飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器是具有多種功能的設(shè)備，如物體檢測(cè)、深度估計(jì)和物體分類(lèi)。具體應(yīng)用包括庫(kù)存管理/計(jì)數(shù)、人員跟蹤和停車(chē)監(jiān)控。除了這些有用但看似平凡的應(yīng)用外，ToF傳感器可以被整合并擴(kuò)展到更多獨(dú)特的應(yīng)用中。

這些令人興奮的應(yīng)用之一是智能自動(dòng)密門(mén)。想象一下，間諜電影中的主人公試圖通過(guò)站在走廊上的一個(gè)不顯眼的花瓶旁邊，同時(shí)做一系列手勢(shì)來(lái)打開(kāi)一扇秘密的門(mén)。突然間，一扇門(mén)打開(kāi)了，通向一個(gè)充滿秘密情報(bào)的隱蔽房間。只用一個(gè)ToF傳感器，智能自動(dòng)秘密門(mén)就能保持安全，只允許那些知道站在哪里（房間的特定部分）并知道做秘密手勢(shì)（如果需要，可以做多個(gè)）的人進(jìn)入。ToF傳感器的另一個(gè)應(yīng)用是運(yùn)動(dòng)中的姿勢(shì)或技術(shù)監(jiān)測(cè)。例如，一個(gè)ToF傳感器可以通過(guò)監(jiān)測(cè)高爾夫球手的姿勢(shì)來(lái)幫助完善他的技術(shù)。

我們?nèi)绾渭梢粋€(gè)ToF傳感器，以及這些令人興奮的應(yīng)用需要什么？請(qǐng)繼續(xù)閱讀，了解ToF傳感器的工作原理和如何將其集成到特定的應(yīng)用中，以及使用ToF傳感器時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

ToF傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

顧名思義，ToF傳感器利用光（一般是紅外線，約850納米）或發(fā)射的聲音（超聲波）"飛 "到物體上并反射的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。這些傳感器的工作原理極其簡(jiǎn)單。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，光學(xué)ToF傳感器將是我們唯一的重點(diǎn)。

根據(jù)其測(cè)量距離的方式，ToF傳感器可分為兩類(lèi)。直接和間接。直接ToF傳感器直接測(cè)量一個(gè)給定的光脈沖由傳感器傳輸，從感興趣的物體上反射，并在探測(cè)器上接收的時(shí)間。直接ToF傳感器通常發(fā)出脈沖調(diào)制來(lái)測(cè)量距離。對(duì)于直接對(duì)射式傳感器來(lái)說(shuō)，距離是通過(guò)以下公式測(cè)量的。

d = (c ? Δt) / 2

其中Δt為時(shí)差，

c是光速。

另一方面，間接 ToF 傳感器測(cè)量脈沖之間的相對(duì)相位差。因此，通過(guò)傳感器傳輸?shù)囊幌盗忻}沖，從感興趣的物體反射并在檢測(cè)器處接收，可以通過(guò)查看返回信號(hào)與傳輸信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)量距離。間接 ToF 傳感器通常發(fā)出連續(xù)波 (CW) 調(diào)制來(lái)測(cè)量距離。對(duì)于間接式 ToF 傳感器，距離由以下等式測(cè)量：

ToF 傳感器的光子壽命

操作條件和環(huán)境是了解 ToF 傳感器工作原理的關(guān)鍵。圖 1 顯示了 ToF 傳感器的光子“壽命”以及理論上可能出現(xiàn)噪聲的位置。紅色表示可能出現(xiàn)噪音和/或影響系統(tǒng)最終性能的地方。在接收器處，由于光子有可能“正確地”經(jīng)歷這一系列事件，因此只會(huì)收集一小部分傳輸?shù)墓庾印?/p>

圖 1：此圖顯示了光子如何與 ToF 傳感器相互作用。

光子散射和相互作用

傳輸信號(hào)（光子）與感興趣物體的相互作用對(duì)于 ToF 傳感器極為重要，因?yàn)楣庾涌梢跃哂新瓷洹㈢R面反射和/或擴(kuò)散反射，并根據(jù)物體被吸收或散射（圖 2）。例如，如果被測(cè)物體具有粗糙的表面（不規(guī)則的晶格排列）并且處于波長(zhǎng)范圍內(nèi)，則漫散射將是主要的相互作用。光子如何與物體相互作用將影響 ToF 傳感器在實(shí)踐中的工作情況。

