基于相位的ToF測距方法避免了背景光影響

最新的距離感測采用ToF

　　飛行時(shí)間(Time of Flight，簡(jiǎn)稱(chēng)ToF)測距方法屬于雙向測距技術(shù)，主要利用信號在兩個(gè)異步收發(fā)機之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測量節點(diǎn)間的距離，如圖1。

　　ToF測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在兩個(gè)異步收發(fā)機(Transceiver)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測量節點(diǎn)間的距離。傳統的測距技術(shù)分為雙向測距技術(shù)和單向測距技術(shù)。在信號電平比較好調制或在非視距視線(xiàn)環(huán)境下，基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指示)測距方法估算的結果比較理想;在視距視線(xiàn)環(huán)境下，基于ToF距離估算方法能夠彌補基于RSSI距離估算方法的不足。

　　ToF測距方法有兩個(gè)關(guān)鍵的約束：一是發(fā)送設備和接收設備必須始終同步;二是接收設備提供信號的傳輸時(shí)間的長(cháng)短。為了實(shí)現時(shí)鐘同步，ToF測距方法采用了時(shí)鐘偏移量來(lái)解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。Intersil最新的ToF信號處理IC——ISL29501方案就是典型的ToF方案，可用于所有光照條件，并且實(shí)現了小型化和電池應用的低功耗。因為Intersil專(zhuān)利的信號處理器技術(shù)使用了基于相位的ToF來(lái)應對檢測物體周?chē)沫h(huán)境光的影響(如圖2)。

ISL29501方案克服了背景光限制

　　Intersil在美國半導體廠(chǎng)商云集的“euroasia PRESS 1:1”會(huì )議上，公司移動(dòng)電源產(chǎn)品部高級副總裁Andrew Cowell登臺，介紹了在2000勒克斯(lx)的高照度下也能高精度測量距離的接近傳感器信號處理IC“ISL29501”。

　　在ISL29501上采用了根據射出光和反射光的相位差測量與對象物之間距離的技術(shù)。光源發(fā)出脈沖狀紅外光后，該紅外光被對象物反射，在利用光電二極管檢測的階段，脈沖的相位會(huì )延遲，因此利用IC內的DSP處理射出光及接收光的脈沖信號，從而計算出距離。

　　“利用相位差測距的技術(shù)歷史悠久，并不是只有英特矽爾利用該技術(shù)。但把該測距技術(shù)“以小封裝尺寸和低耗電量實(shí)現的只有我們”。Intersil移動(dòng)電源產(chǎn)品部高級副總裁Andrew Cowell稱(chēng)，他在美國半導體廠(chǎng)商云集的“euroasia PRESS 1:1”會(huì )議上指出： “ISL29501克服了基于振幅的傳統接近傳感器和其他ToF解決方案的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)包括在照度高于2000勒克斯的照明條件下性能不佳，以及在目標物與傳感器不垂直時(shí)無(wú)法提供距離信息。而之前傳統的替代解決方案則對小型電池供電的應用顯得過(guò)于昂貴、笨重或耗電厲害?！?/p>

　　據稱(chēng)在0.1～2m的范圍內，該方案能以±20mm的精度測量距離。主要用于移動(dòng)產(chǎn)品，適合用于智能手機攝像頭功能的自動(dòng)對焦及無(wú)人機躲避障礙物使用的傳感器等。

　　Intersil的ToF感測系統的元件框圖如圖3所示。光源采用LED或VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。光傳感器是光電二極管。光路采用玻璃蓋、光圈和孔徑等。驅動(dòng)器電子方面，發(fā)射器采用固定頻率和客戶(hù)定義的電流。

　　工作原理可參考圖1，感測和計算方面，探測發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的相位差，校準串擾和其他系統錯誤源，計算距離。傳感器工作在加權平均模式，這其中包括信號被接收到的是一個(gè)從所有觀(guān)測點(diǎn)反射的信號的平均值;這不是一個(gè)基于時(shí)間延遲的ToF傳感器——其弊端是會(huì )受到環(huán)境光的影響;它不是ToF多像素攝像頭技術(shù)。

　　ISL29501測量觀(guān)測目標的單個(gè)和多個(gè)目標的方法如圖4所示。對于單個(gè)目標：當主要的目標被探測到時(shí)測量距離。多個(gè)目標時(shí)，距離將在多個(gè)目標之間平均。

　　這是高可配置發(fā)感測系統，可以提供應用優(yōu)化。包括采樣波形的優(yōu)化;可編程性，能夠控制采樣和整合時(shí)間，定義系統的工作循環(huán)來(lái)達到合理的功耗和精確的目標探測，還有附加的工作模式，可以有連續模式，單個(gè)模式。再有，帶來(lái)系統視野內的探測，包括在一個(gè)用戶(hù)特殊范圍內的已有/沒(méi)有的目標，距離測量，測量目標距離，假定FoV中的一個(gè)主要目標。移動(dòng)探測，FoV(Field of View，視野)物體現在和移動(dòng)中。

　　“與本公司接近的A競爭公司的產(chǎn)品，測距范圍為10～150cm，耗電量高達150mW，IC的外形尺寸也要22mm×8mm×7.2mm。B競爭公司的產(chǎn)品雖然IC外形尺寸只有4.8mm×2.8mm×1mm，但測距范圍還不到30mm”Cowell稱(chēng)。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第78頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。