Εγγραφείτε στα κοινωνικά μας μέσα για άμεση ανάρτηση
Αυτή η σειρά στοχεύει να παρέχει στους αναγνώστες ένα σε βάθος και προοδευτική κατανόηση του συστήματος Time of Flight (TOF). Το περιεχόμενο καλύπτει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των συστημάτων TOF, συμπεριλαμβανομένων λεπτομερών εξηγήσεων τόσο του έμμεσου TOF (ITOF) όσο και του Direct TOF (DTOF). Αυτά τα τμήματα βυθίζονται σε παραμέτρους του συστήματος, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και διάφορους αλγόριθμους. Το άρθρο διερευνά επίσης τα διάφορα συστατικά των συστημάτων TOF, όπως τα λέιζερ που εκπέμπουν επιφανειακή κοιλότητα (VCSEL), οι φακοί μετάδοσης και λήψης, που λαμβάνουν αισθητήρες όπως CIS, APD, SPAD, SIPM και κυκλώματα οδηγών όπως το ASICS.
Εισαγωγή στο TOF (χρόνος πτήσης)
Βασικές αρχές
Το TOF, που στέκεται για το χρόνο της πτήσης, είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης με τον υπολογισμό του χρόνου που χρειάζεται για το φως για να ταξιδέψει σε 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 την καταγραφή του χρόνου εκπομπής. Αυτό το φως στη συνέχεια αντανακλά έναν στόχο, συλλαμβάνεται από έναν δέκτη και σημειώνεται ο χρόνος της υποδοχής. Η διαφορά αυτών των χρόνων, που υποδηλώνεται ως t, καθορίζει την απόσταση (d = ταχύτητα φωτός (c) × t / 2).
Τύποι αισθητήρων TOF
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αισθητήρων TOF: οπτικοί και ηλεκτρομαγνητικοί. Οι οπτικοί αισθητήρες TOF, οι οποίοι είναι πιο συνηθισμένοι, χρησιμοποιούν φωτεινούς παλμούς, τυπικά στην υπέρυθρη περιοχή, για μέτρηση απόστασης. Αυτοί οι παλμοί εκπέμπονται από τον αισθητήρα, αντανακλούν ένα αντικείμενο και επιστρέφουν στον αισθητήρα, όπου ο χρόνος ταξιδιού μετράται και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της απόστασης. Αντίθετα, οι ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες TOF χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως το ραντάρ ή το lidar, για να μετρήσουν την απόσταση. Λειτουργούν με παρόμοια αρχή αλλά χρησιμοποιούν ένα διαφορετικό μέσο γιαμέτρηση απόστασης.
Εφαρμογές αισθητήρων TOF
Οι αισθητήρες TOF είναι ευέλικτοι και έχουν ενσωματωθεί σε διάφορους τομείς:
Ρομποτική:Που χρησιμοποιείται για ανίχνευση και πλοήγηση εμποδίων. Για παράδειγμα, ρομπότ όπως το Roomba και το Boston Dynamics Atlas χρησιμοποιούν κάμερες βάθους TOF για τη χαρτογράφηση του περιβάλλοντος και των κινήσεων σχεδιασμού τους.
Συστήματα ασφαλείας:Κοινές αισθητήρες κίνησης για την ανίχνευση εισβολέων, την ενεργοποίηση συναγερμών ή την ενεργοποίηση συστημάτων κάμερας.
Αυτοκινητοβιομηχανία:Ενσωματωμένα σε συστήματα υποβοήθησης οδηγού για προσαρμοστικό έλεγχο κρουαζιέρας και αποφυγή σύγκρουσης, καθιστώντας ολοένα και πιο επικρατέστερα σε νέα μοντέλα οχημάτων.
Ιατρικό πεδίο: Χρησιμοποιείται σε μη επεμβατική απεικόνιση και διάγνωση, όπως η τομογραφία οπτικής συνοχής (OCT), που παράγει εικόνες ιστών υψηλής ανάλυσης.