圖 2：當(dāng)與物體相互作用時(shí)，光會(huì)以多種不同的方式散射。

ToF 與 3D 光學(xué)傳感系統(tǒng)的比較

ToF 傳感器可以與其他兩種 3D 光學(xué)傳感系統(tǒng)進(jìn)行比較：結(jié)構(gòu)光傳感器和立體視覺(jué)系統(tǒng)。不存在“最佳傳感器”：表 2 和表 3突出顯示了 ToF 傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

表 2：ToF 傳感器的高級(jí)優(yōu)點(diǎn)

表 3：使用 ToF 傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)

ToF 傳感器顯然比 3D 光學(xué)傳感系統(tǒng)具有一些優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)工程師在做出決定時(shí)應(yīng)考慮所有可能性。表 4 突出顯示了 3D 光學(xué)傳感系統(tǒng)與 ToF 傳感器直接比較的優(yōu)缺點(diǎn)（再次注意，存在例外情況）。

表 4：ToF 傳感器與其他 3D 傳感光學(xué)系統(tǒng)的全面比較

ToF 傳感器集成注意事項(xiàng)和錯(cuò)誤

d = (c / 2?m) ? (Δθ / 2π)

其中Δθ為相位差，

?m是調(diào)制頻率，

c是光速。

表 1總結(jié)了直接和間接 ToF 傳感器之間的差異，但某些標(biāo)準(zhǔn)存在例外情況。

表 1：ToF 傳感器類(lèi)型：間接和直接測(cè)量

間接式ToF傳感器更適合手勢(shì)識(shí)別等3D應(yīng)用，而直接式ToF傳感器更適合基于快速測(cè)距的應(yīng)用。這些傳感器對(duì)特定應(yīng)用的適用性取決于操作原理。了解 ToF 傳感器的工作原理有助于為應(yīng)用選擇正確的傳感器。

集成 ToF 傳感器可能相對(duì)簡(jiǎn)單（在業(yè)余愛(ài)好層面），因?yàn)榇蠖鄶?shù) ToF 傳感器在單個(gè)封裝中包含所需的一切（發(fā)射器、接收器和處理器）。然而，必須小心，這取決于應(yīng)用和用途。ToF 傳感器存在許多不同的配置，包括發(fā)射器設(shè)計(jì)、接收器設(shè)計(jì)和/或操作特征（例如，轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)）。每個(gè) ToF 傳感器的設(shè)計(jì)和制造對(duì)于傳感器的性能和傳感器可實(shí)現(xiàn)的功能起著極其重要的作用。

將 ToF 傳感器集成到應(yīng)用程序中的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是校準(zhǔn)過(guò)程。圖 3顯示了 ToF 傳感器在最簡(jiǎn)單級(jí)別的測(cè)量范圍時(shí)遇到的四種錯(cuò)誤類(lèi)型：常數(shù)偏移、比例因子、測(cè)量精度/方差和飽和度。展望未來(lái)，我們的重點(diǎn)將放在單個(gè)發(fā)射器和單個(gè)接收器（像素）上。

圖 3：描述了使用 ToF 傳感器時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

ToF 錯(cuò)誤和噪聲深入探討

在工程和科學(xué)應(yīng)用中，了解和校準(zhǔn)誤差源至關(guān)重要。首先，由于 ToF 傳感器是光學(xué)傳感器，因此 ToF 傳感器中存在光學(xué)傳感器中的噪聲源。我們必須考慮 ToF 傳感器焦平面陣列 (FPA) 中一個(gè)像素到下一個(gè)像素的固定模式噪聲和像素響應(yīng)偏差。陣列中每個(gè)像素的響應(yīng)度必須補(bǔ)償?shù)浇y(tǒng)一的水平。另一種固定模式噪聲是暗電流及其相應(yīng)的散粒噪聲。即使 ToF 傳感器未被點(diǎn)亮，傳感器中仍會(huì)存在噪聲。必須對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償以減少 FPA 讀出中的偏移。通常，傳感器的帶隙與暗電流噪聲成反比。隨著帶隙減小，暗電流噪聲通常會(huì)增加。

