用于距離測量和目標檢測的飛行時(shí)間系統

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

因此，飛行時(shí)間(ToF)變得越來(lái)越重要。使用ToF技術(shù)，光從調制光源（如激光）發(fā)射，光束經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)物體反射后由傳感器或攝像機捕獲。因此，可以通過(guò)發(fā)射光與接收發(fā)射光之間的時(shí)間延遲?T來(lái)確定距離。時(shí)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(gè)圖像。不需要逐行掃描，也不需要傳感器和被觀(guān)察物體之間的相對運動(dòng)。ToF通常劃歸為L(cháng)IDAR（光探測和測距），但它實(shí)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(shí)間基本上有兩種不同的方法：基于電荷耦合器件(CCD)技術(shù)的脈沖操作模式和連續波(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(guò)的時(shí)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(diǎn)。脈沖模式更耐環(huán)境光，因此更有利于戶(hù)外應用，因為該技術(shù)通常依賴(lài)短集成窗口在很短的時(shí)間內發(fā)出的高能光脈沖。而CW模式可能更容易實(shí)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(shí)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(huì )影響測量結果。

圖1 飛行時(shí)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(yáng)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(yáng)光導致的失真問(wèn)題。

ADI等半導體制造商提供完整的3D ToF系統，以支持快速實(shí)現3D ToF解決方案。他們將數據處理、激光驅動(dòng)、電源管理和軟件/固件集成到一個(gè)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?？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(lèi)系統將會(huì )大有幫助。而ADDI9036就提供這一功能。它是一個(gè)完整的CCD ToF信號處理器，具有集成激光二極管驅動(dòng)器、12位ADC，以及為CCD和激光器生成時(shí)序的高精度時(shí)鐘發(fā)生器。ADDI9036負責處理來(lái)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(kāi)發(fā)平臺。這些評估系統可用于開(kāi)發(fā)特定的客戶(hù)算法。成品模塊和平臺有助于加速開(kāi)發(fā)，這在工業(yè)和汽車(chē)工程等時(shí)間緊迫的業(yè)務(wù)領(lǐng)域尤為重要。

參考資料

利用ADI飛行時(shí)間技術(shù)實(shí)現3D成像。ADI公司，2020年。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。