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Diese Serie zielt darauf ab, den Lesern ein detailliertes und fortschreitendes Verständnis des TOF-Systems (Time of Flight) zu vermitteln. Der Inhalt deckt einen umfassenden Überblick über TOF -Systeme ab, einschließlich detaillierter Erklärungen sowohl für indirekte TOF (ITOF) als auch von Direct TOF (DTOF). Diese Abschnitte befassen sich mit Systemparametern, ihren Vor- und Nachteilen sowie verschiedenen Algorithmen. Der Artikel untersucht auch die verschiedenen Komponenten von TOF -Systemen, wie z.
Einführung in TOF (Zeit des Fluges)
Grundprinzipien
TOF, der für die Flugzeit steht, ist eine Methode, mit der die Entfernung durch Berechnung der Zeit, die für Licht benötigt wird, um eine bestimmte Entfernung in einem Medium zu bewegt, zu messen. Dieses Prinzip wird hauptsächlich in optischen TOF -Szenarien angewendet und ist relativ einfach. Der Prozess beinhaltet eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl ausstrahlt, wobei die Emissionszeit erfasst wird. Dieses Licht reflektiert dann ein Ziel, wird von einem Empfänger erfasst, und die Zeit des Empfangs wird festgestellt. Der als t bezeichnete Unterschied in diesen Zeiten bestimmt den Abstand (d = Lichtgeschwindigkeit (c) × t / 2).
Arten von TOF -Sensoren
Es gibt zwei primäre Arten von TOF -Sensoren: optisch und elektromagnetisch. Optische TOF -Sensoren, die häufiger sind, verwenden leichte Impulse, typischerweise im Infrarotbereich, für die Entfernungsmessung. Diese Impulse werden aus dem Sensor emittiert, von einem Objekt reflektiert und zum Sensor zurückkehren, wo die Reisezeit gemessen und zur Berechnung der Entfernung verwendet wird. Im Gegensatz dazu verwenden elektromagnetische TOF -Sensoren elektromagnetische Wellen wie Radar oder LiDAR, um den Abstand zu messen. Sie arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, verwenden jedoch ein anderes Medium fürEntfernungsmessung.
Anwendungen von TOF -Sensoren
TOF -Sensoren sind vielseitig und wurden in verschiedene Felder integriert:
Robotik:Wird zur Hinderniserkennung und -navigation verwendet. Beispielsweise verwenden Roboter wie Roomba und Boston Dynamics 'Atlas TOF -Tiefenkameras für die Zuordnung ihrer Umgebung und Planungsbewegungen.
Sicherheitssysteme:Häufige in Bewegungssensoren zum Erkennen von Eindringlingen, zum Auslösen von Alarmen oder zur Aktivierung von Kamerasystemen.
Automobilindustrie:In Fahrer-assistierende Systeme zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung und Kollisionsvermeidung eingebaut und in neuen Fahrzeugmodellen immer häufiger vorkommen.
Medizinisches Feld: In der nicht-invasiven Bildgebung und Diagnostik wie optische Kohärenztomographie (OCT) verwendet, die hochauflösende Gewebebilder erzeugen.
Unterhaltungselektronik: In Smartphones, Tablets und Laptops für Funktionen wie Gesichtserkennung, biometrische Authentifizierung und Gestenerkennung integriert.
Drohnen:Verwendet für Navigation, Kollisionsvermeidung und für die Beantwortung von Datenschutz- und Luftfahrtproblemen
TOF -Systemarchitektur
Ein typisches TOF -System besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, um die beschriebene Entfernungsmessung zu erreichen:
· Sender (TX):Dies beinhaltet eine Laserlichtquelle, hauptsächlich aVCSEL, ein Treiberkreis ASIC, um den Laser und optische Komponenten für die Strahlsteuerung wie Kollimierungslinsen oder diffraktive optische Elemente und Filter zu fahren.
· Empfänger (RX):Dies besteht aus Objektiven und Filtern am empfangenden Ende, Sensoren wie CIS, SPAD oder SIPM, abhängig vom TOF -System und einem Bildsignalprozessor (ISP) zur Verarbeitung großer Datenmengen aus dem Empfängerchip.
·Leistungsmanagement:Stall verwaltenDie Stromregelung für VCSELS und Hochspannung für SPADs ist entscheidend und erfordert ein robustes Stromverwaltung.