為了補(bǔ)償固定模式噪聲，可以執(zhí)行稱(chēng)為非均勻性校正 (NUC) 的過(guò)程。此過(guò)程包括在不同的積分時(shí)間測(cè)量陣列并將響應(yīng)擬合到已知模型。必須校正和對(duì)齊每個(gè)像素，以便為固定輸入提供統(tǒng)一的輸出。舉個(gè)例子（盡管不是 ToF 傳感器），如果正確執(zhí)行 NUC，結(jié)果將類(lèi)似于圖 4中的結(jié)果。

圖 4：此圖像顯示了 NUC 過(guò)程中校正紅外傳感器的示例。對(duì)于 3D 傳感應(yīng)用，校準(zhǔn)過(guò)程將是獲得良好結(jié)果所必需的。

其他必須考慮的系統(tǒng)噪聲包括熱噪聲、量化噪聲（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、閃爍噪聲、kTC 噪聲和串?dāng)_。尤其應(yīng)考慮熱噪聲，因?yàn)闄z測(cè)器的響應(yīng)也受溫度影響。測(cè)距將作為溫度的函數(shù)漂移，并將自身呈現(xiàn)為偏移量。這種溫度漂移不是物體的功能；這種熱漂移的原因與延遲鎖定環(huán)的相位測(cè)量有關(guān)。

會(huì)影響 ToF 傳感器性能的環(huán)境噪聲包括雜散光、光學(xué)波前誤差、多路徑以及由于物體反射率不均勻而導(dǎo)致的一般照明噪聲。正如上文在討論使用 ToF 傳感器的缺點(diǎn)時(shí)所指出的，ToF 傳感器存在應(yīng)該糾正的偽影，例如運(yùn)動(dòng)偽影。運(yùn)動(dòng)偽影出現(xiàn)在對(duì)象邊界和不均勻反射處，其中不匹配的原始相位值可能會(huì)波動(dòng)。對(duì)于給定的積分時(shí)間，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，運(yùn)動(dòng)偽影變得更加嚴(yán)重。為了補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)偽影，可以采用多種技術(shù)，包括流量補(bǔ)償。此補(bǔ)償必須在傳感器運(yùn)行時(shí)運(yùn)行，不能視為校準(zhǔn)。

ToF 傳感器示例

通過(guò)對(duì) ToF 傳感器的了解，我們可以在更高層次上回顧如何使用 ToF 傳感器進(jìn)行對(duì)象跟蹤。

使用 ToF 傳感器，首先通過(guò)測(cè)量物體或場(chǎng)景的許多點(diǎn)的范圍來(lái)生成點(diǎn)云。根據(jù) ToF 傳感器返回/點(diǎn)云的密度和距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，可以制作傳感器及其所見(jiàn)世界的準(zhǔn)確 3D 視圖。如果傳感器的視圖除了單個(gè)物體外是空的，則可以通過(guò)查看與場(chǎng)景其余部分不同范圍的返回來(lái)簡(jiǎn)單地跟蹤該物體。另一方面，如果場(chǎng)景雜亂，應(yīng)用一些圖像處理允許基于對(duì)象特征和深度的附加信息來(lái)跟蹤對(duì)象。合適的 ToF 傳感器可提供類(lèi)似相機(jī)的“圖像”，但具有額外的深度信息。

ToF 傳感器的分辨率至關(guān)重要——類(lèi)似于相機(jī)的分辨率太低而無(wú)法制作準(zhǔn)確的點(diǎn)云。如果范圍不具有代表性且 ToF 傳感器未校準(zhǔn)，則物體會(huì)相互滲入，或者墻壁等平坦表面看起來(lái)會(huì)粗糙和變形。

結(jié)論

ToF 傳感器用途廣泛，如果仔細(xì)檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)其深度令人難以置信。ToF 傳感器的使用和設(shè)計(jì)因發(fā)射器、檢測(cè)器、光學(xué)陣列、處理和一般封裝的類(lèi)型而異。在任何應(yīng)用中都應(yīng)考慮到 ToF 傳感器的噪聲和誤差；根據(jù)傳感器的用途，校準(zhǔn)和誤差校正可能會(huì)變得復(fù)雜。歸根結(jié)底，ToF 傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，性能驚人，而且考慮到這些功能，它是解決許多不同問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。