用于距離測量和目標檢測的飛行時間(ToF)系統

2021-10-29 12:33:05 來源:ADI
距離測量和目標檢測在許多領域發揮著重要作用,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)發射,光束經過一個或多個物體反射后由傳感器或攝像機捕獲。因此,可以通過發射光與接收發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數據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波(CW)操作模式。

在脈沖模式下測量光脈沖發射和接收之間經過的時間,在CW模式下測定發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缺點。脈沖模式更耐環境光,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出的高能光脈沖。而CW模式可能更容易實現,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。

現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系統功能框圖測量結果也可能因霧或強烈的陽光等環境因素而失真。環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,以支持快速實現3D ToF解決方案。他們將數據處理、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。其他組件包括發射調頻光信號的發射器和記錄反射信號的檢波器??驁D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生器。ADDI9036負責處理來自VGA CCD傳感器的原始圖像數據以生成深度/像素數據。ADI還與設計合作伙伴合作,可以共同提供成品模塊和開發平臺。這些評估系統可用于開發特定的客戶算法。成品模塊和平臺有助于加速開發,這在工業和汽車工程等時間緊迫的業務領域尤為重要。

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