Εγγραφείτε στα Social Media μας για άμεση δημοσίευση
Αυτή η σειρά στοχεύει να παρέχει στους αναγνώστες μια εις βάθος και προοδευτική κατανόηση του συστήματος Time of Flight (TOF). Το περιεχόμενο καλύπτει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των συστημάτων TOF, συμπεριλαμβανομένων λεπτομερών επεξηγήσεων τόσο του έμμεσου TOF (iTOF) όσο και του άμεσου TOF (dTOF). Αυτές οι ενότητες εξετάζουν τις παραμέτρους του συστήματος, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους, καθώς και διάφορους αλγόριθμους. Το άρθρο διερευνά επίσης τα διάφορα στοιχεία των συστημάτων TOF, όπως τα λέιζερ εκπομπών επιφανειών κάθετης κοιλότητας (VCSEL), τους φακούς μετάδοσης και λήψης, τους αισθητήρες λήψης όπως CIS, APD, SPAD, SiPM και κυκλώματα οδηγού όπως τα ASIC.
Εισαγωγή στο TOF (Ώρα πτήσης)
Βασικές Αρχές
Το TOF, που σημαίνει Time of Flight, είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης υπολογίζοντας το χρόνο που χρειάζεται για να διανύσει το φως μια συγκεκριμένη απόσταση σε ένα μέσο. Αυτή η αρχή εφαρμόζεται κυρίως σε σενάρια οπτικών TOF και είναι σχετικά απλή. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια φωτεινή πηγή που εκπέμπει μια δέσμη φωτός, με καταγραφή του χρόνου εκπομπής. Αυτό το φως στη συνέχεια ανακλάται από έναν στόχο, συλλαμβάνεται από έναν δέκτη και σημειώνεται η ώρα λήψης. Η διαφορά σε αυτούς τους χρόνους, που συμβολίζεται 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 παλμούς φωτός, συνήθως στην περιοχή υπέρυθρων, για τη μέτρηση της απόστασης. Αυτοί οι παλμοί εκπέμπονται από τον αισθητήρα, αντανακλούν ένα αντικείμενο και επιστρέφουν στον αισθητήρα, όπου μετράται 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 γιαμέτρηση απόστασης.
Εφαρμογές αισθητήρων ToF
Οι αισθητήρες ToF είναι ευέλικτοι και έχουν ενσωματωθεί σε διάφορα πεδία:
Ρομποτική:Χρησιμοποιείται για ανίχνευση εμποδίων και πλοήγηση. Για παράδειγμα, ρομπότ όπως το Roomba και ο Atlas της Boston Dynamics χρησιμοποιούν κάμερες βάθους ToF για τη χαρτογράφηση του περιβάλλοντός τους και τον σχεδιασμό κινήσεων.
Συστήματα Ασφαλείας:Κοινοί αισθητήρες κίνησης για τον εντοπισμό εισβολέων, την ενεργοποίηση συναγερμών ή την ενεργοποίηση συστημάτων κάμερας.
Αυτοκινητοβιομηχανία:Ενσωματώνεται σε συστήματα υποβοήθησης οδηγού για προσαρμοστικό cruise control και αποφυγή σύγκρουσης, και γίνεται όλο και πιο διαδεδομένο στα νέα μοντέλα οχημάτων.
Ιατρικό Πεδίο: Χρησιμοποιείται στη μη επεμβατική απεικόνιση και διαγνωστική, όπως η οπτική τομογραφία συνοχής (OCT), για την παραγωγή εικόνων ιστού υψηλής ανάλυσης.
Καταναλωτικά Ηλεκτρονικά: Ενσωματώνεται σε smartphone, tablet και φορητούς υπολογιστές για λειτουργίες όπως η αναγνώριση προσώπου, ο βιομετρικός έλεγχος ταυτότητας και η αναγνώριση χειρονομιών.
Drones:Χρησιμοποιείται για την πλοήγηση, την αποφυγή σύγκρουσης και για την αντιμετώπιση προβλημάτων ιδιωτικού απορρήτου και αεροπορίας
Αρχιτεκτονική Συστήματος TOF
Ένα τυπικό σύστημα TOF αποτελείται από πολλά βασικά στοιχεία για την επίτευξη της μέτρησης της απόστασης όπως περιγράφεται:
· Πομπός (Tx):Αυτό περιλαμβάνει μια πηγή φωτός λέιζερ, κυρίως αVCSEL, ένα κύκλωμα οδήγησης ASIC για την οδήγηση του λέιζερ και οπτικά εξαρτήματα για τον έλεγχο της δέσμης, όπως φακοί ευθυγράμμισης ή διαθλαστικά οπτικά στοιχεία και φίλτρα.
· Δέκτης (Rx):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:Διαχειριστική σταθερήΟ έλεγχος ρεύματος για τα VCSEL και η υψηλή τάση για τα SPAD είναι ζωτικής σημασίας, καθώς απαιτεί ισχυρή διαχείριση ισχύος.
