用于距離測量和物體檢測的飛行時間系統(tǒng)

距離測量和物體檢測在許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，無論是在工廠自動化、機器人應(yīng)用還是物流中。

特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人員進行檢測和響應(yīng)。例如，一旦工人進入其危險區(qū)域，機器人手臂可能需要立即停止。

飛行時間（ToF）為此變得越來越重要。使用ToF技術(shù)，光從調(diào)制源（例如激光）發(fā)射，然后由傳感器或相機捕獲從一個或多個物體反射的光束。因此，可以通過發(fā)射光和接收反射光之間的時間延遲?來確定距離。時間延遲與相機與物體之間距離的兩倍（往返）成正比。因此，距離可以估計為深度 d = （c × Δt）/2，其中 c 是光速。因此，ToF相機輸出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。無需逐行掃描或傳感器與被觀察物體之間的相對運動。ToF通常被歸類為LIDAR（光檢測和測距），但它是基于閃存LIDAR的方法，而不是掃描LIDAR。

使用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(shù)的脈沖操作和連續(xù)波（CW）操作。

光脈沖發(fā)射和接收之間的經(jīng)過時間是在脈沖模式下測量的，而發(fā)射和接收調(diào)制光脈沖之間的相移是在CW模式下確定的。兩種操作模式都有優(yōu)點和缺點。脈沖模式對環(huán)境光更魯棒，因此更適合戶外應(yīng)用，因為該技術(shù)通常依賴于在短積分窗口內(nèi)以非常短的脈沖發(fā)射的高能光脈沖。而CW模式可能更容易實現(xiàn)，因為光源不必非常短，具有快速上升/下降沿。但是，如果精度要求變得更加嚴(yán)格，則需要更高頻率的調(diào)制信號，并且可能難以實現(xiàn)。

現(xiàn)有的像素尺寸可實現(xiàn)高芯片分辨率，不僅可以進行距離測量，還可以實現(xiàn)物體和手勢識別。要測量的距離范圍從幾厘米（《10厘米）到幾米（《15米）。

不幸的是，并非所有物體都能被檢測到相同的程度。物體的條件、反射率和速度會影響測量結(jié)果。

圖1.飛行時間測量原理。

圖2.ToF系統(tǒng)框圖。

測量結(jié)果也可能被霧或強烈陽光等環(huán)境因素所偽造。環(huán)境光抑制有助于后者。

ADI公司（ADI）等半導(dǎo)體制造商提供完整的3D ToF系統(tǒng)，以支持3D ToF解決方案的快速實施。它們將數(shù)據(jù)處理、激光驅(qū)動器、電源管理和軟件/固件集成到一個用于控制電子設(shè)備的單元中。其他組件包括發(fā)射調(diào)頻光信號的發(fā)射器和記錄反射信號的檢測器。框圖如圖2所示。

具有集成深度計算的模擬前端（AFE）等組件對想要構(gòu)建此類系統(tǒng)的任何人來說都有很大的幫助。其中，ADDI9036提供此功能。它是一款完整的 CCD ToF 信號處理器，具有集成半導(dǎo)體激光管驅(qū)動器、12 位 ADC 和高精度時鐘發(fā)生器，可為 CCD 和激光器生成時序。ADDI9036負責(zé)處理來自VGA CCD傳感器的原始圖像數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生深度/像素數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