3D?ToF很火，兩種技術(shù)方案孰優(yōu)孰劣？最詳盡的分析來(lái)了~
時(shí)間：2021-08-18 10:19:16
手機(jī)看文章
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
[導(dǎo)讀]3D飛行時(shí)間，或3DToF是一種無(wú)掃描儀LiDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）技術(shù)，通過(guò)發(fā)射納秒級(jí)的高功率光脈沖來(lái)捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。飛行時(shí)間技術(shù)在深度測(cè)量和物體檢測(cè)的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如工廠(chǎng)自動(dòng)化、機(jī)器人以及物流應(yīng)用。特別是在安全方面，需要對(duì)特定距離的物體或人員進(jìn)行...
3D飛行時(shí)間，或3D ToF是一種無(wú)掃描儀LiDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）技術(shù)，通過(guò)發(fā)射納秒級(jí)的高功率光脈沖來(lái)捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。飛行時(shí)間技術(shù)在深度測(cè)量和物體檢測(cè)的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，如工廠(chǎng)自動(dòng)化、機(jī)器人以及物流應(yīng)用。特別是在安全方面，需要對(duì)特定距離的物體或人員進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)。例如一旦工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，機(jī)械臂可能需要立即停止。
飛行時(shí)間技術(shù)概述
飛行時(shí)間技術(shù)利用調(diào)制光源（例如激光）主動(dòng)照射物體，然后用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的深度。?如下圖所示，時(shí)間延遲ΔT與發(fā)射端和物體之間的兩倍深度（往返）成正比；因此，深度(d) 可以估算為 d= (cΔT)/2，其中c表示光速。
?圖1：簡(jiǎn)單的飛行時(shí)間測(cè)量?目前有多種不同的測(cè)量時(shí)間延遲的方法，其中兩種最為常用：連續(xù)波(CW)方法和脈沖方法。值得注意的是，目前在市面上使用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。
?
對(duì)于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗灰蠹す饷}沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當(dāng)然在實(shí)際中很難復(fù)制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴(yán)格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號(hào)，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。?由于激光信號(hào)具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測(cè)量中的任何相位測(cè)量每隔2π會(huì)重復(fù)一次，意味著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)混疊距離。對(duì)于只有一個(gè)調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測(cè)距離。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)限制，可以使用多個(gè)調(diào)制頻率來(lái)執(zhí)行相位展開(kāi)，其中，如果兩個(gè)（或多個(gè)）具有不同調(diào)制頻率的相位測(cè)量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實(shí)深度。這種多重調(diào)制頻率方案也可以用于減少多路徑誤差——多路徑誤差是由于一個(gè)物體的反射光擊中另一個(gè)物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。?連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號(hào)和激光信號(hào)會(huì)因?yàn)闇囟茸兓舜似?，但這種偏移只會(huì)影響測(cè)量距離，在整個(gè)距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線(xiàn)性度則基本保持穩(wěn)定。?
雖然與其他傳感器相比，CMOS傳感器具有更高的輸出數(shù)據(jù)速率，但連續(xù)波傳感器需要在多個(gè)調(diào)制頻率下獲得4個(gè)相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來(lái)計(jì)算深度。較長(zhǎng)的曝光時(shí)間可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\(yùn)動(dòng)模糊，因此只能在有限類(lèi)型的應(yīng)用中使用。這種更高的處理復(fù)雜性可能需要用到外部應(yīng)用處理器，而這可能超出了應(yīng)用的需求。對(duì)于更遠(yuǎn)距離的測(cè)量或者更強(qiáng)環(huán)境光的場(chǎng)景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖系統(tǒng)相比）則十分必要，但這種高強(qiáng)度的連續(xù)光信號(hào)則可能導(dǎo)致散熱和可靠性的問(wèn)題。?
