用于距离测量和目标检测的飞行时间系统

距离测量和目标检测在许多领域发挥着重要作用,包括工厂自动化、机器人应用和物流。特别是在安全应用领域,需要对特定距离的物体或人员进行检测和响应。例如,一旦工人进入危险区域,机械臂就可能需要立即停止操作。

因此,飞行时间(ToF)变得越来越重要。使用ToF技术,光从调制光源(如激光)发射,经过一个或者多个目标反射后被相机所接收。因此,可以通过发射光与反射光之间的时间延迟∆T来确定距离。时间延迟与相机和物体之间的两倍距离(往返)成正比。所以,距离可估算为深度d = (c × Δt)/2,其中c表示光速。ToF相机输出二维图像数据以及所需的深度信息。

图1. 飞行时间测量原理。

ToF允许一次记录整个图像。不需要逐行扫描,也不需要传感器和被观察物体之间的相对运动。ToF通常划归为LIDAR(激光雷达),但它实际上是基于flash LIDAR的方法,而不是扫描式LIDAR。

利用ToF测量光脉冲的飞行时间基本上有两种不同的方法:基于电荷耦合器件(CCD)技术的脉冲模式和连续波(CW)模式。

在脉冲模式下测量光脉冲发射和接收之间经过的时间,在CW模式下测定发射和接收调制光脉冲之间的相移。这两种操作模式都各有优缺点。脉冲模式更耐环境光,因此更有利于户外应用,因为该技术是基于短时间窗内的高强度光脉冲来实现的。相比之下,CW模式更加简单易行,因为不需要具备快速上升下降时间的脉冲光源。但CW模式只能通过提高调制频率来获取更高的距离精度,这在实际应用中也是很大的挑战。

对于相机,像素尺寸的进步使得分辨率越来越高,不仅支持距离测量,也支持物体和手势识别。测量距离从几厘米(<10厘米)到几米(<15米)不等。

遗憾的是,并非所有物体的探测效果都能达到最佳。目标的特性、反射率和速度都会影响测量结果。

测量结果也可能因雾或强烈的阳光等环境因素而失真。环境光抑制有助于解决强烈的阳光导致的失真问题。

ADI等半导体制造商提供完整的3D ToF系统,以支持快速实现3DToF解决方案。他们将数据处理、激光驱动、电源管理和软件/固件集成到一个电子控制单元中。此外,只需要一个发出调制光的光源和接收反射光的图像传感器。框图如图2所示。

图2. ToF系统功能框图。

具有集成深度计算功能的模拟前端(AFE)等组件对于构建此类系统将会大有帮助。 ADDI9036 是一个完整的CCD ToF信号处理器,具有集成激光二极管驱动器、12位ADC,以及为CCD和激光器生成时序的高精度时钟发生器。ADDI9036负责处理来自VGA CCD传感器的原始图像数据以生成深度/像素数据。

ADI与行业伙伴共同合作,提供TOF成品模组和开发平台。客户可以借助ADI的TOF平台更加专注于应用层的算法。在工业和汽车等领域,模组和平台有助于更高效的产品开发。

参考电路

利用ADI飞行时间技术实现3D成像。ADI公司,2020年。

作者

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。2016年5月至2017年1月,他参加了ADI公司的现场应用工程师培训生项目。之后在2017年2月,他开始担任现场应用工程师职位,主要负责工业大客户。此外,他还专注于研究工业以太网,并为中欧的相关主题提供支持。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。