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、深度估計(jì)和物體分類。具體應(yīng)用包括庫存管理/計(jì)數(shù)、人員跟蹤和停車監(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。想象一下，間諜電影中的主人公試圖通過站在走廊上的一個(gè)不顯眼的花瓶旁邊，同時(shí)做一系列手勢來打開一扇秘密的門。突然間，一扇門打開了，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（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)中的姿勢或技術(shù)監(jiān)測。例如，一個(gè)ToF傳感器可以通過監(jiān)測高爾夫球手的姿勢來幫助完善他的技術(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)間來測量距離。這些傳感器的工作原理極其簡單。為了進(jìn)一步簡化，光學(xué)ToF傳感器將是我們唯一的重點(diǎn)。

根據(jù)其測量距離的方式，ToF傳感器可分為兩類。直接和間接。直接ToF傳感器直接測量一個(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)制來測量距離。對(duì)于直接對(duì)射式傳感器來說，距離是通過以下公式測量的。

d = (c ? Δt) / 2

其中Δt為時(shí)差，

c是光速。

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

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?、鏡面反射和/或擴(kuò)散反射，并根據(jù)物體被吸收或散射（圖 2）。例如，如果被測物體具有粗糙的表面（不規(guī)則的晶格排列）并且處于波長范圍內(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，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 傳感器類型：間接和直接測量

間接式ToF傳感器更適合手勢識(shí)別等3D應(yīng)用，而直接式ToF傳感器更適合基于快速測距的應(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)簡單（在業(yè)余愛好層面），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)過程。圖 3顯示了 ToF 傳感器在最簡單級(jí)別的測量范圍時(shí)遇到的四種錯(cuò)誤類型：常數(shù)偏移、比例因子、測量精度/方差和飽和度。展望未來，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)行稱為非均勻性校正 (NUC) 的過程。此過程包括在不同的積分時(shí)間測量陣列并將響應(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)果將類似于圖 4中的結(jié)果。

圖 4：此圖像顯示了 NUC 過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測器的響應(yīng)也受溫度影響。測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，首先通過測量物體或場景的許多點(diǎn)的范圍來生成點(diǎn)云。根據(jù) ToF 傳感器返回/點(diǎn)云的密度和距離測量的準(zhǔn)確性，可以制作傳感器及其所見世界的準(zhǔn)確 3D 視圖。如果傳感器的視圖除了單個(gè)物體外是空的，則可以通過查看與場景其余部分不同范圍的返回來簡單地跟蹤該物體。另一方面，如果場景雜亂，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跟蹤對(duì)象。合適的 ToF 傳感器可提供類似相機(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——類似于相機(jī)的分辨率太低而無法制作準(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、檢測器、光學(xué)陣列、處理和一般封裝的類型而異。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題的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。