσα δηλώνουμε ότι ορισμένες από τις εικόνες που εμφανίζονται στον ιστότοπό μας έχουν συλλεχθεί από το Διαδίκτυο και τη Wikipedia, με στόχο την προώθηση της εκπαίδευσης και την ανταλλαγή πληροφοριών. Σεβόμαστε τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας όλων των δημιουργών. Η χρήση αυτών των εικόνων δεν προορίζεται για εμπορικό κέρδος.
Εάν πιστεύετε ότι οποιοδήποτε από τα περιεχόμενα που χρησιμοποιούνται παραβιάζει τα πνευματικά σας δικαιώματα, επικοινωνήστε μαζί μας. Είμαστε πρόθυμοι να λάβουμε τα κατάλληλα μέτρα, συμπεριλαμβανομένης της αφαίρεσης εικόνων ή της παροχής κατάλληλης αναφοράς, για να διασφαλίσουμε τη συμμόρφωση με τους νόμους και τους κανονισμούς περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Στόχος μας είναι να διατηρήσουμε μια πλατφόρμα πλούσια σε περιεχόμενο, δίκαιη και να σέβεται τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας των άλλων.
Παρακαλούμε επικοινωνήστε μαζί μας στην ακόλουθη διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου:sales@lumispot.cnΔεσμευόμαστε να λάβουμε άμεσα μέτρα μόλις λάβουμε οποιαδήποτε ειδοποίηση και εγγυόμαστε 100% συνεργασία για την επίλυση τυχόν τέτοιων ζητημάτων.
Ώρα δημοσίευσης: 18 Δεκεμβρίου 2023