飞行时间传感器的工作原理及优缺点分析

来源:KY体育app最新版下载/MCU    发布时间:2024-11-24 09:04:49

  智能自动暗门便是这些令人兴奋的应用之一。想象一下,一部间谍电影中的主人公在走廊里,站在一个没有描述的花瓶旁边,做着一系列手势,试图打开一扇秘密的门。突然,打开了一扇隐藏的房门,里面装满了秘密情报。智能自动暗门仅使用一个,只允许知道站在那里(房间的特定部分)和秘密手势(若需要,可以多个)的人进入,从而保持安全。

  我们要如何集成ToF传感器,而这些令人兴奋的应用要说明呢?请继续阅读,以了解ToF传感器的工作原理、集成到特定应用中的方法,以及使用ToF传感器时应注意的事项。

  顾名思义,ToF传感器通过计算光(通常为红外,波长约为850nm)或发出的声音(超声波)“飞向”物体并反射回来所需的时间来测量距离。这些传感器的工作原理格外的简单。为便于理解,我们将重点讨论光学ToF传感器。

  ToF传感器能根据测量距离的方式分为两类:直接和间接。直接ToF传感器直接测量给定光脉冲被传感器传输、被目标反射并被探测器接收所需的时间。直接ToF传感器一般会用脉冲调制来测量距离。直接ToF传感器使用以下公式来计算距离:

  而间接ToF传感器测量的是脉冲之间的相对相位差。因此,借助经传感器发射、目标反射以及探测器接收的一系列脉冲,可以通过观察返回信号与发射信号的相位差来测量距离。间接ToF传感器一般会用连续波(CW)调制来测量距离。间接ToF传感器使用以下公式来计算距离:

  间接传感器适合用于手势识别等3D应用,而直接ToF传感器则更适合于快速测距应用。这些传感器的具体应用场合与工作原理息息相关。因此,了解ToF传感器如何工作有助于为应用选择正真适合的传感器。

  工作条件和环境是了解ToF传感器工作原理的关键。图1显示了ToF传感器光子的“寿命”,以及可能会产生噪声的理论位置。红色表示可能会产生噪声和/或影响系统最终性能的位置。在接收器处,由于光子“正确地”通过这一事件链时存在一个概率问题,因此只能收集到一小部分传输的光子。

  传输信号(光子)与目标的相互作用对于ToF传感器来说非常非常重要,因为光子可能具有漫反射、镜面反射和/或扩散反射的特性,并会被某些物体吸收或散射(图2)。例如,如果被测物表面粗糙(不规则的晶格排列),并且处于波长范围内,则主要会发生漫散射。光子与物体相互作用的方式将影响ToF传感器的实际在做的工作效果。

  图2:当与目标交互时,光可以几种不同的方式散射。(图源:Terabee)

  ToF传感器与结构光和立体视觉两种3D光学传感系统相比各有优势。表2和表3显示了ToF传感器的优缺点。

  ToF传感器与3D光学传感系统相比有很多明显的优势,但设计工程师在做决定时应考虑所有的可能性。表4显示了3D光学传感系统与ToF传感器相比,存在的优点和缺点(注意,存在例外情况)。

  对于爱好者来说,集成ToF传感器是一项相对简单的工作,因为大多数ToF传感器同时包含了所需的所有器件(发射器、接收器和处理器)。但是,对于不同的用途和应用场景,仍应谨慎操作。ToF传感器具有多种不同的配置,包括发射器设计、接收器设计和/或运行特性(如转向、旋转)。每个ToF传感器的设计和制造对其运行方式和性能起着非常非常重要的作用。

  校准是将ToF传感器集成到应用中时需要非常考虑的因素之一。对于最简单的距离测量,ToF传感器会出现的四类误差如图3所示:恒定偏移量、比例因子、测量精度/方差和饱和度。接下来,我们将重点介绍单个发射器和接收器(像素)。

  在工程和科学应用中,理解和校准误差源至关重要。首先,因为ToF传感器是光学传感器,所以其中也存在光学传感器常见的噪声源。我们一定要考虑固定模式噪声和ToF传感器焦平面阵列(FPA)内像素间的响应偏差。阵列中每个像素的响应灵敏性必须补偿到中等水准。另一种类型的固定模式噪声是暗电流及相应的散粒噪声。ToF传感器即使未启动,仍然会出现噪声,必须对此进行补偿,以减少FPA读数出现偏差。通常,传感器的带隙与暗电流噪声成反比。随着带隙减小,暗电流噪声通常会增大。

  为了补偿固定模式噪声,可以执行非均匀性校正(NUC)。该过程需要在不同的积分时间测量阵列,并将响应拟合到已知模型中。必须对每个像素进行校正和对齐,以便为固定输入提供均匀的输出。以其他传感器为例,如果正确执行NUC,将产生类似于图4所示的结果。

  图4:此图显示了校正红外传感器的NUC过程示例。对于3D传感应用来说,校准是实现良好效果所必需的操作。(图源:)

  此外,还需考虑别的系统噪声,包括热噪声、量化噪声(模数转换器)、闪烁噪声、KTC噪声和串扰。由于探测器的响应也受温度影响,所以应格外的注意热噪声。测距结果将随气温变化而漂移,并产生偏移。这种温度漂移不是物体的特性,而是与延迟锁定环的相位测量有关。

  影响ToF传感器性能的环境噪声包括杂散光、光波阵面误差、多径以及由于物体反射率不均而产生的常规照明噪声。如在ToF传感器缺点的讨论中所述,ToF传感器存在应校正的伪影,例如运动伪影。运动伪影发生在物体边界和不均匀反射处,这些位置不匹配的原始相位值可能会发生波动。随着给定积分时间内运动速度的增加,运动伪影也会变得更严重。为了补偿运动伪影,能够使用流补偿等技术。这种补偿必须在传感器运行时进行,不能视为校准。

  在对ToF传感器有了一定认知后,我们大家可以从更高的角度来了解怎么样去使用ToF传感器进行目标跟踪。

  使用ToF传感器,首先要经过测量物体或场景多个点的范围来生成点云。根据ToF传感器返回或点云的密度和距离测量的精度,可以对传感器及其感测到的世界生成精确的3D视图。如果传感器视图里只有一个对象,则能够最终靠查看与场景别的部分的返回结果,即可轻松地跟踪对象。另一方面,如果场景杂乱,应用一些图像处理,便可以基于对象特征和深度的附加信息来跟踪对象。合适的ToF传感器能提供类似相机的“图像”,但具有额外的深度信息。

  对于相机分辨率过低且无法生成精确点云等类似情况,ToF传感器的分辨率最重要。如果范围不有代表性,且ToF传感器未经过校准,则物体会相互重叠,或墙壁等平坦表面看起来粗糙变形。

  ToF传感器不仅功能丰富,如果仔细检查,还会发现其拥有难以置信的深度。ToF传感器的使用和设计因发射器、探测器、光学阵列、处理技术和封装不同而异。在任何应用中都应考虑ToF传感器的噪声和误差;传感器用途不同,也会导致校准和误差校正的复杂度不同。归根结底,ToF传感器结构紧密相连,性能惊人,功能丰富,是一种经济高效的解决方案,可以帮你解决很多问题。

  Tenner Lee是机器学习/人工智能研发项目的技术负责人,在算法开发/设计、系统优化和算法测试/验证方面拥有15年的领导、开发、项目管理和咨询经验。他拥有电气工程研究生学位,在信号处理和电磁方面有一定的基础。

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