· Επίπεδο λογισμικού:Αυτό περιλαμβάνει υλικολογισμικό, SDK, λειτουργικό σύστημα και επίπεδο εφαρμογής.
Η αρχιτεκτονική δείχνει πώς μια δέσμη λέιζερ, που προέρχεται από το VCSEL και τροποποιείται από οπτικά στοιχεία, ταξιδεύει στο διάστημα, ανακλάται από ένα αντικείμενο και επιστρέφει στον δέκτη. Ο υπολογισμός χρονικής καθυστέρησης σε αυτή τη διαδικασία αποκαλύπτει πληροφορίες απόστασης ή βάθους. Ωστόσο, αυτή η αρχιτεκτονική δεν καλύπτει διαδρομές θορύβου, όπως θόρυβο που προκαλείται από το φως του ήλιου ή θόρυβο πολλαπλών διαδρομών από αντανακλάσεις, που θα συζητηθούν αργότερα στη σειρά.
Ταξινόμηση Συστημάτων TOF
Τα συστήματα TOF κατηγοριοποιούνται κυρίως από τις τεχνικές μέτρησης απόστασης: άμεσο TOF (dTOF) και έμμεσο TOF (iTOF), το καθένα με ξεχωριστό υλικό και αλγοριθμικές προσεγγίσεις. Η σειρά περιγράφει αρχικά τις αρχές τους πριν εμβαθύνει σε μια συγκριτική ανάλυση των πλεονεκτημάτων, των προκλήσεων και των παραμέτρων του συστήματος.
Παρά τη φαινομενικά απλή αρχή του TOF – η εκπομπή ενός παλμού φωτός και η 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 φωτεινού φωτός για να επιτευχθεί υψηλός λόγος σήματος προς θόρυβο και επιλέγοντας κατάλληλα μήκη κύματος για την ελαχιστοποίηση της παρεμβολής φωτός στο περιβάλλον. Μια άλλη προσέγγιση είναι να κωδικοποιήσετε το εκπεμπόμενο φως για να το διακρίνει κατά την επιστροφή, παρόμοια με τα σήματα SOS με φακό.
Η σειρά προχωρά στη σύγκριση dTOF και iTOF, συζητώντας λεπτομερώς τις διαφορές, τα πλεονεκτήματα και τις προκλήσεις τους και περαιτέρω κατηγοριοποιεί τα συστήματα TOF με βάση την πολυπλοκότητα των πληροφοριών που παρέχουν, που κυμαίνονται από 1D TOF έως 3D TOF.
dTOF
Το Direct TOF μετρά απευθείας τον χρόνο πτήσης του φωτονίου. Το βασικό συστατικό του, η Single Photon Avalanche Diode (SPAD), είναι αρκετά ευαίσθητη ώστε να ανιχνεύει μεμονωμένα φωτόνια. Το dTOF χρησιμοποιεί Time Conrelated Single Photon Counting (TCSPC) για τη μέτρηση του χρόνου αφίξεων 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 εκπεμπόμενων και λαμβανόμενων κυματομορφών, συνήθως χρησιμοποιώντας σήματα συνεχούς κύματος ή διαμόρφωσης παλμού. Το iTOF μπορεί να χρησιμοποιήσει τυπικές αρχιτεκτονικές αισθητήρων εικόνας, μετρώντας την ένταση του φωτός με την πάροδο του χρόνου.
Το iTOF υποδιαιρείται περαιτέρω σε διαμόρφωση συνεχούς κύματος (CW-iTOF) και διαμόρφωση παλμού (Pulsed-iTOF). Το CW-iTOF μετρά τη μετατόπιση φάσης μεταξύ εκπεμπόμενων και λαμβανόμενων ημιτονοειδών κυμάτων, ενώ το Pulsed-iTOF υπολογίζει τη μετατόπιση φάσης χρησιμοποιώντας σήματα τετραγωνικών κυμάτων.
Περαιτέρω ανάγνωση:
- Βικιπαίδεια. (ν). Ώρα πτήσης. Ανακτήθηκε απόhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (ν). 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) - Azure Depth Platform. Ανακτήθηκε απόhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 Μαρτίου). Αισθητήρες Time of Flight (TOF): Μια σε 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 το παρόν 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 οποιοδήποτε από το περιεχόμενο που χρησιμοποιείται παραβιάζει τα πνευματικά σας δικαιώματα, επικοινωνήστε μαζί μας. Είμαστε περισσότερο από πρόθυμοι να λάβουμε τα κατάλληλα μέτρα, συμπεριλαμβανομένης της αφαίρεσης εικόνων ή της παροχής κατάλληλης απόδοσης, για να διασφαλίσουμε τη συμμόρφωση με τους νόμους και τους κανονισμούς περί 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 λάβουμε άμεσα μέτρα μόλις λάβουμε οποιαδήποτε ειδοποίηση και εγγυόμαστε 100% συνεργασία για την επίλυση τέτοιων ζητημάτων.
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-18-2023