3D飛行時(shí)間技術(shù)在深度測(cè)量和物體檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用

飛行時(shí)間技術(shù)概述

飛行時(shí)間技術(shù)利用調(diào)制光源(如激光)主動(dòng)照射物體，然后利用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的傳感器捕捉反射光，即利用一對(duì)收發(fā)器之間數(shù)據(jù)信號(hào)的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的深度。

時(shí)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(cè)量時(shí)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(chǎng)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(cè)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(cè)量脈沖在發(fā)射和接收之間通過(guò)的時(shí)間。兩種測(cè)量模式各有利弊。

連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)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(hào)，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。

由于激光信號(hào)是周期性的，連續(xù)波系統(tǒng)測(cè)量中的任何相位測(cè)量都會(huì)每2重復(fù)一次，這意味著會(huì)有一個(gè)混疊距離。對(duì)于只有一個(gè)調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測(cè)量的距離。為了應(yīng)對(duì)這種限制，可以使用多個(gè)調(diào)制頻率來(lái)執(zhí)行相位展開(kāi)，其中如果具有不同調(diào)制頻率的兩個(gè)(或更多)相位測(cè)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(lái)減少多徑誤差——。多徑誤差是由一個(gè)物體的反射光撞擊另一個(gè)物體(或在透鏡內(nèi)反射)然后返回傳感器所引起的測(cè)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(hào)和激光信號(hào)會(huì)因溫度變化而相互偏移，但這種偏移只會(huì)影響測(cè)量距離，在整個(gè)距離范圍內(nèi)總會(huì)有偏移誤差，而深度線性度會(huì)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(gè)調(diào)制頻率下獲得四個(gè)相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來(lái)計(jì)算深度。長(zhǎng)曝光時(shí)間可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體幀速率或?qū)е逻\(yùn)動(dòng)模糊，因此只能在有限類(lèi)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(huì)超出應(yīng)用的要求。

對(duì)于測(cè)量距離較長(zhǎng)或環(huán)境光較強(qiáng)的場(chǎng)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(hào)可能會(huì)造成散熱和可靠性的問(wèn)題。

脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

脈沖系統(tǒng)通常依賴于在短時(shí)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(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)模糊的效果越小。

脈沖系統(tǒng)中信號(hào)的占空比通常比同級(jí)的連續(xù)波系統(tǒng)低很多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。

通過(guò)將脈沖組放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，可以避免來(lái)自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過(guò)協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)來(lái)為一幀中的激光脈沖選擇不同的位置，或者通過(guò)使用外部光電探測(cè)器來(lái)確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種方法是動(dòng)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(gè)系統(tǒng)之間的時(shí)序，但這種方法不能完全消除干擾。

由于脈沖時(shí)序和寬度不需要相同，可以采用不同的時(shí)序方案來(lái)支持更寬的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)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(mén)的脈沖寬度需要保持相同，所以系統(tǒng)的時(shí)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(shí)必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動(dòng)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(shí)間技術(shù)可以在工業(yè)、制造和建筑過(guò)程中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定尺寸和分類(lèi)，幫助用戶解決相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題，在深度測(cè)量和物體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。