脈沖系統(tǒng)通常依賴(lài)于在很短的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
脈沖系統(tǒng)中的信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波系統(tǒng)要低得多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：
由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門(mén)的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時(shí)序控制需要非常精確，根據(jù)應(yīng)用需要，可能需要達(dá)到皮秒級(jí)精度。為了達(dá)到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時(shí)必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)非常快的上升/下降沿（<1ns）。與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準(zhǔn)過(guò)程可能更為復(fù)雜，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響單個(gè)脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會(huì)影響其線(xiàn)性度。
圖2：使用飛行時(shí)間測(cè)量進(jìn)行人員分類(lèi)和范圍檢測(cè)的圖像示例?在市場(chǎng)上，一些半導(dǎo)體制造商提供完整的3D飛行時(shí)間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時(shí)序發(fā)生器和電源管理等集成到一個(gè)具有可編程時(shí)序和 V 驅(qū)動(dòng)器的 CCD 飛行時(shí)間信號(hào)處理器——ADDI9036.圖3 ADDI9036的3D 飛行時(shí)間解決方案
ToF解決方案的選擇
如果想搜尋一些與飛行時(shí)間相關(guān)的器件或開(kāi)發(fā)資料，可以直接在Digi-Key的官網(wǎng)以“ 飛行時(shí)間 ”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索。?圖4：在Digi-Key官網(wǎng)搜索ToF解決方案
?無(wú)論是搜索與飛行時(shí)間相關(guān)處理器的、評(píng)估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。
圖5：ADI的3D飛行時(shí)間評(píng)估板- AD-96TOF1-EBZ
本文小結(jié)
3D飛行時(shí)間技術(shù)在工業(yè)、制造和建筑過(guò)程中可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定尺寸并進(jìn)行分類(lèi)，幫助用戶(hù)解決相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中的難題，在深度測(cè)量和物體檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。
更多有關(guān)3D飛行時(shí)間技術(shù)的文章, 請(qǐng)點(diǎn)擊以下鏈接，也歡迎大家在文末留言討論。
好東西，要分享順便賺積分！如果小伙伴覺(jué)得這個(gè)內(nèi)容不錯(cuò)
請(qǐng)轉(zhuǎn)發(fā)或分享到朋友圈
DK會(huì)員中心
福利多你，加入了沒(méi)?
積分可兌換各種好禮快到「會(huì)員權(quán)益」頁(yè)面看看！
如有任何問(wèn)題, 歡迎聯(lián)系得捷電子Digi-Key的客服團(tuán)隊(duì)
中國(guó)（人民幣）客服???400-920-1199???service.sh@digikey.com???QQ在線(xiàn)實(shí)時(shí)咨詢(xún) | QQ號(hào)：4009201199
中國(guó)（美金）/香港客服
???400-882-4440???8523104-0500???china.support@digikey.com
到微信搜尋“ digikey”或“得捷電子”關(guān)注我們官方微信并登記成會(huì)員，每周接收工程師秘技，賺積分，換禮品，享福利
↙點(diǎn)擊下方“閱讀原文”查看更多讓我知道你在看喲?
飛行時(shí)間技術(shù)概述
飛行時(shí)間技術(shù)利用調(diào)制光源（例如激光）主動(dòng)照射物體，然后用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數(shù)據(jù)信號(hào)在一對(duì)收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的深度。?如下圖所示，時(shí)間延遲ΔT與發(fā)射端和物體之間的兩倍深度（往返）成正比；因此，深度(d) 可以估算為 d= (cΔT)/2，其中c表示光速。
?圖1：簡(jiǎn)單的飛行時(shí)間測(cè)量?目前有多種不同的測(cè)量時(shí)間延遲的方法，其中兩種最為常用：連續(xù)波(CW)方法和脈沖方法。值得注意的是，目前在市面上使用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。
連續(xù)波與脈沖系統(tǒng)的優(yōu)劣比較
?連續(xù)波系統(tǒng)是測(cè)量發(fā)射和接收的調(diào)制脈沖之間的相移，而脈沖系統(tǒng)式是測(cè)量發(fā)射和接收之間脈沖經(jīng)過(guò)的時(shí)間，兩者測(cè)量模式都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。?
- 連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
對(duì)于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗灰蠹す饷}沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當(dāng)然在實(shí)際中很難復(fù)制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴(yán)格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號(hào)，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。?由于激光信號(hào)具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測(cè)量中的任何相位測(cè)量每隔2π會(huì)重復(fù)一次，意味著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)混疊距離。對(duì)于只有一個(gè)調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測(cè)距離。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)限制，可以使用多個(gè)調(diào)制頻率來(lái)執(zhí)行相位展開(kāi)，其中，如果兩個(gè)（或多個(gè)）具有不同調(diào)制頻率的相位測(cè)量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實(shí)深度。這種多重調(diào)制頻率方案也可以用于減少多路徑誤差——多路徑誤差是由于一個(gè)物體的反射光擊中另一個(gè)物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。?連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號(hào)和激光信號(hào)會(huì)因?yàn)闇囟茸兓舜似?，但這種偏移只會(huì)影響測(cè)量距離，在整個(gè)距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線(xiàn)性度則基本保持穩(wěn)定。?
