用于距離測量和目標檢測的飛行時間系統(tǒng)

作者：ADI公司 Thomas Brand，高級現(xiàn)場應用工程師

距離測量和目標檢測在許多領域發(fā)揮著重要作用，包括工廠自動化、機器人應用和物流。特別是在安全應用領域，需要對特定距離的物體或人員進行檢測和響應。例如，一旦工人進入危險區(qū)域，機械臂就可能需要立即停止操作。

因此，飛行時間(ToF)變得越來越重要。使用ToF技術，光從調制光源（如激光）發(fā)射，光束經(jīng)過一個或多個物體反射后由傳感器或攝像機捕獲。因此，可以通過發(fā)射光與接收發(fā)射光之間的時間延遲?T來確定距離。時間延遲與攝像機和物體之間的兩倍距離（往返）成正比。所以，距離可估算為深度d = (c × Δt)/2，其中c表示光速。ToF攝像機輸出2D數(shù)據(jù)以及所需的深度信息。

ToF允許一次記錄整個圖像。不需要逐行掃描，也不需要傳感器和被觀察物體之間的相對運動。ToF通常劃歸為LIDAR（光探測和測距），但它實際上是基于flash LIDAR的方法，而不是掃描LIDAR。

利用ToF測量光脈沖的飛行時間基本上有兩種不同的方法：基于電荷耦合器件(CCD)技術的脈沖操作模式和連續(xù)波(CW)操作模式。

在脈沖模式下測量光脈沖發(fā)射和接收之間經(jīng)過的時間，在CW模式下測定發(fā)射和接收調制光脈沖之間的相移。這兩種操作模式都各有優(yōu)缺點。脈沖模式更耐環(huán)境光，因此更有利于戶外應用，因為該技術通常依賴短集成窗口在很短的時間內發(fā)出的高能光脈沖。而CW模式可能更容易實現(xiàn)，因為光源不必很短，且具有上升/下降沿。但是，如果精度要求變得更嚴格，那么將需要更高頻率的調制信號，這可能很難實現(xiàn)。

現(xiàn)有的像素大小使得芯片分辨率很高，不僅支持距離測量，也支持物體和手勢識別。測量距離從幾厘米（<10厘米）到幾米（<15米）不等。

遺憾的是，并非所有物體都能同樣探測到。物體的狀況、反射率和速度都會影響測量結果。

圖1.飛行時間測量原理

圖2.ToF系統(tǒng)功能框圖

測量結果也可能因霧或強烈的陽光等環(huán)境因素而失真。環(huán)境光抑制有助于解決強烈的陽光導致的失真問題。

ADI等半導體制造商提供完整的3D ToF系統(tǒng)，以支持快速實現(xiàn)3D ToF解決方案。他們將數(shù)據(jù)處理、激光驅動、電源管理和軟件/固件集成到一個電子控制單元中。其他組件包括發(fā)射調頻光信號的發(fā)射器和記錄反射信號的檢波器。框圖如圖2所示。

具有集成深度計算功能的模擬前端(AFE)等組件對于構建此類系統(tǒng)將會大有幫助。而ADDI9036就提供這一功能。它是一個完整的CCD ToF信號處理器，具有集成激光二極管驅動器、12位ADC，以及為CCD和激光器生成時序的高精度時鐘發(fā)生器。ADDI9036負責處理來自VGA CCD傳感器的原始圖像數(shù)據(jù)以生成深度/像素數(shù)據(jù)。

ADI還與設計合作伙伴合作，可以共同提供成品模塊和開發(fā)平臺。這些評估系統(tǒng)可用于開發(fā)特定的客戶算法。成品模塊和平臺有助于加速開發(fā)，這在工業(yè)和汽車工程等時間緊迫的業(yè)務領域尤為重要。

審核編輯：湯梓紅