3D?ToF很火，兩種技術方案孰優(yōu)孰劣？最詳盡的分析來了~
時間：2021-08-18 10:19:16
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[導讀]3D飛行時間，或3DToF是一種無掃描儀LiDAR（光檢測和測距）技術，通過發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關場景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。飛行時間技術在深度測量和物體檢測的領域發(fā)揮著重要作用，如工廠自動化、機器人以及物流應用。特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人員進行...
3D飛行時間，或3D ToF是一種無掃描儀LiDAR（光檢測和測距）技術，通過發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關場景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。飛行時間技術在深度測量和物體檢測的領域發(fā)揮著重要作用，如工廠自動化、機器人以及物流應用。特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人員進行檢測和響應。例如一旦工人進入危險區(qū)域，機械臂可能需要立即停止。
飛行時間技術概述
飛行時間技術利用調(diào)制光源（例如激光）主動照射物體，然后用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數(shù)據(jù)信號在一對收發(fā)機之間往返的飛行時間來測量兩點間的深度。?如下圖所示，時間延遲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：簡單的飛行時間測量?目前有多種不同的測量時間延遲的方法，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）。
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對于對精度要求不高的應用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實現(xiàn)，因為它不要求激光脈沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當然在實際中很難復制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號，這實際上很難實現(xiàn)。?由于激光信號具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測量中的任何相位測量每隔2π會重復一次，意味著會產(chǎn)生一個混疊距離。對于只有一個調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測距離。為了應對這個限制，可以使用多個調(diào)制頻率來執(zhí)行相位展開，其中，如果兩個（或多個）具有不同調(diào)制頻率的相位測量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實深度。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物體的反射光擊中另一個物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時會導致的測量誤差。?連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號和激光信號會因為溫度變化彼此偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩(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調(diào)制頻率下獲得4個相關函數(shù)樣本，并使用多幀處理來計算深度。較長的曝光時間可能會限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\動模糊，因此只能在有限類型的應用中使用。這種更高的處理復雜性可能需要用到外部應用處理器，而這可能超出了應用的需求。對于更遠距離的測量或者更強環(huán)境光的場景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖系統(tǒng)相比）則十分必要，但這種高強度的連續(xù)光信號則可能導致散熱和可靠性的問題。?
脈沖系統(tǒng)通常依賴于在很短的時間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點：
脈沖系統(tǒng)中的信號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：
由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時序控制需要非常精確，根據(jù)應用需要，可能需要達到皮秒級精度。為了達到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動器需要實現(xiàn)非常快的上升/下降沿（<1ns）。與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準過程可能更為復雜，因為溫度的變化會影響單個脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會影響其線性度。
圖2：使用飛行時間測量進行人員分類和范圍檢測的圖像示例?在市場上，一些半導體制造商提供完整的3D飛行時間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時序發(fā)生器和電源管理等集成到一個具有可編程時序和 V 驅(qū)動器的 CCD 飛行時間信號處理器——ADDI9036.圖3 ADDI9036的3D 飛行時間解決方案
ToF解決方案的選擇
如果想搜尋一些與飛行時間相關的器件或開發(fā)資料，可以直接在Digi-Key的官網(wǎng)以“ 飛行時間 ”作為關鍵詞進行搜索。?圖4：在Digi-Key官網(wǎng)搜索ToF解決方案
?無論是搜索與飛行時間相關處理器的、評估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。
圖5：ADI的3D飛行時間評估板- AD-96TOF1-EBZ
本文小結(jié)
3D飛行時間技術在工業(yè)、制造和建筑過程中可以實時準確地確定尺寸并進行分類，幫助用戶解決相關應用領域中的難題，在深度測量和物體檢測領域中發(fā)揮著重要作用。
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飛行時間技術概述
飛行時間技術利用調(diào)制光源（例如激光）主動照射物體，然后用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數(shù)據(jù)信號在一對收發(fā)機之間往返的飛行時間來測量兩點間的深度。?如下圖所示，時間延遲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：簡單的飛行時間測量?目前有多種不同的測量時間延遲的方法，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)式是測量發(fā)射和接收之間脈沖經(jīng)過的時間，兩者測量模式都各有優(yōu)點和缺點。?
- 連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點
對于對精度要求不高的應用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實現(xiàn)，因為它不要求激光脈沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當然在實際中很難復制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號，這實際上很難實現(xiàn)。?由于激光信號具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測量中的任何相位測量每隔2π會重復一次，意味著會產(chǎn)生一個混疊距離。對于只有一個調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測距離。為了應對這個限制，可以使用多個調(diào)制頻率來執(zhí)行相位展開，其中，如果兩個（或多個）具有不同調(diào)制頻率的相位測量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實深度。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物體的反射光擊中另一個物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時會導致的測量誤差。?連續(xù)波系統(tǒng)的溫度校準可能比脈沖系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號和激光信號會因為溫度變化彼此偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩(wěn)定。?
- 連續(xù)波系統(tǒng)的缺點
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調(diào)制頻率下獲得4個相關函數(shù)樣本，并使用多幀處理來計算深度。較長的曝光時間可能會限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\動模糊，因此只能在有限類型的應用中使用。這種更高的處理復雜性可能需要用到外部應用處理器，而這可能超出了應用的需求。對于更遠距離的測量或者更強環(huán)境光的場景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖系統(tǒng)相比）則十分必要，但這種高強度的連續(xù)光信號則可能導致散熱和可靠性的問題。?
- 脈沖系統(tǒng)的優(yōu)點
脈沖系統(tǒng)通常依賴于在很短的時間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點：
- 更加便于設計魯棒性強的系統(tǒng)，因此更適用于戶外。
- 曝光時間越短，運動模糊的效應越小。
脈沖系統(tǒng)中的信號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：
- 對于長期工作的應用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。
- 通過將脈沖群放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，從而避免來自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過協(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器來確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來實現(xiàn)。另一種方法是動態(tài)隨機排列脈沖群的位置，這樣就無需協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)之間的時序，但這種方法無法完全消除干擾。
- 脈沖系統(tǒng)的缺點
由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時序控制需要非常精確，根據(jù)應用需要，可能需要達到皮秒級精度。為了達到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動器需要實現(xiàn)非常快的上升/下降沿（<1ns）。與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準過程可能更為復雜，因為溫度的變化會影響單個脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會影響其線性度。
圖2：使用飛行時間測量進行人員分類和范圍檢測的圖像示例?在市場上，一些半導體制造商提供完整的3D飛行時間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時序發(fā)生器和電源管理等集成到一個具有可編程時序和 V 驅(qū)動器的 CCD 飛行時間信號處理器——ADDI9036.圖3 ADDI9036的3D 飛行時間解決方案
ToF解決方案的選擇
如果想搜尋一些與飛行時間相關的器件或開發(fā)資料，可以直接在Digi-Key的官網(wǎng)以“ 飛行時間 ”作為關鍵詞進行搜索。?圖4：在Digi-Key官網(wǎng)搜索ToF解決方案
?無論是搜索與飛行時間相關處理器的、評估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。
圖5：ADI的3D飛行時間評估板- AD-96TOF1-EBZ
本文小結(jié)
3D飛行時間技術在工業(yè)、制造和建筑過程中可以實時準確地確定尺寸并進行分類，幫助用戶解決相關應用領域中的難題，在深度測量和物體檢測領域中發(fā)揮著重要作用。
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