- 連續(xù)波系統(tǒng)的缺點(diǎn)
雖然與其他傳感器相比，CMOS傳感器具有更高的輸出數(shù)據(jù)速率，但連續(xù)波傳感器需要在多個(gè)調(diào)制頻率下獲得4個(gè)相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來(lái)計(jì)算深度。較長(zhǎng)的曝光時(shí)間可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\(yùn)動(dòng)模糊，因此只能在有限類(lèi)型的應(yīng)用中使用。這種更高的處理復(fù)雜性可能需要用到外部應(yīng)用處理器，而這可能超出了應(yīng)用的需求。對(duì)于更遠(yuǎn)距離的測(cè)量或者更強(qiáng)環(huán)境光的場(chǎng)景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖系統(tǒng)相比）則十分必要，但這種高強(qiáng)度的連續(xù)光信號(hào)則可能導(dǎo)致散熱和可靠性的問(wèn)題。?
- 脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
脈沖系統(tǒng)通常依賴(lài)于在很短的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
- 更加便于設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)，因此更適用于戶(hù)外。
- 曝光時(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)模糊的效應(yīng)越小。
脈沖系統(tǒng)中的信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波系統(tǒng)要低得多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：
- 對(duì)于長(zhǎng)期工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。
- 通過(guò)將脈沖群放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，從而避免來(lái)自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過(guò)協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)在一幀中為激光脈沖選擇不同的位置，或者使用外部光電探測(cè)器來(lái)確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種方法是動(dòng)態(tài)隨機(jī)排列脈沖群的位置，這樣就無(wú)需協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)之間的時(shí)序，但這種方法無(wú)法完全消除干擾。
- 脈沖系統(tǒng)的缺點(diǎn)
由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門(mén)的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時(shí)序控制需要非常精確，根據(jù)應(yīng)用需要，可能需要達(dá)到皮秒級(jí)精度。為了達(dá)到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時(shí)必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)非常快的上升/下降沿（<1ns）。與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準(zhǔn)過(guò)程可能更為復(fù)雜，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響單個(gè)脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會(huì)影響其線(xiàn)性度。
圖2：使用飛行時(shí)間測(cè)量進(jìn)行人員分類(lèi)和范圍檢測(cè)的圖像示例?在市場(chǎng)上，一些半導(dǎo)體制造商提供完整的3D飛行時(shí)間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時(shí)序發(fā)生器和電源管理等集成到一個(gè)具有可編程時(shí)序和 V 驅(qū)動(dòng)器的 CCD 飛行時(shí)間信號(hào)處理器——ADDI9036.圖3 ADDI9036的3D 飛行時(shí)間解決方案
ToF解決方案的選擇
如果想搜尋一些與飛行時(shí)間相關(guān)的器件或開(kāi)發(fā)資料，可以直接在Digi-Key的官網(wǎng)以“ 飛行時(shí)間 ”作為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索。?圖4：在Digi-Key官網(wǎng)搜索ToF解決方案
?無(wú)論是搜索與飛行時(shí)間相關(guān)處理器的、評(píng)估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。
圖5：ADI的3D飛行時(shí)間評(píng)估板- AD-96TOF1-EBZ
本文小結(jié)
3D飛行時(shí)間技術(shù)在工業(yè)、制造和建筑過(guò)程中可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定尺寸并進(jìn)行分類(lèi)，幫助用戶(hù)解決相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中的難題，在深度測(cè)量和物體檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。
更多有關(guān)3D飛行時(shí)間技術(shù)的文章, 請(qǐng)點(diǎn)擊以下鏈接，也歡迎大家在文末留言討論。
- 3D飛行時(shí)間應(yīng)用快速入門(mén)
- 簡(jiǎn)化ToF渡越時(shí)間法距離測(cè)量
- ToF傳感器提供精確距離感測(cè)
- ADI的3D飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)
好東西，要分享順便賺積分！如果小伙伴覺(jué)得這個(gè)內(nèi)容不錯(cuò)
請(qǐng)轉(zhuǎn)發(fā)或分享到朋友圈
DK會(huì)員中心
福利多你，加入了沒(méi)?
積分可兌換各種好禮快到「會(huì)員權(quán)益」頁(yè)面看看！
如有任何問(wèn)題, 歡迎聯(lián)系得捷電子Digi-Key的客服團(tuán)隊(duì)
中國(guó)（人民幣）客服???400-920-1199???service.sh@digikey.com???QQ在線(xiàn)實(shí)時(shí)咨詢(xún) | QQ號(hào)：4009201199
中國(guó)（美金）/香港客服
???400-882-4440???8523104-0500???china.support@digikey.com
到微信搜尋“ digikey”或“得捷電子”關(guān)注我們官方微信并登記成會(huì)員，每周接收工程師秘技，賺積分，換禮品，享福利
↙點(diǎn)擊下方“閱讀原文”查看更多讓我知道你在看喲?
下載文檔