Ηλεκτρονικά καταναλωτικά: Ενσωματωμένα σε smartphones, tablet και φορητούς υπολογιστές για χαρακτηριστικά όπως η αναγνώριση του προσώπου, ο βιομετρικός έλεγχος ταυτότητας και η αναγνώριση χειρονομίας.
Drones:Χρησιμοποιείται για πλοήγηση, αποφυγή σύγκρουσης και για την αντιμετώπιση των ανησυχιών για την προστασία της ιδιωτικής ζωής και της αεροπορίας
Αρχιτεκτονική συστήματος TOF
Ένα τυπικό σύστημα TOF αποτελείται από διάφορα βασικά συστατικά για την επίτευξη της μέτρησης απόστασης όπως περιγράφεται:
· Πομπός (TX):Αυτό περιλαμβάνει μια πηγή φωτός λέιζερ, κυρίως αVCSEL, ένα κύκλωμα του οδηγού ASIC για να οδηγήσει το λέιζερ και οπτικά εξαρτήματα για έλεγχο δέσμης, όπως φακοί συσχέτισης ή διάθλημα οπτικά στοιχεία και φίλτρα.
· Δέκτης (RX):Αυτό αποτελείται από φακούς και φίλτρα στο τέλος 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 ισχύος:Διαχείριση σταθερούΟ τρέχων έλεγχος για VCSEL και η υψηλή τάση για τα SPAD είναι κρίσιμος, απαιτώντας ισχυρή διαχείριση ενέργειας.
· Στρώμα λογισμικού:Αυτό περιλαμβάνει το υλικολογισμικό, το SDK, το OS και το Layer Application.
Η αρχιτεκτονική καταδεικνύει πώς μια δέσμη λέιζερ, που προέρχεται από το VCSEL και τροποποιείται από οπτικά εξαρτήματα, ταξιδεύει μέσα από το διάστημα, αντανακλά ένα αντικείμενο και επιστρέφει στον δέκτη. Ο υπολογισμός του χρόνου σε αυτή τη διαδικασία αποκαλύπτει πληροφορίες απόστασης ή βάθους. Ωστόσο, αυτή η αρχιτεκτονική δεν καλύπτει διαδρομές θορύβου, όπως θόρυβο που προκαλείται από το ηλιακό φως ή θόρυβος πολλαπλών διαδρομών από αντανακλάσεις, οι οποίες συζητούνται αργότερα στη σειρά.
Ταξινόμηση συστημάτων TOF
Τα συστήματα TOF κατηγοριοποιούνται κυρίως από τις τεχνικές μέτρησης απόστασης: άμεση TOF (DTOF) και έμμεση TOF (ITOF), το καθένα με ξεχωριστό υλικό και αλγοριθμικές προσεγγίσεις. Η σειρά περιγράφει αρχικά τις αρχές τους πριν από την εκδήλωση σε μια συγκριτική ανάλυση των πλεονεκτημάτων, των προκλήσεων και των παραμέτρων του συστήματος.
Παρά την φαινομενικά απλή αρχή του TOF - εκπέμποντας έναν ελαφρύ παλμό και ανιχνεύοντας την επιστροφή του στον υπολογισμό της απόστασης - η πολυπλοκότητα έγκειται στη διαφοροποίηση του φωτός που επιστρέφει από το φως του περιβάλλοντος. Αυτό αντιμετωπίζεται με την εκπομπή επαρκώς φωτεινό φως για να επιτευχθεί υψηλός λόγος σήματος προς θόρυβο και επιλέγοντας τα κατάλληλα μήκη κύματος για την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών περιβαλλοντικού φωτός. Μια άλλη προσέγγιση είναι να κωδικοποιήσει το εκπεμπόμενο φως για να γίνει διακριτή μετά την επιστροφή, παρόμοια με τα σήματα SOS με 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, που κυμαίνονται από 1D TOF έως 3D TOF.
dtof
Το Direct TOF μετρά άμεσα τον χρόνο πτήσης του φωτονίου. Το βασικό στοιχείο του, η δίοδος μονής φωτονίου χιονοστιβάδας (SPAD), είναι αρκετά ευαίσθητη για να ανιχνεύσει μεμονωμένα φωτόνια. Το DTOF χρησιμοποιεί το χρόνο συσχετισμένο μεμονωμένο μέτρηση φωτονίων (TCSPC) για τη μέτρηση του χρόνου των αφίξεων φωτονίων, κατασκευάζοντας ένα ιστόγραμμα για να συναχθεί την πιο πιθανή απόσταση με βάση την υψηλότερη συχνότητα μιας συγκεκριμένης χρονικής διαφοράς.