· Softwareschicht:Dies umfasst Firmware, SDK, Betriebssystem und Anwendungsschicht.
Die Architektur zeigt, wie ein Laserstrahl, der aus der VCSEL stammt und durch optische Komponenten modifiziert, durch den Raum steigt, ein Objekt reflektiert und zum Empfänger zurückkehrt. Die Zeitrafferberechnung in diesem Prozess zeigt Distanz- oder Tiefeninformationen. Diese Architektur bedeckt jedoch keine Geräuschpfade wie Sonnenlicht-induziertes Rauschen oder Multi-Pfad-Rauschen aus Reflexionen, die später in der Serie diskutiert werden.
Klassifizierung von TOF -Systemen
TOF -Systeme werden hauptsächlich anhand ihrer Entfernungsmessungstechniken kategorisiert: direkter TOF (DTOF) und indirekter TOF (ITOF), jeweils mit unterschiedlichen Hardware- und algorithmischen Ansätzen. Die Serie beschreibt ihre Prinzipien zunächst, bevor sie sich mit einer vergleichenden Analyse ihrer Vorteile, Herausforderungen und Systemparameter befassen.
Trotz des scheinbar einfachen Prinzips von TOF - Ausgabe eines leichten Impulses und Erkennung seiner Rückkehr zur Berechnung der Entfernung - liegt die Komplexität darin, das zurückkehrende Licht von Umgebungslicht zu unterscheiden. Dies wird angesprochen, indem ausreichend helles Licht ausgeht, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen und geeignete Wellenlängen auszuwählen, um die Interferenz von Umgebungslicht zu minimieren. Ein anderer Ansatz besteht darin, das emittierte Licht zu codieren, um es bei der Rückkehr unterscheidbar zu machen, ähnlich wie SOS -Signale mit einer Taschenlampe.
Die Serie vergleicht DTOF und ITOF, diskutieren ihre Unterschiede, Vorteile und Herausforderungen im Detail und kategorisiert TOF -Systeme weiter basierend auf der Komplexität der von ihnen bereitgestellten Informationen, die von 1D TOF bis 3D TOF reichen.
DTOF
Direct TOF misst die Flugzeit des Photons direkt. Die Schlüsselkomponente, die einzelne Photon -Avalanche -Diode (SPAD), ist empfindlich genug, um einzelne Photonen zu erkennen. DTOF verwendet zeitkorrelierte einzelne Photonenzählungen (TCSPC), um die Zeit der Photon -Ankünfte zu messen und ein Histogramm zu konstruieren, um den wahrscheinlichsten Abstand auf der Grundlage der höchsten Häufigkeit eines bestimmten Zeitunterschieds abzuleiten.
ITOF
Der indirekte TOF berechnet die Flugzeit basierend auf der Phasendifferenz zwischen emittierten und empfangenen Wellenformen, wobei die kontinuierlichen Wellen- oder Impulsmodulationssignale häufig verwendet werden. ITOF kann Standard -Bildsensorarchitekturen verwenden und die Lichtintensität über die Zeit messen.
ITOF wird weiter in die kontinuierliche Wellenmodulation (CW-ITOF) und die Impulsmodulation (pulsierend-itof) unterteilt. CW-ITOF misst die Phasenverschiebung zwischen emittierten und empfangenen sinusförmigen Wellen, während gepulster-itof die Phasenverschiebung unter Verwendung von Quadratwellensignalen berechnet.
Weiteres Lesen:
- Wikipedia. (ND). Flugzeit. Abgerufen vonhttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (ND). TOF (Flugzeit) | Gemeinsame Technologie von Bildsensoren. Abgerufen vonhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021, 4. Februar). Intro in die Microsoft Time of Flight (TOF) - Azure Tiefe Platform. Abgerufen vonhttps://devblogs.microsoft.com/azuredepth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- Escatec. (2023, 2. März). TOF-Sensoren (Zeit des Fluges (TOF): Ein ausführlicher Überblick und Anwendungen. Abgerufen vonhttps://www.esescatec.com/news/time-of-flightof-sensors-an-in-in-pth-overview-and-applications
Von der Webseitehttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/
vom Autor: Chao Guang
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Postzeit: Dec-18-2023