αυτό
Η έμμεση TOF υπολογίζει τον χρόνο πτήσης με βάση τη διαφορά φάσης μεταξύ των εκπεμπόμενων και των ληφθέντων κυματομορφών, χρησιμοποιώντας συνήθως σήματα διαμόρφωσης συνεχούς κύματος ή παλμού. Το ITOF μπορεί να χρησιμοποιήσει τις τυπικές αρχιτεκτονικές αισθητήρων εικόνων, μετρώντας την ένταση του φωτός με την πάροδο του χρόνου.
Το ITOF υποδιαιρείται περαιτέρω σε διαμόρφωση συνεχούς κύματος (CW-UTOF) και διαμόρφωση παλμών (παλμικό-UTOF). Το CW-UTOF μετρά τη μετατόπιση φάσης μεταξύ των εκπομπών και των ληφθέντων ημιτονοειδών κυμάτων, ενώ οι παλμοί υπολογίζει τη μετατόπιση φάσης χρησιμοποιώντας σήματα τετραγωνικών κυμάτων.
Futher Reading:
- Wikipedia. (nd). Ώρα πτήσης. Ανακτήθηκε απόhttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
- Ομάδα Sony Semiconductor Solutions. (nd). TOF (ώρα πτήσης) Κοινή τεχνολογία αισθητήρων εικόνας. Ανακτήθηκε απόhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021, 4 Φεβρουαρίου). Εισαγωγή στο Microsoft Time of Flight (TOF) - Πλατφόρμα βάθους Azure. Ανακτήθηκε απόhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- Escatec. (2023, 2 Μαρτίου). Χρόνος πτήσης (TOF) Αισθητήρες: μια σε βάθος επισκόπηση και εφαρμογές. Ανακτήθηκε απόhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-pplications
Από την ιστοσελίδαhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/
από τον συγγραφέα: Chao Guang
Αρνηση:
Δηλώνουμε ότι ορισμένες από τις εικόνες που εμφανίζονται στον ιστότοπό μας συλλέγονται από το Διαδίκτυο και τη Wikipedia, με στόχο την προώθηση της εκπαίδευσης και της ανταλλαγής πληροφοριών. Σεβόμαστε τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας όλων των δημιουργών. Η χρήση αυτών των εικόνων δεν προορίζεται για εμπορικό κέρδος.
Εάν πιστεύετε ότι κάποιο από τα χρησιμοποιούμενα περιεχόμενα παραβιάζει τα πνευματικά σας δικαιώματα, επικοινωνήστε μαζί μας. Είμαστε περισσότερο από πρόθυμοι να λάβουμε τα κατάλληλα μέτρα, συμπεριλαμβανομένης της κατάργησης εικόνων ή της παροχής της σωστής απόδοσης, για να διασφαλιστεί η συμμόρφωση με τους νόμους και τους κανονισμούς πνευματικής ιδιοκτησίας. Στόχος μας είναι να διατηρήσουμε μια πλατφόρμα που είναι πλούσια σε περιεχόμενο, δίκαιη και σέβεται τα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας των άλλων.
Επικοινωνήστε μαζί μας στην ακόλουθη διεύθυνση email:sales@lumispot.cn. Δεσμευόμαστε να αναλάβουμε άμεση δράση κατά τη λήψη οποιασδήποτε ειδοποίησης και εγγύηση 100% συνεργασίας για την επίλυση τέτοιων ζητημάτων.
Χρόνος δημοσίευσης: Δεκέμβριος-18-2023